MODUL BAHAN AJAR MODUL BAHAN AJAR
TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA
TEKNIK TEKNIK
DISUSUN OLEH:
DISUSUN OLEH:
Ir. Sumeru, MT Ir. Sumeru, MT Edmond Murad, ST Edmond Murad, ST
PROGRAM STUDI TEKNIK PENDINGIN PROGRAM STUDI TEKNIK PENDINGIN
POLITEKNIK INDRAMAYU POLITEKNIK INDRAMAYU
2008
2008
HALAMAN PENGESAHAN HALAMAN PENGESAHAN
1.
1. Modul Bahan AjarModul Bahan Ajar a.
a. Nama Nama Modul Modul : : Termodinamika Termodinamika TeknikTeknik b. Mata Kuliah/Semester
b. Mata Kuliah/Semester : Termodinamika Teknik/ I (Satu): Termodinamika Teknik/ I (Satu) c.
c. SKS SKS (T-P)/jam (T-P)/jam (T-P) (T-P) : 2 : 2 SKS SKS (T) (T) 3 3 Jam/MingguJam/Minggu d.
d. Jurusan Jurusan : : Teknik Teknik PendinginPendingin e.
e. Program Program Studi Studi : : Teknik Teknik Pendingin Pendingin PolindraPolindra 2.
2. PenulisPenulis Penulis 1 Penulis 1 a.
a. Nama Nama : : Ir. Ir. Sumeru, Sumeru, MTMT b. NIP
b. NIP : 132 140 884: 132 140 884 c.
c. Golongan/Pangkat Golongan/Pangkat : : IIId/Penata IIId/Penata Tk-1Tk-1 d.
d. Jabatan Jabatan Fungsional Fungsional : : Lektor Lektor KepalaKepala e.
e. Jabatan Jabatan Struktural Struktural : : Ketua Ketua JurusanJurusan f.
f. Jurusan Jurusan : : Teknik Teknik pendingin pendingin PolindraPolindra Penulis 2
Penulis 2 a.
a. Nama Nama : : Edmond Edmond Murad, Murad, STST b. NIP
b. NIP : 131 853 700: 131 853 700 c.
c. Golongan/Pangkat Golongan/Pangkat : : IIIa/ IIIa/ Penata Penata MudaMuda d.
d. Jabatan Jabatan Fungsional Fungsional : : Asisten Asisten AhliAhli e.
e. Jabatan Jabatan Struktural Struktural : : Kepala Kepala Laboratorium Laboratorium Tata Tata Udara Udara PolbanPolban f.
f. Jurusan Jurusan : : Teknik Teknik Refrigerasi Refrigerasi dan dan Tata Tata Udara Udara PolbanPolban Mengetahui,
Mengetahui, Bandung, Bandung, 24 24 November November 20082008 Ketua
Ketua Jurusan Jurusan Teknik Teknik Pendingin Pendingin Penulis Penulis 11 Politeknik Indramayu
Politeknik Indramayu
Ir.
Ir. Sumeru, Sumeru, MT MT Ir. Ir. Sumeru, Sumeru, MTMT
Menyetujui, Menyetujui,
Direktur Politeknik Indramayu Direktur Politeknik Indramayu
………
………
NIP.
NIP.
KATA PENGANTAR KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah Tuhan semesta alam yang telah memberikan kekuatan dan Segala puji bagi Allah Tuhan semesta alam yang telah memberikan kekuatan dan kesempatan pada penulis sehingga buku bahan ajar ini dapat diselesaikan.
kesempatan pada penulis sehingga buku bahan ajar ini dapat diselesaikan.
Pada kesempatan ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada:
Pada kesempatan ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada:
1.
1. Bapak Direktur Politeknik Indramayu.Bapak Direktur Politeknik Indramayu.
2.
