Diktat TERMODINAMIKA DASAR

BabIV

H

H

U

U

K

K

U

U

M

M

T

T

E

E

R

R

M

M

O

O

D

D

I

I

N

N

A

A

M

M

I

I

K

K

A

A

I

I

:

:

S

S

I

I

S

S

T

T

E

E

M

M

T

T

E

E

R

R

B

B

U

U

K

K

A

A

(

(

V

V

O

O

L

L

U

U

M

M

E

E

A

A

T

T

U

U

R

R

)

)

4.1 ANALISA TERMODINAMIKA VOLUME ATUR

Pada sebagian besar persoalan keteknikan pada umumnya akan melibatkan aliran massa masuk dan keluar sistem, oleh karena itu hal kondisi yang demikian sering dimodelkan sebagai kontrol volume. Pemanas air, radiator mobil, turbin dan kompresor. semuanya melibatkan aliran massa dan harus dianalisa sebagai volume atur (sistem terbuka) sebagai pengganti massa atur pada sistem tertutup.

Batas dari sebuah volume atur disebut dengan permukaan atur (control surface ), dan hal tersebut dapat berupa batas riil maupun imajiner. Kasus pada nosel misalnya, bagian dalam nosel merupakan batas riil sedangkan bagian masuk dan keluar nosel merupakan batas imajiner, karena pada bagian ini tidak ada batas secara fisik.

Istilah steady dan seragam (uniform) akan digunakan secara luas pada bab ini, oleh karena itu adalah sangat penting untuk mengetahui pengertiannya. Steady berarti tidak berubah terhadap waktu,

kebalikannya adalah unsteady atau transient. Uniform mempunyai pengertian tidak berubah terhadap lokasi dalam region yang ditentukan.

Pembahasan lebih lanjut mengenai prinsip konservasi massa dan energi pada volume atur akan dijelaskan di bawah ini.

Prinsip Konservasi Massa

Untuk sistem tertutup, prinsip konservasi massa adalah telah jelas karena tidak ada peru bahan massa dalam kasus tersebut. Tetapi untuk volume atur, karena dalam kasus ini massa dapat melintasi bata s sistem, jumlah massa yang masuk dan keluar sistem harus diperhitungkan.

atau

∑

m

_i

−

∑

m

_e

=

∆

m

_CV (4-1)

dimana subskrip i, e dan CV menunjukkan inlet, exit dan control volume. Persamaan diatas dapat juga dituliskan dalam bentuk rate, dengan membagi dengan satuan waktu.

Kecepatan Aliran Massa dan Volume (Mass dan Volume Flow Rates)

Jumlah massa yang mengalir melintasi sebuah seksi perunit waktu disebut mass flow rate dan dinotasikan dengan

m

&

. Jika zat cair atau gas mengalir masuk dan keluar sebuah volume atur melalui pipa atau saluran, massa yamg masuk adalah proporsional terhadap luas permukaan A dari pipa atau saluran, densitas dan kecepatan dari fluida. Mass flow rates melalui differensial dA dapat dituliskan :

=

m

d &

ρ Vn dA (4-2)

dimana Vn adalah komponen kecepatan normal terhadap dA. Massa yang melalui pipa atau saluran dapat diperoleh dengan mengintegrasikan : Total massa masuk VA Total massa keluar VA Perubahan bersih massa dalam VA - =

∫

=

A

m

&

ρ

Vn dA (kg/s) (4-3) Sedangkan volume flow rates :

∫

=

A

V&

Vn dA = Vav A (m3_/s) (4-4) Sehingga :

m

&

= ρV& = v V&

¨ , persamaan analog dengan m =

v V

Prinsip Konservasi Energi

Persamaan konservasi energi untuk sebuah volume atur ketika menjalani suatu proses dapat diungkapkan seperti :

atau

Q

−

W

+

∑

E

_in

−

∑

E

_out

=

∆

E

_CV (4-5) Jika tidak ada massa yang masuk dan keluar volume atur, maka suku kedua dan ketiga akan hilang, sehingga persamaan menjadi persamaan untuk sistem tertutup.

