SOAL-SOAL LATIHAN BAB VI SOAL-SOAL LATIHAN BAB VI
Mesin Kalor (
Mesin Kalor ( Heat Engines Heat Engines)) 6.1
6.1 Udara sebagai gas ideal berekspansi secara isotermal pada 20Udara sebagai gas ideal berekspansi secara isotermal pada 20ooC dari 1 mC dari 1 m33 ke ke 22
m
m33. Selama proses udara mendapat transfer kalor dari lingkungan yang berfungsi. Selama proses udara mendapat transfer kalor dari lingkungan yang berfungsi
sebagai tandon kalor, dan udara melakukan kerja. Hitung kerja dan kalor selama
sebagai tandon kalor, dan udara melakukan kerja. Hitung kerja dan kalor selama
proses, dalam kJ/kg. Apakah proses tersebut melanggar HT II?
proses, dalam kJ/kg. Apakah proses tersebut melanggar HT II?
6.
6.22 SeSebuabuah PLh PLTU TU kapkapasasitaitas 60s 600 MW 0 MW memempmpunyunyai eai efifisiesiensi nsi tertermamal 40%l 40%. PL. PLTUTU tersebut didinginkan oleh sungai yang mengalir. Hitunglah besarnya laju tersebut didinginkan oleh sungai yang mengalir. Hitunglah besarnya laju perpinda
perpindahan kalhan kaloror ke sungke sungai.ai. Apakah Apakah laju pelaju perpindahan rpindahan kalor kalor aktual aktual akan leakan lebihbih besar atau lebih kecil dari nilai tersebut?
besar atau lebih kecil dari nilai tersebut? [900 MW][900 MW]
6.
6.33 SeSebuabuah PLh PLTU TU memenernerima ima kalkalor 2or 280 G80 GJ/hJ/h. K. Kehiehilalangangan kan kalor lor akiakibat bat alialiran ran didi dalam pipa dan komponen lainnya diperkirakan 8 GJ/h, sementara laju dalam pipa dan komponen lainnya diperkirakan 8 GJ/h, sementara laju pembuangan kalor ke air pendingin 145 GJ/h. Hitunglah:
pembuangan kalor ke air pendingin 145 GJ/h. Hitunglah: a)
a) KeKerjrja bea bersrsih yih yang dang dihaihasilsilkakann [35,3 MW][35,3 MW]
b)
b) EfEfisisieniensi tsi terermamal PLl PLTUTU [45.4%][45.4%]
6.
6.44 SeSebuabuah PLh PLTU TU dendengagan dan daya kya kelueluaraaran 15n 150 MW 0 MW memenggnggunaunakan kan batbatubaubara 6ra 60 to0 ton/n/h.h. Jika nilai kalor batubaara 30000 kJ/kg, hitunglah efisiensi total PLTU tersebut. Jika nilai kalor batubaara 30000 kJ/kg, hitunglah efisiensi total PLTU tersebut. [30%]
[30%]
6.
6.55 LaLaju koju konsunsumsi msi babahan han bakbakar sar sebuebuah mah mesiesin mon mobil bil 28 l28 liteiter/r/h dah dan men mengnghashasilkilkanan daya 60 kW. Jika nilai kalor bahan bakar 44000 kJ/kg dengan kerapatan 0,8 daya 60 kW. Jika nilai kalor bahan bakar 44000 kJ/kg dengan kerapatan 0,8 gram/cm
gram/cm33, hitunglah efisiensi mesin tersebut., hitunglah efisiensi mesin tersebut. [21,9%][21,9%]
6.
6.66 SeSebuabuah PLh PLTU bTU bererbahbahan baan bakar kar batbatubaubara mra memempunpunyayai efi efisiisiensensi tei termrmal 3al 32% d2% danan menghasilkan daya bersih 300 MW. Perbandingan aktual antara udara dan bahan menghasilkan daya bersih 300 MW. Perbandingan aktual antara udara dan bahan bakar adalah 12 kg udara/kg bb. Nilai kalor batubara 28000 kJ/kg. Hitunglah: bakar adalah 12 kg udara/kg bb. Nilai kalor batubara 28000 kJ/kg. Hitunglah: a)
a) Jumlah batu batu bara yang dikonsumsi dalam 24 jamJumlah batu batu bara yang dikonsumsi dalam 24 jam [2,89 x 10[2,89 x 1066kg]kg]
b)
b) LaLaju suju suplaplai udari udara pema pembakbakararanan [402 kg/s][402 kg/s]
6.