2. Bapak Pembantu Direktur I Politeknik IndramayuBapak Pembantu Direktur I Politeknik Indramayu 3.
3. Bapak Pembantu Direktur II Politeknik IndramayuBapak Pembantu Direktur II Politeknik Indramayu 4.
4. Bapak Ketua Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik NegeriBapak Ketua Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung
Bandung 5.
5. Bapak Faldian, Andriyanto, LugaBapak Faldian, Andriyanto, Luga 6.
6. Seluruh Staf Politeknik Indramayu dan Politeknik Negeri Bandung yang telahSeluruh Staf Politeknik Indramayu dan Politeknik Negeri Bandung yang telah mendukung dalam penulisan buku ajar ini.
mendukung dalam penulisan buku ajar ini.
Tentu saja buku ini jauh dari sempurna dan terdapat kesalahan di dalamnya, untk Tentu saja buku ini jauh dari sempurna dan terdapat kesalahan di dalamnya, untk itu kami mohon kritik dan saran dari pembaca.
itu kami mohon kritik dan saran dari pembaca.
Akhir kata, semoga buku ini dapat bermanfaat untuk kita semua, amin Akhir kata, semoga buku ini dapat bermanfaat untuk kita semua, amin
Indramayu,
Indramayu, November November 20082008
Penulis Penulis
DAFTAR ISI DAFTAR ISI
LEMBAR
LEMBAR PENGESAHAN PENGESAHAN ii
KATA
KATA PENGANTAR PENGANTAR iiii
DAFTAR
DAFTAR ISI ISI iiiiii
DAFTAR
DAFTAR GAMBAR GAMBAR vv
DAFTAR
DAFTAR TABEL TABEL vivi
1.
1. BAB BAB I I PENDAHULUAN PENDAHULUAN 11
Konsep
Konsep dan dan Definisi Definisi 11
Dimensi
Dimensi & & Unit Unit 33
Density,
Density, Volume Volume Spesifik, Spesifik, Berat Berat Spesifik Spesifik 44
Tekanan 5
Tekanan 5
Temperatur 7
Temperatur 7
Kerja
Kerja (Work) (Work) 77
Kalor
Kalor (Heat) (Heat) 1414
Rangkuman 15
Rangkuman 15
2.
2. BAB BAB II II HUKUM HUKUM I I TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA 1616 Hukum
Hukum I I Termodinamika Termodinamika 1616
Enthalphy 19
Enthalphy 19
Hukum
Hukum I I pada pada Closed Closed System System 2121 Hukum
Hukum I I pada pada open open system system 2424
Rangkuman 27
Rangkuman 27
3.
3. BAB BAB III III GAS GAS IDEAL IDEAL 2828
Persamaan
Persamaan Gas Gas Ideal Ideal 2828
Internal
Internal Energi Energi (U) (U) Gas Gas Ideal Ideal 3030 Entalpi
Entalpi (h) (h) Gas Gas Ideal Ideal 3030
Proses-proses
Proses-proses pada pada Gas Gas Ideal Ideal 3232
Rangkuman 36
Rangkuman 36
4.
4. BAB BAB IV IV HUKUM HUKUM II II TERMODINAMITERMODINAMIKA KA 3737 Keterbatasan
Keterbatasan Hukum Hukum I I 3737
Manfaat
Manfaat hukum hukum II II 4646
Hukum
Hukum II II dan dan Reversibilitas Reversibilitas 3939 Hukum
Hukum II II & & Pompa Pompa Kalor Kalor 4242 Hukum
Hukum II II & & Mesin Mesin Kalor Kalor 4343
Rangkuman 44
Rangkuman 44
5.