Dalam volume atur seperti juga dalam sistem tertutup, dalam interaksinya dimungkinkan bekerja lebih dari satu bentuk kerja pada waktu yang bersamaan. Misalnya : kerja listrik, kerja poros untuk sebuah sistem compressibel dan lain -lain. Dan untuk sebuah volume atur yang diisolasi maka heat transfer adalah nol

Total energi melintasi batas sbg panas & kerja Total energi dari massa yg masuk VA Perubahan bersih energi dalam VA = Total energi dari massa yg keluar VA - -

Kerja Aliran (Flow Work)

Energi yang diperlukan untuk mendorong fluida memasuki volume atur disebut kerja aliran (flow work atau flow energi).

Untuk memperoleh hubungan kerja aliran, perhatikan elemen fluida dari sebuah volume V, seperti gambar di samping (Gb. 4-2). Fluida pada bagian pangkal akan memaksa elemen fluida memasuki volume atur; yang

disini dilakukan oleh sebuah piston imajiner.

Jika tekanan fluida P dan luas permukaan elemen fluida adalah A, maka gaya yang bekerja pada elemen fluida

PA

F = (4-6)

Untuk mendorong seluruh elemen ke volume atur, gaya menempuh melalui sebuah jarak L. Sehingga kerja yang dilakukan ketika mendorong elemen fluida memasuki batas sistem adalah

PV PAL FL

Wflow = = = (kJ) (4-7) atau dalam persatuan massa :

Pv

wflow = (kJ/kg) (4-8)

Energi Total Aliran

Seperti pada pembahasan sebelumnya, energi total dari sebuah sistem sederhana fluida kompresibel terdiri dari tiga bagian : energi dalam, kinetik dan potensial, yang dalam unit massa :

)

/

(

2

2

kg

kJ

gz

u

pe

ke

u

e

=

+

+

=

+

V

+

(4-9)

dimana V adalah kecepatan dan z adalah ketinggian sistem relatif terhadap titik acuan.

Fluida yang memasuki dan keluar volume atur memiliki bentuk energi tambahan ---(energi aliran Pv). Sehingga total energi perunit massa dari fluida yang mengalir adalah :

) (u ke pe Pv e Pv+ = + + + = θ (4-10)

Dan kombinasi Pv + u telah didefinisikan sebelumnya sebagai enthalpi, sehingga persamaan total energinya menjadi :

) / ( 2 2 k g k J gz h pe k e h+ + = + + = V θ (4-11)

Profesor J. Kestin memulai pada tahun 1966 bahwa istilah θ disebut dengan methalpy.

4.2 PROSES ALIRAN STEADI

Sejumlah peralatan-peralatan keteknikan seperti turbin, kompresor dan nosel dioperasikan untuk periode yang lama dan dalam kondisi yang sama. Peralatan yang demikian disebut dengan peralatan aliran stedi.

Proses aliran stedi mempunyai pengertian sebuah proses dimana aliran fluida ketika melalui sebuah volume atur tidak mengalami perubahan terhadap waktu.

Sebuah proses aliran steadi bisa dikarakteristikkan sebagai berikut :

1. Tidak ada properti dalam volume atur yang berubah terhadap waktu, seperti volume V, massa m dan total energi E.

2. Tidak ada properti pada batas volume atur yang berubah terhadap waktu. Artinya tidak ada perubahan terhadap waktu properti pada inlet dan exit.

3. Interaksi panas dan kerja antara sistem aliran steadi dan lingkungan tidak berubah terhadap waktu.

Beberapa peralatan siklus, seperti mesin atau kompresor reciprocating, sebenarnya tidak bisa memenuhi ketentuan di atas karena alirannya berpulsa dan tidak stea di. Tetapi hal tersebut dapat dianalisa

sebagai proses steadi dengan menggunakan nilai rata -rata dalam interval waktu tertentu pada seluruh batas sistem.

Konservasi Massa

Selama proses aliran stead i, hal yang terpenting untuk dianalisa adalah mass flow rate

m

&

. Persamaan konservasi massa untuk proses aliran stead i dengan multi inlet dan exit dapat diekspresikan dalam bentuk rate adalah sebagai berikut :

e

i

m

m

&

=

Σ

&

Σ

(kg/s)

dimana sub skrip i dan e menunjukkan inlet dan exit. Untuk hampir semua peralatan keteknikan seperti nosel, difuser, turbin dan kompresor umumnya hanya mempunyai satu aliran (hanya satu saluran masuk dan keluar), sehingga umumnya hanya disimbolkan dengan subskrip 1 untuk aliran masuk dan 2 untuk aliran keluar.