6.77 SeSebuabuah tuh turbrbin gin gas tuas tua mea mempmpunyunyai eai efifisiesiensi nsi 21% d21% dan man mengenghashasilkilkan dan daya baya berersisihh 6.000 kW. Hitunglah laju konsumsi bahan bakar turbin gas (L/min) jika nilai 6.000 kW. Hitunglah laju konsumsi bahan bakar turbin gas (L/min) jika nilai kalor bahan bakar 42.000 kJ/kg dan densitas 0,8 gr/cm
kalor bahan bakar 42.000 kJ/kg dan densitas 0,8 gr/cm33.. Refirgerator dan Pompa Kalor
Refirgerator dan Pompa Kalor 6.
6.88 SeSebuabuah kuh kulkalkas des dengngan Can COP 1OP 1,2 m,2 menyenyeraerap kap kalor dlor darari rui ruang yang yang ang diddidinginginkinkanan pada laju 60 kJ/min. Hitunglah:
pada laju 60 kJ/min. Hitunglah: a)
a) DayDaya yaa yang dng dibuibutuhtuhkakan kun kulkalkass [0,83 kW][0,83 kW]
b)
b) LajLaju pemu pembuangbuangan kaan kalor klor ke ruae ruang dang dapurpur [110 kJ/min][110 kJ/min]
6.
6.99 SeSebuabuah AC h AC secsecara ara konkonstastan men meminmindadahkahkan kaln kalor daor dari dri dalaalam rum rumamah deh dengangan lan lajuju 750
750 kJ/min. kJ/min. AC tersAC tersebut menebut mengkonsumsgkonsumsi daya lisi daya listrik 6 kW.trik 6 kW. HitungHitunglah:lah:
aa)) CCOOP P AACC [2,08][2,08]
b)
b) LajLaju perpu perpindaindahan kahan kalor ke lor ke udarudara luar a luar rumarumahh [1110 kJ/min][1110 kJ/min]
6.
6.1010 SeSebuabuahh kulkulkakas yas yang mng mempempunyunyai dai daya aya inpinput 45ut 450 Wa0 Watt dtt dengengan Can COP 2OP 2,5 u,5 untuntuk k mendinginkan 5 buah semangka dengan berat masing-masing 10 kg menjadi mendinginkan 5 buah semangka dengan berat masing-masing 10 kg menjadi 8
8ooC. Jika temperatur awal semangka 20C. Jika temperatur awal semangka 20ooC, hitunglah berapa lama waktu yangC, hitunglah berapa lama waktu yang dibutuhkan kulkas untuk mendinginkan semangka tersebut. Semangka dapat dibutuhkan kulkas untuk mendinginkan semangka tersebut. Semangka dapat dianggap sebagai air dengan kalor spesifik 4,2 kJ/kg.
dianggap sebagai air dengan kalor spesifik 4,2 kJ/kg.ooC. Apakah jawaban andaC. Apakah jawaban anda sesuai dengan kenyataan atau melebihi kenyataannya?
6.11 Sebuah siklus refrigerasi beroperasi antara dua tandon menerima kalor QL dari reservoir dingin pada TL = 280 K dan membuang kalor QH ke reservoir panas pada TH = 320 K. Untuk masing-masing kasus berikut tentukanlah apakah siklus beroperasi reversible, irreversibleatau impossible:
a) QL 1500kJ, W 150kJ
b) QL 1400kJ, QH 1600kJ
c) QL 1600kJ, W 400kJ
d) COP = 5
6.12 Hitung COP refrigerator yang memindahkan kalor dari ruang makanan yang didinginkan dengan laju 5040 kJ/jam untuk setiap kW daya yang dikonsumsi. Juga tentukan laju pembuangan kalor ke udara luar.
