Download - Makalah 2 Termo Fix
-
TERMODINAMIKA
MAKALAH PEMICU 2
Hukum Pertama Termodinamika
Chandra Dewi Rosalina 1306405710
Elsa Ramayeni 1406643072
Muhammad Radinal S. 1406643103
R. Muhammad Fathi 1306649290
Sergie Purnama 1306392903
Kelompok 8
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Depok, 2015
-
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Sesuai dengan sebutannya, hukum pertama termodinamika adalah hukum dasar
yang menjadi pilar utama ilmu termodinamika, bersama sama dengan hukum
kedua termodinamika. Hukum pertama termodinamika adalah mengenai konversi
massa dan energy. Massa dan energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan
tetapi hanya dapat berubah bentuk ( kecuali pada reaksi nuklir yang mana massa
setara energi). Beberapa contoh bentuk energi adalah energi kinetic, energi
potensial, energy dalam, energy ikatan kimia, energy mekanik, energy permukaan,
dan energy gelombang elektromagnetik. Kecakapan/ pengetahuan yang menjadi
prasyarat dalam mempelajari Hukum 1 termodinamika adalah Diagram
PVT/PV/PT dan aturan fasa Gibss. Setelah mempelajari materi ini, peserta kuliah
diharapkan mampu mengklasifikasikan masalah neraca energy sebagai sistem
terbuka/tertutup dan sebagai proses tunak ( steady state)/ tak tunak
(transient/unsteady) diikuti dengan analisis sistem, dapat menuliskan persamaan
hukum pertama termodinamika pada sistem atau volum control tertentu,
menyederhanakannya berdasarkan batasan sistem, menentukan sifat fluida
menggunakan table kukus (steam table) dan atau grafik, dan melakukan
perhitungan neraca massa dan neraca energy baik untuk proses tunak maupun tak
tunak
1. Soal Pertama
a. Jelaskan bagaimana kita bisa memperkirakan kapasitas panas gas
monoatomik dan poliatomil yang ideal sebagai fungsi suhu (Ar, H2O dan
CO2) berdasakan prinsip ekuipartisi ?
Jawaban :
Prinsip ekuipartisi adalah sebuah rumusan umum yang merelasikan
temperature suatu sistem dengan energi rata ratanya. Dalam keadaan
kestimbangan termal, energi akan terdistribusikan secara merata ke semua
bentuk energi yang berbeda. Prinsip ekuipartisi energi diturunkan secara
teoritis oleh Clerk Maxwell, menggunakan mekanika statistik.Prinsip
ekuipartisi memprediksikan bahwa energi total rata-rata suatu gas ideal
berpartikel sejumlah N adalah (3/2) NkBT.
-
Molekul gas monoatomik
Molekul gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi
saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul
gas monoatomik mempunyai 3 derajat kebebasan.Energi kinetik
rata-rata untuk setiap molekul gas monoatomik adalah :3 ( kT) =
3/2 kT = 3/2 nRT.Kapasitas kalor molekul gas monoatomik :C =
3/2 R = 3/2 (8,315 J/mol.K) = 12,47 J/Kg.K
Molekul gas diatomik
Selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik
juga melakukan gerak rotasi dan vibrasi. Jumlah derajat kebebasan
untuk gerak translasi = 3.olekul gas diatomik mempunyai 2 jenis
energi, yakni energi kinetik dan energi potensial elastis. Dengan
demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak vibrasi = 2.
Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :3( kT)
+ 2( kT) + 2( kT) = 7/2 kT = 7/2 nRT. Kapasitas kalor molekul
gas diatomik : C = 7/2 R = 7/2 (8,315 J/mol.K) = 29,1 J/Kg.K
Tabel dibawah menunjukkan hasil eksperimen gas
monoatomik, diatomik dan poliatomik. Dapat dilihat bahwa nilai
Cv untuk gas monoatomik memiliki nilai yang sama antara hasil
perhitungan dan eksperimen. Sedangkan untuk diatomik dan
poliatomik memiliki nilai yang jauh berbeda dengan antara
perhitungan dan eksperimen
Tabel 1 Hasil Eksperimen Gas Monoatomik, Diatomik, dan
Poliatomik
-
b. Plot nilai teoritis dan bandingkan dengan nilai yang anda peroleh dengan
menggunakan persamaan kapasitas panas gas ideal dan parameter
parameter yang diberikan dalam buku Smith and Van Ness atau Moran
and Saphiro.