2 1 m m& =Σ& Σ (kg/s) (4-12) atau

V

V

1 1 2 2 2 1

A

ρ

A

ρ

=

(4-13) atau

V

V

_{2 2} 2 1 1 1

1

1

A

v

A

v

=

(4-14) dimana ρ = densitas, kg/m3

v

= volume spesifik, m3_{/kg (1/}ρ)

V = kecepatan aliran rata-rata, m/s

A = luas penampang (normal terhadap arah aliran), m2

Konservasi Energi

Telah disebutkan sebelumnya bahwa selama proses aliran steadi total energi dalam sebuah volu me atur adalah konstan (

E

CV

=

kons

tan)

.

Total massa masuk VA perunit waktu Total massa keluar VA perunit waktu =

Sehingga perubahan total energi selama proses adalah nol (∆E_CV =0). Sehingga jumlah energi yang memasuki sebuah volume atur dalam semua bentuk (panas, kerja, transfer massa) harus sama dengan energi yang keluar untuk sebuah proses aliran stead i.

atau i i e e

m

m

W

Q

&

−

&

=

Σ

&

θ

−

Σ

&

θ

(4-15) atau ) 2 ( ) 2 ( 2 2 4 4 3 4 4 2 1 & 4 4 4 3 4 4 4 2 1 & & & masuk setiap untuk i i i i keluar setiap untuk e e e e h gz m h gz m W Q− =Σ + V + −Σ + V + (KW) (4-16) untuk sistem aliran tunggal (satu inlet dan satu exit) persamaan di atas menjadi :

[

(

)

]

(

)

2

2 1 2 1 2 2 1 2

h

g

z

z

kW

h

m

W

Q

&

−

&

=

&

−

+

V

−

V

+

−

(4-17) jika persamaan di atas di bagi dengan

m

&

, maka :

[

h k e pe

]

(k W) w q− = ∆ +∆ ++∆ (4-18) dimana : q = m Q & &

(panas perunit massa, kJ/kg)

w =

m W

& &

(kerja perunit massa, kJ/kg) Energi total

melintasi batas sbg panas & kerja

perunit waktu = - Energi total keluar VA bersama massa perunit waktu Energi total masuk VA bersama massa perunit waktu

4.3 BEBERAPA PERALATAN KETEKNIKAN DENGAN ALIRAN STEADI

4.3.1 Nosel dan Difuser

Nosel dan difuser pada umumnya digunakan pada mesin jet, roket, pesawat udara dan lain-lain. Nosel adalah alat untuk meningkatkan kecepatan fluida dan menurunkan tekanan. Difuser adalah kebalikan dari nosel yaitu sebuah alat untuk menaikkan tekanan dan menurunkan kecepatan fluida. Luas penampang nosel mengecil dengan arah lairan dan sebaliknya luas penampang difuser membesar dengan arah aliran fluida. Nosel dan difuser di atas adalah untuk fluida dengan kecepatan sub sonik, jika untuk kecepatan super sonik maka bentuknya merupakan kebalikannya.

Hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi untuk nosel dan difuser adalah sebagai berikut :

Q

&

≅ 0. Rate perpindahan panas antara fluida yang melalui nosel dan difuser dengan lingkungan pada umumnya sangat kecil, bahkan meskipun alat tersebut tidak diisolasi. Hal tersebut disebabkan karena kecepatan fluida yang relatif cepat.

W& = 0. Kerja untu k nosel dan difuser tidak ada, karena bentuknya

hanya berupa saluran sehingga tidak melibatkan kerja poros ataupun kerja listrik.

∆ke ≠ 0. Kecepatan yang terjadi dalam nisel dan difuser adalah sangat besar, sehingga perubahan energi kinetik tidak bisa diabaikan.

∆pe ≅ 0. Pada umumnya perbedaan ketinggian ketika fluida mengalir melalui nosel dan difuser adalah kecil, sehingga perubahan energi potensial dapat diabaikan.