6.13 Hitung COP pompa kalor yang mensuplai energi ke sebuah rumah pada laju 8000 kJ/jam untuk setiap kW listrik yang digunakan. Hitung juga, laju penyerapan kalor dari udara luar. [2,22 dan 4400 kJ/h] 6.14 Sebuah rumah menggunakan pemanas ruangan elektrik dan mengkonsumsi 1200
kWh energi listrik pada saat musim dingin. Jika pemanasan di rumah tersebut diganti dengan pompa kalor dengan COP 2,4, hitunglah berapa biaya yang dihemat pemilik rumah pada bulan itu. Asumsi biaya listrik Rp.1350/kWh dan waktu operasi pemanas 10 jam/hari. [Rp.945.000]
6.15 Sebuah pompa kalor memanaskan rumah setiap sepertiga waktu per hari. Laju kehilangan kalor dari rumah tersebut 22.000 kJ/jam. Jika COP pompa kalor sebesar 2,8, hitunglah daya listrik yang dibutuhkan pompa kalor tersebut. [2,1 kW]
6.16 Sebuah pompa kalor digunakan untuk mempertahankan temperatur rumah agar tetap 23oC. Laju kehilangan kalor ke udara luar melalui dinding dan jendela 60.000 kJ/jam, sementara energi yang dihasilkan dalam rumah yang berasal dari orang, lampu dan peralatan lainnya sebesar 4000 kJ/jam. Dengan COP sebesar 2,5, hitunglah daya input yang dibutuhkan pompa kalor tersebut. [6,22 kW] 6.17 Misalkan sebuah rumah dimana beban pendingin pertahunnya 120.000 kWh
dengan harga listrik $0,1/kWh. Dua jenis AC sedang dipertimbangkan untuk dipasang pada rumah tersebut. AC A mempunyai COP 3,2 dengan harga$5500 termasuk pemasangan. AC B mempunyai COP 5 dengan harga $7000 termasuk pemasangan; yang lainnya semua sama. Dengan asumsi lama operasi AC 10 jam/hari, tentukanlah AC yang mana yang lebih baik dibeli. [AC A]
Mesin Kalor Carnot ( Carnot Heat Engines)
6.18 Sebuah mesin kalor beroperasi pada tandon kalor temperatur tinggi T dan temperatur rendah 280 K. Mesin kalor menghasilkan daya 40 kW dan membuang kalor ke reservoir dingin pada 1000 kJ/min. Hitunglah nilai T minimum, dalam K. [952 K]
6.19 Sebuah pembangkit listrik tenaga panas bumi mendapatkan air panas pada 140oC di daerah dengan temperatur lingkungannya 20oC. Hitung efisiensi
a) QH = 700 kJ; W = 400 kJ; QL = 300 kJ b) QH = 640 kJ; W = 400 kJ; QL = 240 kJ c) QH = 640 kJ; W = 400 kJ; QL = 200 kJ
6.21 Sebuah mesin kalor Carnot beroperasi antara temperatur 1000 K dan 300 K. Mesin kalor disuplai kalor dengan laju 800 kJ/menit, hitunglah :
a) Efisiensi thermal [70%]
b) Daya output mesin kalor (kW) [9,33 kW]
6.22 Sebuah pembangkit daya yang reversible mempunyai efisiensi thermal 50%. Pembangkit tersebut menerima kalor dari reservoir 1800 K dan membuang limbah kalornya ke sink yang bertemperatur T. Hitunglah T (dalam K). [900 K] 6.23 Sebuah mesin kalor Carnot menerima kalor sebesar 650 kJ dari sumber yang
tidak diketahui temperatur dan membuang 250 kJ ke sink yang bertemperatur 24oC. Hitunglah :
a) Temperatur sumber [771 K]
b) Efisiensi thermal mesin kalor [ 61,54%]