Jawaban :
Nilai teoritis :
Persamaan kapasitas panas gas ideal :
Gambar 1. Grafik Nilai Teoritis
-
Pelajari diagram yang diberikan diatas ini :
0
5
10
15
20
25
0 1000 2000 3000
CO2
Gambar 2. Grafik Nilai Yang Diperoleh
-
c. Mengapa ada diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air
Jawaban :
Diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air dikarenakan adanya
perubahan fase dari kondisi air, air pada kondisi cair memiliki kapasitas
panas paling tinggi dibanding pada fase gas maupun solid.
d. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas
metana dari 300 K sampai 800 K dengan menggunakan data yang
ditampilkan
Jawaban :
Q = H
Dari persamaan diatas diperoleh bahwa :
Cp pada suhu 300 K = 8 cal mol-1
K-1
Cp pada suhu 800 K = 14 cal mol-1
K-1
Cpavg= (14 + 8)/2 = 11 Cal mol-1
K-1
Sehingga :
Q = m Cpavg (T2 T1)
= 1 mol x 11 Cal mol-1
K-1
x (800-300)K
= 5500 Cal
e. Anda pikir masuk akal mengasumsi kapasitas panas yang konstan untuk
seluruh rentang suhu ?
Jawaban :
Masuk akal apabila yang ditinjau adalah kapasitas panas gas monoatomik
(seperti gas Helium). Apabila selain dari gas monoatomik, tidak masuk
akal apabila mengasumsi kapasitas panas yang konstan pada seluruh
rentang suhu.
2. Berikanlah contoh proses isobarik, isokhorik, isothermal, adiabatic, tunak
(steady state ) dan tidak tunak ( unsteady state ) dengan menggunakan
contoh dari kehidupan sehari hari. Termasuk peristiwa konduksi,
konveksi, dan radiasi
Jawaban :
-
Hukum I Termodinamika berbunyi:
Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat
dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain
Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan
kalor sebagai model perpindahan energi. Sesuai dengan hukum ini, energi
yang diberikan oleh kalor mesti sama dengan kerja eksternal yang
dilakukan ditambah dengan perolehan energi dalam karena kenaikan
temperatur.
Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan
bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas).
Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan
berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini
merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum
kekekalan energi.
Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha
dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan
energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan
sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip
ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau
disebut Hukum I Termodinamika. Untuk suatu proses dengan keadaan
akhir (2) dan keadaan awal (1)
U = U2 U1
Secara matematis, Hukum I Termodinamika dituliskan sebagai
Q = W + U
Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan U adalah perubahan
energi dalam. Tapi rumus itu berlaku jika sistem menyerap kalor Q dari
lingkungannya dan melakukan kerja W pada lingkungannya.
-
Gambar 3. Sistem pada Termodinamika
Hukum 1 Termodinamika dalam Proses Termodinamika
1. Proses Isobarik
Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga
tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena
gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = pV). Kalor
di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp.
Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku
Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai
W = P dV = nR dT
Gambar 4. Grafik Proses Isobarik
-
Penerapan proses isobarik :
Proses isobarik dapat dijumpai pada kasus pemanasan air dalam ketel
mesin uap sampai ke titik didihnya dan di uapkan sampai air menjadi uap
yang disebut superheated dimana semua proses berlangsung pada tekanan
yang konstan. Sistem tersebut adalah H2O di dalam sebuah wadah yang
berbentuk selinder. Sebuah pengisap kedap udara yang tak mempunyai
gesekan dibebani dengan pasir untuk menghasilkan tekanan yang
didinginkan pada H2O dan untuk mempertahankan tekanan tersebut secara
otomatis. Kalor dapat dipindahkan dari lingkungan ke sistem dengan
menggunakan sebuah pembakar bunsen. Jika proses tersebut terus
berlangsung cukup lama, maka air mendidih dan sebagian air tersebut
diubah menjadi uap. Sistem tersebut bereskpansi secara kuasi statik tetapi
tekanan yang dikerahkan sistem pada pengisap otomatis akan konstan.
2. Proses Isotermal
Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi
perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi
berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik.
Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi
dalam (U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang
diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).
Dari persamaan umum gas :
PV = nRT
Karena suhu konstan, maka usaha yang dilakukan oleh gas adalah :
dW = P.dV
dW = ..
dV
W= nRT
-
Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p V di bawah ini.
Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai
Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.
Gambar 5. Grafik Proses Isotermal
Proses Isotermal juga ada yang irreversible, rumusnya adalah :
Jika irreversible, maka tekanan ekspansinya konstan, sehingga :
-
Penerapan proses isothermal :
Gambar 6. Sistem Kerja AC
Proses isotermal dapat diterapkan pada sistem kerja AC . Dimana
kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan untuk
memapatkan fluida kerja ( refrigerant). Proses kerjanya adalah penguapan
dan pengembunan. Untuk mendapatkan penguapan diperlukan gas (udara)
yang mencapai temperatur tertentu (panas). Setelah udara tersebut panas
diubah agar kehilangan panas, sehingga terjadi penguapan lalu terjadi
pengembunan sehingga udara membentuk titik titik embun dan akhirnya
mencari, maka timbulah suhu di dalam temperatur rendah (dingin).
Proses kerja mesin pendingin secara umum adalah sebagai berikut
Kompressor melepaskan refrigerant berbentuk gas bertemperatur
tinggi dan bertekanan tinggi karena hasil kompresi pada kompressor saat
langkah pengeluaran (Discharge stroke). Refrigerant ini mengalir ke
kondensor. Di kondensor, uap refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi
diembunkan, Panas dilepas ke lingkungan, dan terjadi perubahan fase
-
refrigeran dari uap ke cair. Dari kondensor dihasilkan refrigeran cair
bertekanan tinggi dan bersuhu rendah. Tekanan tinggi refrigeran cair
diturunkan dengan menggunakan katup cekik (katup ekspansi) dan
dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan bersuhu rendah dengan bentuk
spray (kabut) yang selanjutnya dialirkan ke evaporator. Di evaporator,
refrigeran cair mengambil panas dari lingkungan yang akan didinginkan
dan menguap sehingga terjadi uap refrigeran bertekanan rendah
Dimana compressor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan
untuk memapatkan fluida kerja (refrigerant). Refrigerant yang masuk ke
dalam kompresor dialirkan ke kondensor dan dimapatkan. Besarnya kalor
yang dilepaskan oleh kondensor merupakan jumlahan kalor compressor
yang diperlukan dan kalor yang diambil evaporator dari substansi yang
akan diinginkan. Sehingga pada sistem kerja AC suhu dijaga konstan
3. Proses Isokhorik
Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan,
gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam
volume konstan (V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor
yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini
dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.
QV = U
W = P dV = P.0 = 0
Gambar 7. Grafik Proses Isokhorik
-
Penerapan Proses Isokhorik
Terjadi pada sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah
tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang disumbangkan
baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam
wadah dianggap sebagai sistem. Ketika kipas berputar, kipas melakukan
kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energi
kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada
baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi
dalam udara.
4. Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah proses termodinamika dimana kerja yang
dilakukan oleh gas adalah murni berasal dari perubahan energi internalnya.
Tidak ada energi yang masuk maupun yang keluar (Q) selama proses itu
berjalan. (Hukum Termodinamika I menyatakan : Perubahan energi
internal gas (dU) adalah banyaknya energi kalor yang disuplai (Q)
dikurangi kerja yang dilakukan oleh gas (P.dV).
Kondisi proses adiabatik adalah :
dU = Q - P.dV = - P dV
P V
= K (konstan)
Gambar 8. Grafik Proses Adiabatik
-
Penerapan Proses adiabatik
Salah satu contoh penerapan proses adiabatic yaitu termos. Pada
alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika
dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang
digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya
ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu,
pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem
menuju lingkungan maupun sebaliknya.
Gambar 9. Penerapan Isobarik Pada Termos
Proses Tunak (Steady State) dan Tak Tunak (Unsteady State)
a. Proses Tunak (Steady State)
Keadaan tunak (steady state) adalah keadaan di mana suatu sistem berada
dalam kesetimbangan atau tidak berubah lagi seiring waktu, atau tunak,
atau mantap.