5. BAB BAB V V SIKLUS SIKLUS CARNOT CARNOT 4545
Siklus
Siklus Carnot Carnot 4545
Pompa Kalor 50
Siklus Otto 53
Siklus Diesel 54
Entropy 55
Kualitas (X) 59
Rangkuman 68
DAFTAR PUSTAKA 69
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Tekanan absolut, tekanan barometer & tekanan gage. 5
Gambar 1.2 Diagram PV menggambarkan kerja 8
Gambar 1.3 Diagram PV untuk proses siklus 10
Gambar 1.4 Elemen Fluida Pada Steady Flow 10
Gambar 2.1. PV diagram proses siklus 17
Gambar 2.2. Penerapan HK I Pada Sistem Terbuka 24
Gambar 2.3. Sistem Kompresi Amonia 25
Gambar 2.4. Sistem Kompresi Udara 26
Gambar 3.1. Polytropic Processes 34
Gambar 4.1. Aliran kalor pada mesin kalor 41
Gambar 4.2. Mesin Kalor menurut Clausius, (a) melanggar, (b) sesuai 43 Gambar 4.3. Mesin Kalor menurut Kelvin-Plank, (a) melanggar, (b) sesuai 44
Gambar 5.1 Siklus Carnot pada diagram PV 45
Gambar 5.2 Kurva siklus Carnot 46
Gambar 5.3. Kurva siklus mesin Carnot 47
Gambar 5.4. Diagram siklus mesin Carnot 49
Gambar 5.5. Siklus Pompa Kalor 51
Gambar 5.6. Diagram Siklus Pompa Kalor 52
Gambar 5.7. Siklus Otto 53
Gambar 5.8. Siklus Diesel 54
Gambar 5.9. Diagram T-s 56
Gambar 5.10. Proses pada Diagram P-v 56
Gambar 5.11 Proses Ekspansi Isotermal Reversibel 58
Gambar 5.12 Siklus Carnot pada Diagram T-s 60
Gambar 5.13 Garis Fasa Campuran pada Diagram P-h 60
Gambar 5.14 Garis-garis Fasa Campuran pada Diagram T-s 63 Gambar 5.15 Garis Fasa Campuran Beda Tekanan pada Diagram T-s 64
Gambar 5.16 Proses Refrigerasi Siklus Carnot 65
Gambar 5.17 Sistem Refrigerasi Siklus Kompresi Uap Pada Diagram T-s & P-h 66
BAB I KONSEP DAN DEFINISI
1.1 Konsep dan Definisi
Termodinamika : Ilmu yang mempelajari energi dan transformasinya, termasuk kalor, kerja dan sifat-sifat zat yang terlibat dalam transformasi tersebut.
Termodinamika Teknik : Bagian dari ilmu rekayasa yang membahas mesin daya, mesin kalor, refrigasi, air conditioning, kompresi dan ekspasi fluida, chemical processing plants, dan indursti lainnya.
Mesin mobil adalah contoh dari mesin yang mentransformasi dari energi kimia bahan bakar menjadi kerja (gerak).
Lemari es dan AC adalah mesin yang dirancang mengikuti hukum-hukum termodinamika.
Fenomena yang terjadi pada lemari es dan AC adalah mengalirnya kalor dari suhu rendah ke suhu tinggi.
Sistem dan lingkungan : Sistem adalah sejumlah materi atau suatu wilayah tertentu yang menjadi perhatian dalam analisis. Sejumlah materi atau wilayah harus mempunyai batas (boundary) yang didefinisikan secara jelas. Batas tersebut bisa terlihat secara fisik atau dapat juga imajiner. Area di luar sistem tersebut disebut lingkungan.
TUJUAN:
Memahami konsep dasar Termodinamika
Memahami definisi-definisi dan besaran dalam Termodinamika.
Memahami prinsip-prinsip konversi besaran
Sistem yang dimaksud dalam termodinamika umumnya hanya bersifat makroskopik, tidak pada sifat mikrokrospiknya.
Terdapat dua sistem :
1. Closed system (control mass) 2. Open sistem (control volume)
Closed system : Apabila tidak ada materi yang masuk maupun keluar ke/dari sistem, sehingga materi di dalam sistem tidak bertambah maupun berkurang.
Open system : Apabila terdapat materi yang masuk maupun keluar ke/dari sistem, sehingga materi di dalam sistem dapat bertambah maupun berkurang.