6.24 Seorang penemu mengklaim bahwa dia telah mengembangkan sebuah alat pembangkit tenaga yang beroperasi antara reservoir 800 K dan 350 K dan mempunyai efisiensi thermal (a) 56%, (b) 40%. Periksa apakah klaim pada masing-masing kasus masuk akal. [keduanya masuk akal]
6.25 Seorang penemu mengklaim bahwa dia telah mengembangkan mesin kalor yang menerima 700 kJ kalor dari sumber pada 500 K dan menghasilkan kerja bersih 300 kJ. Limbah kalor dibuang ke sink pada 290 K. Apakah klaim tersebut masuk akal? [rev 42%;act 42,8% Impossible]
6.26 Sebuah siklus daya menghasilkan daya output 10 kW untuk pemasukan kalor 10 kJ per siklus dari reservoir 1500 K. Limbah kalor dibuang ke sink pada 300K. Hitung siklus minimum yang dibutuhkan. [75 siklus]
6.27 (5.61 Moran) Sebuah siklus daya uap Carnot menggunakan 2 kg air sebagai fluida kerjanya. Selama proses ekspansi isotermal, air dipanaskan dari tekanan 4 bar dan kualitas 15% menjadi uap jenuh (saturated vapor). Uap kemudian bereskpansi secara adiabatik ke tekanan 1,5 sambil melakukan kerja 491,5 kJ/kg. a) Sketsa proses tersebut pada diagram P-v
b) Hitung kerja pada setiap proses, dalam kJ c) Hitung efisiensi thermal
6.28 Sebuah siklus daya Carnot menggunakan 1 kg udara (gas ideal) sebagai fluida kerjanya. Efisiensi thermal siklus 60%. Transfer kalor ke udara selama proses isothermal sebesar 40 kJ. Pada akhir proses ekspansi isothermal, tekanannya 5,6 bar dan volume 0,3 m3. Hitunglah
a) Temperatur maksimum dan minimum siklus, dalam K
b) Tekanan (bar) dan volume (m3) pada awal proses isothermal. c) Kerja dan transfer kalor pada masing-masing ke-empat proses. d) Sketsa proses tersebut pada diagram P-v
Refirgerator Carnot (Carnot Refrigerators)
6.29 Sebuah mesin refrigerasi Carnot mempunyai COP 4. a) Hitung TL /TH. [0,8]
b) Jika mesin tersebut digunakan sebagai pemanas, hitung COP-nya.[5]
6.30 Sebuah sistem pendingin digunakan untuk mempertahankan sampel kriogenik pada suhu −126oC. Jika suhu ruangan laboratorium 21oC dan ada kebocoran kalor dari ruangan ke sampel dengan laju 900 kJ/s, hitunglah daya minimum yang dibutuhkan oleh sistem pendingin. [450 kW]
6.31 Seorang ilmuwan mengklaim bahwa ia telah mengembangkan sebuah siklus pendingin yang membutuhkan daya bersih 1,2 kW. Laju penyerapan kalor dari ruang −30oC sebesar 25000 kJ/h dan membuang energi ke tandon kalor pada 20oC. Tidak perpindahan energi dengan lingkungan. Apakah klaim ini masuk akal?
COPmax 4,86;COPact 4,78
Masuk akal6.32 Sebuah mesin pendingin digunakan untuk membuat es batu. Diasumsi bahwa 333 kJ/kg kalor harus dipindahkan dari air untuk membekukannya pada 0oC, dengan temperatur lingkungan 20oC. Hitunglah laju pembentukan es (kg/h) untuk setiap kW daya input. [COP = 13,65;
h kg 6 , 147 q Q m L L ; 1 Q 65 , 13 L ]
6.33 Sebuah refrigerator Carnot menyerap kalor dari ruang yang didinginkan dengan laju 300 kJ/menit agar suhu ruangan konstan pada– 8oC. Jika suhu udara sekitar refrigerator adalah 25oC, hitunglah daya input minimum refrigerator (kW).