4.3.2 Turbin dan Kompresor

Dalam pembangkit listrik tenaga uap, gas dan air, alat yang menggerakkan generator listrik adalah turbin. Ketika fluida mengalir melalui turbin maka kerja akan melawan sudu yang tertempel pada poros. Sebagai hasilnya, poros berputar dan turbin menghasilkan kerja. Kerja yang dihasilkan turbin adalah positif karena dilakukan oleh fluida.

Kompresor, sama seperti pompa, kipas dan blower adalah alat untuk meningkatkan tekanan fluida. Kerja harus disuplai dari sumber eksternal melalui poros yang berputar. Karena kerja dilakukan kepada fluida, maka kerja pada kompresor adalah negatif.

Untuk turbin dan kompresor hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi :

Q& ≅ 0. Perpindahan panas pada alat tersebut umumnya kecil jika

dibandingkan dengan kerja poros, kecuali untuk kompresor yang menggunakan pendinginan intensif, sehingga dapat diabaikan.

W& ≠ 0. Semua alat ini melibatkan poros yang berputar. Oleh

karena itu kerja di sini sangatlah penting. Untuk turbin W&

menunjukkan output power, sedangkan untuk kompresor dan pompa W& menunjukkan power input power.

∆ke ≅ 0. Perubahan kecepatan pada alat-alat tersebut biasanya sangat kecil untuk menimbulkan perubahan energi kinetik yang signifikan (kecuali untuk turbin). Sehingga perubahan energi kinetik dianggap sangat kecil, meskipun untuk turbin, dibandingkan dengan perubahan enthalpi yang terjadi.

∆pe ≅ 0. Pada umumnya alat-alat tersebut bentuknya relatif kecil sehingga perubahan energi potensial dapat diabaikan.

4.3.3 Katup Cekik (Throttling valve)

Throttling valve adalah suatu alat yang aliran fluidanya diberi halangan sehingga menimbulkan penurunan tekanan yang signifikan.

Misalnya katup-katup umum, tabung-tabung kapiler, hambatan berpori (porous) dan lain-lain.

Alat-alat tersebut umumnya relatif kecil, dan aliran yang melalui dianggap adiabatis (q ≅ 0). Tidak ada kerja yang terlibat ( w =0 ). Perubahan energi kinetik san gat kecil (∆ke ≅ 0) dan perubahan energi potensial juga sangat kecil (∆pe ≅ 0), maka persa maan energinya menjadi : h2 ≅ h1 (kJ/kg) (4-19) atau 2 2 2 1 1 1 Pv u Pv u + = + (4-20) atau

Energi dalan + Energi aliran = konstan

Oleh karena iru peralatan tersebut umumnya disebut dengan alat

isoenthalpi . Perlu diingat bahwa untuk gas ideal, maka h = h(T), jika

enthalpi selama proses tetap, maka dapat dipastikan bahwa temperaturnya juga tetap.

4.3.3.a Mixing Chamber

Dalam aplikasi keteknikan, percampuran dua aliran tidak jarang terjadi. Suatu tempat/ruang dimana proses percampuran terjadi dinamakan ruang pencampuran (mixing chamber). Contoh sederhana adalah T-elbow atau Y-elbow untuk percampuran aliran panas dan dingin.

Mixing chamber biasanya diisolasi sempurna ( q ≅ 0 ) dan tidak

melibatkan kerja ( w = 0). Juga energi kinetik dan energi potensial dapat diabaikan ( ∆ke ≅ 0, ∆pe ≅ 0), sehingga persamaan konservasi massa dan energi adalah sebagai berikut :

Persamaan konservasi massa e

i m

m& =Σ& Σ

atau m&₁+m&₂ =m&₃

Persamaan konservasi energinya :

)

2

(

)

2

(

2 2 i i i i e e e e

h

gz

m

h

gz

m

W

Q

&

−

&

=

Σ

&

+

V

+

−

Σ

&

+

V

+

atau e e i i

h

m

h

m

&

=

Σ

&

Σ

4.3.3.b Penukar Panas (Heat Exchanger)

Penukar panas adalah sebuah alat dimana dua aliran fluida saling bertukar panas tanpa keduanya bercampur. Contoh yang paling sederhana dari alat penukar panas adalah alat penukar panas tabung ganda (tube and shell), yang terdiri dari dua pipa konsentrik dengan diameter yang berbeda. Panas ditranfer dari fluida panas ke fluida dingin melalui dinding pipa yang memisahkan.