Contoh sistem yang tunak (steady state) adalah potensial listrik pada
daerah yang bebas muatan (daerah tanpa muatan listrik), sistem dengan
temperatur yang tidak berubah seiring waktu pada daerah yang bebas
-
sumber panas, potensial kecepatan pada aliran takmampumapat yang
bebas pusaran dan bebas sumber kecepatan.
b. Proses Tak Tunak (Unsteady State)
Proses tak tunak dikatakan tak tunak jika kecepatan setiap partikel
di suatu titik selalu sama. Partikel fluida mengalir melewati titik A dengan
kecepatan tertentu, lalu partikel fluida tersebut mengalir dengan kecepatan
tertentu di titik B. Ketika partikel fluida lainnya yang nyusul dari belakang
melewati titik A, kecepatan alirannya sama dengan partikel fluida yang
bergerak mendahului mereka. Hal ini terjadi apabila laju aliran fluida
rendah alias partikel fluida tidak kebut-kebutan. Contohnya adalah air
yang mengalir dengan tenang, sedangkan aliran tak tunak berlawanan
dengan aliran tunak. Jadi kecepatan partikel fluida di suatu titik yang sama
selalu berubah. Kecepatan partikel fluida yang duluan berbeda dengan
kecepatan partikel fluida yang belakangan
Peristiwa Konduksi, Konveksi, dan Radiasi
Panas dapat dipindahkan dengan 3 macam cara, yaitu
a. Secara konduksi (Hantaran)
b. Secara konveksi (Aliran)
c. Secara Radiasi (Pancaran)
1. Konduksi
Pada peristiwa konduksi, atom-atom zat yang memindahkan panas
tidak berpindah tempat tetapi hanya bergetar saja sehingga menumbuk
atom-atom disebelahnya, (Misalkan terdapat pada zat padat) Banyaknya
panas per satuan waktu yang dihantarkan oleh sebuah batang yang
panjangnya L, luas penampang A dan perbedaan suhu antara ujung-
ujungnya T, adalah :
-
Keterangan :
Q/t = laju perpindahan kalor(J/s)
k = konduktivitas termal bahan (W/m2 K)
A = luas penampang bahan (m2)
T = perbedaan suhu ujung-ujung logam (K)
L = panjang atau tebal batang (m)
k adalah koefisien konduksi panas dari bahan dan besarnya tergantung
dari macam bahan.
Bila k makin besar, benda adalah konduktor panas yang baik. Bila k
makin kecil, benda adalah isolator panas.
Penerapan Konduksi dalam kehidupan sehari hari
Dalam kehidupan sehari hari, peristiwa konduksi dapat diamati
misalnya pada setrika listrik . Untuk merapikan dan mensterilkan pakaian,
kita memerlukan sesuatu yang panas namun tidak merusak. Karena itulah
kita perlu konduktor untuk menstransfer panas dari sumber panas tertentu
ke pakaian kita. Kita memerlukan sebuah setrika. Setrika akan
menstransfer panas dari sumber panas (panas dari konversi energi istrik)
ke pakaian. Panas di bagian logam pada setrika bertahan cukup lama
sehingga memungkinkan kita menggunakannya untuk merapikan pakaian.
-
2. Konveksi
Pada peristiwa ini partikel-partikel zat yang memindahkan panas ikut
bergerak. Kalor yang merambat per satuan waktu adalah :
Keterangan:
Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W)
h = koefisien konveksi (W/m2 K)
A = luas penampang (m2)
T = kenaikan suhu (K)
Penerapan Konveksi :
Radiator Mobil
Pada sistem pendingin mesin (radiator) air dipaksa mengalir melalui pipa-
pipa dengan bantuan pompa air (water pump).panas mesin yang tidak
dikehendaki dibawa oleh sirkulasi air tersebut menuju radiator. Di dalam
radiator, air didinginkan dengan bantuan udara. Air yang telah mendingin
ini kemudian di pimpa untuk mengulang kembali proses transfer panas
dari mesin mebil ke radiator. Ingat bahwa proses konveksi melibatkan
fluida (dalam kasus ini di wakili oleh air) sebagai penghantar panas. Air
yang digunakan dalam radiator lama-lama akan berkurang akibat
penguapan dan akhirnya akan habus. Oleh karena itu, radiator perlu diisi
air kembali untuk memastikan lancarnya proses pendinginan mesin selama
mobil berjalan.
3. Radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas melalui radiasi energi gelombang
elektromagnetik. Energi panas tersebut dipancarkan dengan kecepatan
-
yang sama dengan gelombang-gelombang elektromagnetik lain di ruang
hampa (3 x 108 m/det)
Banyaknya panas yang dipancarkan per satuan waktu menurut Stefan
Boltzman adalah :
Keterangan :
W =Intensitas radiasi yang dipancarkan per satuan luas, dinyatakan
dalam (J/m2.det atau watt/m2
E = Emisivitas (Daya pancaran) permukaan
= Konstanta umum = 5,672 x 10 8
T = Suhu mutlak benda
Penerapan Radiasi Pada Kehidupan Sehari Hari
Radiasi panas dari bola lampu
Ketika kita mendekatkan tangan kita pada bola lampu yang sedang
menyala. Rasa panas lampu akan memengaruhi tangan kita sehingga
tangan kita terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa rasa panas dari
lampu dipindahkan secara radiasi atau pancaran.
W = e . . T 4
-
3. Anda bekerja pada sebuah perusahaan yang mendesain, alat-alat musik.
Grup anda ditugaskan mendesain pasta yang lebih unggul. Anda tertarik
pada sebuah alloy kuat dan ringan yang baru saja diproduksi. Namun,
dapatkah itu menjadi bahan panci pasta yang baik? Jika ternyata
diperlukan lebih dari 10 menit untuk mendidihkan air di dalam panic
pasta, mungkin panic tersebut tidak akan laku. Jadi, bos anda meminta
anda untuk menghitung berapa lama waktu yang diperlukan air pada suhu
ruang (23oC) untuk mencapai suhu didih (100
oC) di dalam panic yang
terbuat dari alloy yang baru. Rekan-rekan anda mengatakan bahwa panic
pasta biasanya mampu menampung 2 liter (2 kg) air. Mereka
memperkirakan bahwa panci pasta biasanya mampu 550 gram dan
kapasitas panas spesifik 860 J/(kgoC), serta kalor penguapan 2,3 x 106
J/kg. Buku manual menyatakan bahwa burner kompor anda memindahkan
panas 1000 Joule per detik. Anda memperkirakan hanya 20% panas ini
yang hilang teradiasi.
Jawaban :
Diketahui :
Suhu awal (T1) = 23 oC
Suhu didih (T2) = 100 oC
Massa air = 2 kg
Cair = 4200 J/kg oC
Luap = 2.3 x 106 J/Kg
Q/t = 1000 J/s
Massa panic = 550 gr = 0,55 kg
Cpanci= 860 J/kg oC
Panas 20 % teradiasi = 80 % terpakai
Kondisi 1 (Pada air)
-
Q = m Cair T = 2 4200 (100 23) =
Kondisi 2 (Pada Panci alloy)
Q = m Cpanci T = 0,55 860 (100 23) =
Waktu yang dibutuhkan alloy untuk mendidihkan air:
Q
t=
Qtotalt
1000 J s 80
100=
(646800 + 36421)J
t
t = . = ,
Dari hasil perhitungan diatas, didapatkan bahwa waktu yang dibutuhkan
oleh panci alloy tersebut untuk mendidihkan air adalah 14,23 menit.
Artinya, panci alloy tersebut tidak memenuhi criteria yang diinginkan oleh
perusahaan, yaitu 10 menit.
4. Perangkat piston silinder pada awalnya mengandung uap pada 1 MPa,
450oC dan 2,5 m
3. Uap dibiarkan dingin pada tekanan konstan sampai
pertama kali mulai terkondensasi.
Tampilkan proses lintasan tersebut pada diagram PV dan PT
Jawaban :
Diagram PT Diagram PV
1 2
-
a. Massa Uap
Dari table F.2 Superheated Steam (buku van Ness), didapatkan nilai
Vspe steam pada tekanan 1MPa adalah 330,30 cm3/g. Maka massa steam
adalah:
m =V
Vspe=
2,5 106 cm3
330,30 cm3 g= 7568,87 g = ,
b. Suhu Akhir
Suhu akhir dari steam merupakan suhu saat steam tersebut berubah fasa
menjadi cair (keadaan jenuh/saturated), atau dengan kata lain, Takhir =
Tsat.