[0,623 kW] 6.34 Sebuah refrigerator menyerap 18000 kJ/h kalor dari ruang yang dipertahankan
temperaturnya pada −40oC. Kalor dibuang ke lingkungan yang bersuhu 20oC. Jika COP refrigerator 25% dari COP refrigerator reversible yang bekerja pada tandon kalor yang sama, hitunglah daya input refrigerator (kW). [5,15 kW]
6.35 Sebuah refrigerator Carnot beroperasi dalam ruangan yang bertemperatur 25oC. Refrigerator mengkonsumsi daya sebesar 500 W dengan COP 4,5. Hitunglah: a) Laju penyerapan kalor dari ruang yang didinginkan (kJ/min), [135kJ/min] b) Temperatur di ruangan yang didinginkan (oC). [-29,2oC] 6.36 Sebuah AC dengan COP 3 dipakai untuk mempertahankan ruangan laboratorium
komputer pada 18oC sementara udara luar 30oC. Beban pendingin yang masuk lewat dinding dan jendela 30.000 kJ/h, sementara yang dari penghuni, komputer dan lampu sebesar 6.000 kJ/h. Hitunglah daya yang dibutuhkan oleh AC tersebut. Hitung pula daya minimum yang dibutuhkan AC lain yang bekerja pada kondisi ini. [Wact= 3,33 kW, Wmin= 0,41 kW]
6.37 Sebuah refrigerator Carnot beroperasi dalam ruangan yang bertemperatur 22oC dengan mengkonsumsi daya 2 kW untuk beroperasi. Agar makanan dalam refrigerator dipertahankan pada 3oC, hitunglah laju pembuangan kalor dari makanan di dalam refrigerator tersebut. [29,05 kW]
a) Laju maximum penyerapan kalor dari ruang yang didinginkan,
[4982 kJ/min] b) Total laju pelepasan kalor ke udara luar. [5782 kJ/min] 6.39 Sebuah AC digunakan untuk mempertahankan suhu rumah konstan pada 20oC. Rumah tersebut menyerap panas dari udara luar dengan laju 20.000 kJ/jam, dan laju kalor yang dibangkitkan di dalam rumah oleh orang, lampu dan peralatan rumah tangga lainnya sebesar 8.000 kJ/jam. Untuk COP 2,5, hitunglah daya input yang dibutuhkan system pendingin tersebut. [3,11 kW] 6.40 Sebuah sistem pendingin udara bekerja berdasarkan siklus Carnot terbalik. Kalor
dikeluarkan dari ruangan dengan laju 750 kJ/min untuk mempertahankan ruangan tersebut pada 24oC. Jika temperatur udara luar 35oC, hitung daya yang dibutuhkan sistem pendingin tersebut. [0,46 kW] 6.41 Seorang penemu mengklaim telah mengembangkan refrigerasi yang menyerap
kalor dari ruang tertutup pada −12oC dan membuangnya ke lingkungan pada 25oC sambil mempertahankan COP 6,5. Apakah klaim ini masuk akal?
6.42 Selama pengujian di ruang laboratorium yang bersuhu 25oC, seorang laborant mengukur bahwa refrigerator yang menggunakan daya listrik 2 kW telah menyerap kalor 30.000 kJ dari dalam ruangan yang dipertahankan pada−30oC. Refrigerator tersebut dijalankan selama 20 menit. Hitunglah apakah hasil pengukuran ini masuk akal.
6.43 Sebuah AC dengan R-134a sebagai fluida kerja digunakan untuk mempertahankan ruangan pada 26oC dengan membuang kalor ke udara luar pada 34oC. Ruangan mendapat kalor lewat dinding dan jendela pada laju 250 kJ/min sementara komputer, TV dan lampu melepas kalor 900 W. Refrigerant masuk kompressor pada 500 kPa sebagai saturated vapor pada laju 100 L/min dan keluar pada 1200 kPa dan 50oC. Hitunglah
a) COP aktual [6,59]
b) COP maksimum [37,4]
c) Debit minimum refrigerant pada inlet kompressor apabila kondisi inlet dan
exit kompressor sama. [17,6 L/min]
Pompa Kalor Carnot (Carnot Heat Pumps)
6.44 Sebuah pompa kalor digunakan untuk memanaskan sebuah rumah hingga udara di dalam rumah tersebut konstan pada 24oC. Pada musim dingin suhu udara di luar ruangan adalah – 5oC, rumah diperkirakan kehilangan kalor dengan laju 80.000 kJ/h. Hitunglah daya minimum yang diperlukan pompa kalor untuk beroperasi. [W = 2,1698 kW]
6.45 Sebuah pompa kalor mensuplai kalor ke ruangan 25.000 kJ/h untuk mempertahankan suhu ruangan pada 20oC ketika udara luar −10oC. Jika pompa kalor beroperasi 10 jam per hari dan harga listrik Rp.1.500/kWh, hitung berapa biaya minimum per hari. [Rp.10.665,-]
6.46 Sebuah pompa kalor digunakan pada sebuah rumah agar suhunya konstan pada 22oC dengan cara menyerap kalor dari udara luar ketika udara luar tersebut bersuhu 2oC. Rumah tersebut kehilangan kalor dengan laju 110.000 kJ/jam, dan pompa kalor mengkonsumsi daya 5 kW. Apakah pompa kalor tersebut cukup kuat untuk mencapai tujuan tersebut?