Property : Karakteristik yang dapat diamati di dalam sistem. Contohnya : tekanan, suhu, volume, massa, viskositas, dll. Property dapat diukur secara langsung maupun tidak, atau bahkan hanya dapat diturunkan dengan persamaan matematika maupun menggunakan hukum-hukum termodinamika, seperti energi dalam dan entropy.
State (Keadaan) : Kondisi suatu sistem yang ditandai dengan nilai-nilai properties- nya. Di dalam suatu sistem terdapat banyak property yang saling berhubungan dan saling mempengaruhi. Dalam kondisi keseimbangan (equilibrium) kondisi (state) sistem dapat dinyatakan oleh beberapa property saja. Misalnya tekanan, temperatur, dan kecepatan sistem umumnya menyatakan kondisi (state) sistem dalam kondisi keseimbangan.
Sistem dikatakan dalam kondisi keseimbangan bila tidak dapat terjadi perubahan kondisi (state) tanpa gangguan (stimulus) dari luar. Properties yang kita ukur pada sistem merupakan nilai-nilai properties sistem tersebut dalam keadaan keseimbangan.
Kondisi (state) keseimbangan (equilibrium) jauh dari mudah dibanding kondisi non equilibrium. Dengan alasan ini, pada tingkat awal mempelajari termodinamika, kondisi equilibrium menjadi perhatian dan merupakan batasan masalahnya.
Contoh Soal :
1. Fluida di dalam silinder (closes system) mengalami ekspansi tanpa gesek dari volume 0,100 m3 ke 0,160 m3 dimana hubungan antara P dan V dalam silinder dinyatakan dengan persamaan P=CV-2, (C=konstanta). Diketahui tekanan awal adalah 300 kPa, hitunglah kerja yang terjadi.
2. Seperti kasus no.1, namun hubungan antara P dan V adalah P = CV. Kerjakan buat latihan.
Solusi
1. Dengan menggunakan persamaan (1) Work =
2
1
pdV =
12 2V
CdV = -C
1 2
1 1
V V
Konstanta C dapat dihitung dengan persamaan, C = PV2 = P1V12
= P2 V22
Oleh karena P1 diketahui dan V1 juga diketahui, maka C = P1V12
, sehingga
Work = - C
1 2
1 1
V
V = - P1V12
1 2
1 1
V
V = - P1V1
12 1
V V
Dengan memasukkan nilai-nilai yang diketahui, maka didapat hasil, Work = - (300)(0,100)
1160 , 0
100 ,
0 + 11,3 kJ
Berdasarkan perhitungan diatas menunjukkan bahwa ke luar sistem atau kerja dilakukan oleh sistem (karena tanda “+”). Jika hasilnya “-“ (negatif) maka kesimpulannya adalah kerja dilakukan pada sistem atau kerja masuk ke si stem.
Kerja Siklus pada closes system
Bila sistem piston dan silinder pada closed sistem melakukan proses dari1-a-2 dan kembali lagi ke 2-b-1, maka proses tersebut disebut proses siklus (lihat gambar disamping).
Secara matematika proses tersebut dapat dituliskan, w =
a
a b
b
PdV PdV
PdV PdV
1
2 1
2
[1.11]
w =
PdV = Luas daerah yang diarsir [1.12]Oleh karena nilai integral tertutup (siklus) tidak nol (mempunyai nilai) maka kerja adalah fungsi lintasan, tidak dapat dianalisis hanya kondisi awal dan akhir saja.
Perhatikan gambar di bawah.
Gambar A = kerja dari 1-a-2 Gambar B = kerja dari 2-b-1
Gambar C = Selisih kerja dari 1-a-2 & 2-b-1
A = kerja dari 1-a-2 B = kerja dari 2-b-1
C = selisih kerja dari 1-a-2 dan 2-b-1 Gambar 1.3 Diagram PV untuk proses siklus
Kerja pada Open System (Frictionless)
Jika ada aliran massa yang keluar / masuk sistem maka kerja yang terjadi disebut kerja pada open sistem.