Dari steam tabel A-3 (buku Moran), didapatkan Tsat steam untuk
tekanan 1 MPa sebesar 179,9 oC.
c. Jumlah Transfer Panas
Dari saturated steam table pada buku Moran, diketahu data entalpi
(H) untuk saturated vapor pada tekanan 1 MPa adalah:
Hsat vap= 2778,1 kJ/kg
Dari tabel superheated steam pada buku van Ness, didapatkan Hsup
steam pada suhu 420oC dan tekanan 1MPa adalah 3370,8 kJ/kg.
v1 = 2,5 m3
saat keadaan P = 1MPa dan T = 450oC
v2 didapatkan dengan mengalikan volume spesifik vapor (0,19435
m3/kg) dengan massa steam. Hal ini dikarenakan pada soal
disebutkan bahwa gas baru akan mulai terkondensasi, atau dengan
kata lain fasanya masih berada pada keadaan vapor.
v2 = vspe m = 0,19435m3
kg 7,566kg = ,
Setelah semua data yg dibutuhkan telah didapat, maka nilai Q
dapat dihitung:
Q = H + W
Q = m(H2 H1) + P dV = m(H2 H1) + P(v2 v1)
Q = 7,566 kg (2778,1 3370,8) kJ kg + 103kPA (1,47045 2,5)m3
= ,
-
5. Air dalam keadaan mencair mengalir secara isothermal pada 20oC melalui
saluran yang memiliki satu masukan dan satu keluaran. Diameter masukan
saluran dan diameter keluaran saluran adalah 0,02 m dan 0,04 m. Masukan
memiliki kecepatan 40 m/s dan tekanan 1 bar. Tentukan jumlah massa
aliran dalam kg/s dan kecepatan dalam m/s di pintu keluaran
Jawaban :
Diketahui :
T = 20oC V1 = 40 m/s
P = 1 bar D2 = 0,04 m
D1 = 0,02 m
Ditanya :
a. m ?
b. V2 = ?
Persamaan laju alir massa dalam bentuk volume spesifik yaitu
m =
Dimana v = volume spesifik
Dari steam table saturated water didapatkan bahwa volume spesifik pada
saat 20oC adalah 0,0010018 m
3/kg
m =
=
4 ( 0,02)2 40
0,0010018 = 12, 537 kg/s
Laju alir massa masuk = Laju alir massa keluar sehingga laju alir yang
sudah kita dapat bisa digunakan untuk mencari kecepatan pada pintu
keluaran
V2 =
2 =
12,537 0,0010018
4 (0,04)2
= 10 m/s
6. Sistem AC dibuat dengan udara mengalir di atas tabung yang membawa
refrigerant 134a. Udara masuk dengan laju alir volumetrik 50m3/menit
-
pada 328C,1 Bar dan keluar di 22C, 0.95 bar. Refrigerant memasuki
tabung pada 5 bar dengan kualitas 20% dan keluar pada 5 bar, 20 C.
Dengan mengabaikan perpindahan panas pada permukaan luar dari AC,
dan mengabaikan efek energi kinetik dan potensial. Tentukanlah (a) laju
aliran massa refrigerant dalam kg/min (b) laju perpindahan panas, di
kJ/menit, antara udara dan refrigerant !
Jawaban :
Asumsi : Kondisi steady state
Tidak ada perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan dan
W=0
Perubahan energi kinetik dan pootensial dapat diabaikan
Diketahui : V1= 50m3/menit
T1= 328C
P1= 1 Bar
T2= 22C
P2= 0.95 Bar
P4= 5 Bar
X4= 0.2
T3= 20C
P3= 5 Bar
Dari tabel dry air
Kondisi udara masuk:
h1= 436 kJ/Kg
1= 0.579 kg/m3
Kondisi udara keluar
h2= 295 kJ/Kg
2= 1.12 kg/m3
-
Dari tabel refrigerant 134a
Kondisi refrigerant masuk:
h4= 111 kJ/Kg
4= 113 kg/m3
Kondisi refrigerant keluar:
h3= 263 kJ/Kg
3= 23.7 kg/m3
a)
Neraca Massa :
0 = + ( )
= 0 ( ) = 0 ( )
0 = 1(1 +1
2
2+ 1) 2(2 +
22
2+ 2) + 3(3 +
32
2+ 3) 4(4
+4
2
2+ 4)
1 = 2 3 = 4 ;
0 = 1(1 2) + 3(3 4)
1 = 1 = 0.579kg
m3 50
m3
menit= 28.95
3 = 1(1 2)
(4 3)=
28.95
(436kJKg 295
kJKg)
(111kJKg 263
kJKg)
= .
-
b)
Neraca Massa :
0 = + 1 (1 +1
2
2+ 1) 2 (2 +
22
2+ 2)
= 1(1 2)
= 28.95
(436
kJ
Kg 295
kJ
Kg) = .