6.47 Sebuah pompa kalor digerakkan oleh motor listrik 1 kW dan mensuplai kalor ke ruangan yang dipertahankan pada 20oC. Suatu hari ketika udara luar 0oC, laju kehilangan kalor melalui dinding, atap dan jendela sebesar 60.000 kJ/h. Apakah pompa kalor tersebut mencukupi?
6.48 Sebuah pompa kalor Carnot digunakan untuk memanaskan sebuah rumah dan mempertahankannya pada 20oC saat musim dingin. Suatu hari udara di luar ruangan bertemperatur 2oC sehingga rumah tersebut kehilangan kalor dengan laju 82.000 kJ/jam. Jika pompa kalor tersebut mengkonsumsi daya 8 kW saat beroperasi, hitunglah:
a) Berapa lama pompa kalor beroperasi pada hari itu [4,19 jam] b) Berapa total biaya dengan asumsi harga listrik 8,5¢/kWh [$2,85] c) Berapa total biaya jika pada hari yang sama pemanas yang digunakan adalah
elemen listrik (bukan pompa kalor) [$46,47]
6.49 Sebuah pompa kalor mempertahankan suhu ruangan pada 20oC ketika udara luar 0oC. Laju perpindahan kalor melewati dinding, jendela dan atap sebesar 3.000 kJ/h per oC selisih antara udara dalam dan luar. Hitung berapa daya minimum (kW) untuk menggerakkan pompa kalor tersebut. [1,1377 kW]
6.50 Struktur sebuah rumah sedemikian sehingga laju kehilangan kalornya 5400 kJ/h per oC selisih temperatur dalam dan luar ruangan. Sebuah pompa kalor dengan daya input 6 kW digunakan untuk mempertahankan rumah tersebut pada 21oC. Hitunglah temperatur terendah udara luar agar memenuhi kondisi di atas.
[−13,3oC] 6.51 COP sebuah pompa kalor berubah jika temperatur dari sumber kalor berubah.
Hal ini menyebabkan penggunaan pompa kalor di daerah dengan perubahan udara ekstrim menjadi tidak menarik. Misalkan sebuah rumah yang dipanaskan dan dipertahankan pada 20oC oleh sebuah pompa kalor selama musin dingin. Hitung COP pompa kalor tersebut jika kalor diserap dari udara luar pada suhu a). 10oC b). −5oC, dan c). −30oC
6.52 Sebuah pompa kalor dengan COP 2,8 untuk memanaskan rumah. Pompa kalor mengkonsumsi daya 5 kW. Jika temperatur rumah 7oC saat pompa kalor dihidupkan, berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan temperatur udara rumah hingga menjadi 22oC? Asumsikan massa udara di rumah
keseluruhannya adalah 1500 kg. [19,2 min]
6.53 Sebuah pompa kalor dengan COP 2,4 digunakan untuk memanaskan sebuah rumah. Pompa kalor mengkonsumsi daya listrik sebesar 8 kW saat beroperasi. Jika laju pelepasan kalor dari rumah ke lingkungan 40.000 kJ/jam dan temperatur rumah 3oC ketika pompa kalor dihidupkan, hitunglah berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan rumah menjadi 22oC. Asumsi rumah terisolasi sempurna (tak ada kebocoran udara) dan massa keseluruhan di dalam rumah (udara, perabot dll.) setara dengan massa udara 2000 kg.