Persamaan konservasi massa pada kondisi steadi adalah jumlah rate massa yang memasuki sistem sama dengan rate massa yang keluar sistem.

Persamaan konservasi energi dari alat penukar panas pada umumnya tidak melibatkan interaksi ke rja ( w = 0), energi kinetik dan energi potensial diabaikan ( ∆ke ≅ 0, ∆pe ≅ 0) untuk setiap aliran fluida.

Pertukaran panas yang berhubungan dengan alat penukar panas tergantung bagaimana volume atur yang dipilih (batas sistem). Pada umumnya batas yang dipilih adalah bagian diluar shell, hal tersbut untuk mencegah pertukaran panas fluida dengan lingkungan.

)

2

(

)

2

(

2 2 i i i i e e e e

h

gz

m

h

gz

m

W

Q

&

−

&

=

Σ

&

+

V

+

−

Σ

&

+

V

+

atau e e i i

h

m

h

m

&

=

Σ

&

Σ

0 0 0 ₀ 0 0

4.4 PROSES ALIRAN TIDAK STEADY (Unsteady flow processes)

Proses tidak stedi atau proses transien adalah kebalikan dari proses stedi dimana properti dalam volume atur berubah dengan waktu, interaksi panas dan kerja antara sistem aliran steadi dan lingkungan juga berubah terhadap waktu.

Contoh yang paling tepat untu k menggambarkan sebuah proses aliran tidak stedi adalah bejana/tangki pembuangan/pemasukan dari saluran suplai (the charging of rigid vessel from supply line), yang berfungsi untuk memasukkan atau membuang fluida dari sebuah bejana bertekanan (Gb. 4-3). Contoh lainnya adalah proses pemompaan ban/balon dan pressure cooker dan lain-lain Perbedaan lain dari proses aliran stedi dan tidak stedi adalah untuk proses aliran stedi umumnya tempat, ukuran dan bentuk yang tetap. Sedangka n untuk proses aliran tidak sted i tidak selalu demikian , karena memungkinkan ada pergeseran batas sistem/kerja akibat pergeseran batas sistem. Konservasi massa

Tidak seperti proses aliran steadi, jumlah massa dalam volume atur mengalami perubahan terhadap waktu. Besarnya perubahan tersebut tergantung jumlah massa yang masuk dan keluar sistem. Perhatikan contoh sebuah bathtub, dimana massa didalam bathtub awalnya adalah m1 = 150 kg, kemudian ada massa yang masuk sebesar

m

_i

=

50

kg

,

Gambar 4-3. Aliran tidak stedi (the harging of

massa yang keluar melalui saluran drainase m_e =30k g, sehingga massa

akhir dari bathtub adalah :

bathtub e i m m m m − =( ₁− ₂) 50 kg - 30 kg = m₂ −150 k g m₂= 170 kg

sehingga prinsip konservasi massa adalah

atau CV e i m m m −Σ =Σ Σ (4-21) CV e i m m m m −Σ =( 2 − 1) Σ (kg/s) (4-22)

dimana subskrip i dan e menunjukkan inlet dan exit dan subskrip 1 dan 2 menunjukkan kondisi awal dan akhir volume atur.

Dalam bentuk umum persatuan waktu :

) / (k g s dt dm m m CV e e −Σ = Σ& & (4-23)

atau dalam bentuk integral :

∫

∑ ∫

∑ ∫

_ =      −       v e A n i A n dV dt d dA dA ρ ρ ρ V V

dimana integrasi dari

dm

_CV

=

ρ

dV

. Konservasi Energi

Perhatikan contoh sebuah bathtub, dimana energi dalam volume atur (bathtub) awalnya adalah

E

₁ = 500 kJ, kemudian ada panas yang keluar ke tanah sebesar Q = -150 kJ. Jika ketinggian air dalam bathtub naik, berarti sistem melakukan kerja, katakan sebesar