7. Sebuah tangki pejal 3 ft3 pada awalnya mengandung uap air jenuh pada
suhu 300F. Tangki dihubungkan dengan katup ke jalur suplai pasokan
uap pada 200 psia 400F. Kemudian katup dibuka, dan uap diperkenankan
masuk tangki. Perpindahan panas berlangsung dengan lingkungan
sehingga suhu dalam tangki tetap konstan pada 300F setiap saat.
Selanjutnya katup ditutup saat teramati setengah dari volume tangki
ditempati oleh air cair. Tentukanlah (a) tekanan akhir di dalam tangki (b)
jumlah uap yang telah masuk tangki (c) jumlah panas.
Jawaban :
Diketahui :
Kondisi awal : Kondisi Akhir :
T = 300F Suhu tetap 300F
Saturated steam X=0,5
-
V= 3 ft3
Analisis :
Kondisi awal saturated steam, x=1
Proses dalam tempratur konstan, data steam table awal = akhir
Tangki pejal, berarti adiabatic, tidak ada perubahan Q
Ek dan Ep sangat kecil, diabaikan, Ek dan Ep = 0
Tidak ada kerja yang terjadi, W=0
Kondisi akhir, x = 0,5
Neraca Energi :
Q = m2u2 - m1u1 + hi (m2-m1)
Kondisi awal :
Dari steam table, Apendix Moran, a-3e, dengan kondisi 300F, saturated
steam
vg =6,472 ft3/lb
vf = 0,01745 ft3/lb
hg = 1180,2 BTU/lb
hf = 269,7 BTU/lb
ug = 1100 BTU/lb
uf = 269,5 BTU/lb
-
Maka massa steam awal di dalam tangki adalah
Vtangki
=
33
6,472 3
= 0,463
U=u2-u1
U1= ug = 1100 BTU/lb
U2 = uf+x(ug-uf) = 269,5+ 0,5 (1100-269,5) = 684,75 BTU/lb
h=h2-h1
h1 = hg = 1180,2 BTU/lb
h2 = hf+x(hg-hf) = 269,7+ 0,5 (1180,2 - 269,7) = 724,95 BTU/lb
Massa akhir :
V=Vf+x(Vg-Vf)
= 0,01745 + 0,5 (6,472-0,01745)
= 3,244725 ft3/lb
Massa akhir saat setengah volume tangki berfasa liquid = Vtangki
=
3
3,244725= 0,924
a. Menentukan tekanan pada kondisi VL=1/2 V
h2 = u2 +P2V2, maka P2 =22
2 =
724,95684,75
3,244= 12,39
b. Jumlah uap yang masuk tangki
Massa uap masuk = massa akhir - massa saat VL=1/2 V
= 0,924 0,463 = 0,461
c. Jumlah panas
Q = m2u2 - m1u1 + hi (m2-m1)
=( 0,924 . 684,75 BTU/lb) (0,463 . 1100 BTU/lb) + (724,95
BTU/lb . (0,461 ))
= 457 BTU
Jumlah panas yang ditransfer dari source steam ke dalam tangki berisi
saturated steam hingga mencapai Volume liquid setengah dari volume
tangki adalah sebesar 457 BTU
-
DAFTAR PUSTAKA
ASME Steam Tables Compact Edition, Properties of Saturated and
Superheated Steam in U.S. Customary and SI Units from the International
Standard for Indsutrial Use.
Atkins, P.W. (1989) Kimia Fisika, Edisi ke - 4 Jilid 1. Jakarta : Erlangga
[terjemahan].
Borgnakke, C. dan Sonntag, R.E. (2009) Fundamentals of
Thermodynamics, 7th Edition. NJ : John Wiley & Sons, Inc.
Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2002. Thermodynamics an Engineering
Approach. Fourth Ed. Mc. Graw-Hill
Maron, H. Samuel and Jerome B. Lando. 1974. Fundamentals of Physical
Chemistry. New York : Macmillan Publishing.
Moran, J. Michael, Shapiro N. Howard. 2006. Fundamentals of
Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.
Smith, J.M. ; H.C. Van Ness and MM. Abbot. 2005. Introduction to
Chemical Engineering Thermodynamics 7th edition. New York :
McGraw-Hill
Wark, Knneth. 1983. Thermodynamics. United States : McGraw- Hill, Inc.