W

_b

=

10

kJ

dan energi yang masuk sistem akibat pertambahan massa katakan sebesar

Total massa masuk VA selama ∆t Total massa keluar VA selama ∆t

- Perub. bersih _{massa dalam}

VA selama ∆t

k J

i =300

Θ dan energi yang keluar akibat massa yang terbuang melalui saluran drainase katakan sebesar Θe =100k J, maka persamaan energi

sistem :

Q−W+Θi −Θe =(E2 −E1)bathtub -50 kJ - 10 kJ + 300 kJ + 100 kJ = E₂ - 500 kJ

E₂ =640k J

Sehingga persamaan konservasi energi untuk sebuah volume atur selama proses tidak stedi selama interval waktu ∆t adalah :

atau CV e i E W Q− +ΣΘ −ΣΘ =∆ (4-24)

dimana Θ menunjukkan total energi ditransfer bersama massa yang masuk dan keluar volume atur. Jika persamaan diatas dituliskan dalam bentuk persatuan waktu :

dt

E

W

Q

&

−

&

+

Σ

Θ

&

_i

−

Σ

Θ

&

_e

=

∆

CV (kW) (4-25) Energi total dari suatu fluida yang mengalir untu massa δ m adalah m

δ

θ , dimana θ =h+ke+ pe adalah energi total fluida persatuan massa.

Kemudian energi total yang ditransfer oleh massa melalui inlet dan exit (Θi atauΘe) dapat diperoleh melalui integrasi : Untuk inlet misalnya :

i m i i i mi i mi i h gz m δ δ θ

_∫

∫

      _{+ +} = = Θ 2 V i (4-26) atau Total Energy melintasi batas sbg panas & kerja selama ∆t waktu + - Total Energy yg dibawa massa menuju VA selama ∆t Total Energy yg dibawa massa keluar VA selama ∆t waktu Perubahan bersih energi dala m VA selama ∆t =

      _{+ +} = Θ i i i i i m h gz 2 V & & _(4-27)

substitusikan persamaan untuk inlet dan exit, maka didapat :

CV m i i i i m e e e e gz m h gz m E h W Q e e ∆ +       _{+ +} −       _{+ +} = −

∑∫

δ

∑∫

δ 2 2 V V (4-28) atau dalam bentuk rate :

dt dE gz h m gz h m W Q CV i i i i e e e e +    _{+ +} −     _{+ +} = −

∑

∑

2 2 2 2 _V V & & & & (4-29) Kasus Khusus :

Proses Aliran Seragam (Uniform-Flow Processes)

Proses aliran tidak stedi pada umumnya sulit untuk dianalisa karena integrasi persamaan sebelumnya sulit untuk dilakukan. Sehingga untuk proses aliran tidak stedi akan lebih mudah jika disederhanakan dengan memodelkan sebagai suatu proses aliran seragam. Sebuah proses aliran seragam adalah sebuah proses idealisasi untuk memudahkan dalam sebuah analisa :

1. Pada waktu tertentu selama proses, state dari volume atur adalah seragam. State dari VA bisa merubah terhadap waktu, tetapi harus seragam. Konsekuensinya, state dari massa yang keluar VA pada setiap saat adalah sama dengan massa yang masuk VA. (Asumsi ini bertentangan dengan asumsi aliran stedi yang state dari VA berubah terhadap lokasi tetapi tidak berubah terhadap waktu. 2. Properti fluida mungkin berbeda dari satu inlet yang satu ke exit

yang lain. Tetapi aliran fluida pada inlet dan exit seragam dan stedi.

Untuk idealisasi tersebut, integrasi dari persamaan sebelumnya dapat lebih mudah dilakukan, sehingga persamaan konservasi energi :

CV i i e e i i i i e e e e h gz m h gz m e me m W Q ( ) 2 2 2 2 − +     _{+ +} −     _{+ +} = −

∑

V

∑

V (4-30) Jika energi kinetik dan potensial diabaikan maka :

CV i i e eh mh m u mu m W Q − =Σ −Σ +( 2 2 − 1 1) (4-31)

Meskipun proses stedi dan uniform merupakan sebuah idealisasi, tetapi beberapa proses aktual dapat diperkirakan dengan alasan diatas dengan hasil yang memuaskan. Mengenai derajad keakuratan dan derajad kevalidan tergantung kepada asumsi yang dibuat.