handout termodinamika
DESCRIPTION
uiiTRANSCRIPT
-
HANDOUT
TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA 2
KODE: 52113405
Disusun Oleh:
KHAMDAN CAHYARI, ST, M.SC.
JURUSAN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS GADJAH MADA
2015
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 1
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 1 (satu)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 9 (sembilan)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
1. Rencana Kegiatan Pembelajaran
Kegiatan pembelajaran mata kuliah Termodinamika Teknik Kimia 2 dilaksanakan dalam
serangkaian pertemuan kuliah, tugas kelompok dan kegiatan pembelajaran mandiri oleh
mahasiswa. Jumlah pertemuan kuliah direncanakan berlangsung selama 14 kali pertemuan yang
dibagi menjadi dua tahap kuliah yaitu tahap pertama sebanyak 7 kali pertemuan sedangkan tahap
kuliah kedua sebanyak 7 kali pertemuan.
1.1. Topik Utama Perkuliahan
Materi pembelajaran yang akan dipelajari terdiri atas 7 topik utama meliputi:
a. Pengantar (review Hukum Termodinamika 1 dan 2)
b. Termodinamika Proses Alir
c. Konversi Panas menjadi Kerja melalui Siklus Daya
d. Refrigerasi dan Liquifaksi
e. Pengantar Keseimbangan
f. Keseimbangan Kimia
g. Keseimbangan Fasa
1.1. Ujian dan Penilaian
Untuk mengetahui kemampuan mahasiswa dalam memahami materi yang dipelajari dalam
mata kuliah dilakukan beberapa ujian berupa:
a. Ujian akhir semester (UAS)
UAS berupa ujian tertulis bersifat buku tertutup (closed book) dengan jumlah soal 3 terdiri
atas 2 soal hitungan dan 1 soal teori.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 2
b. Ujian tengah semester (UTS)
UTS berupa ujian tertulis bersifat buku tertutup (closed book) dengan jumlah soal 3 terdiri
atas 2 soal hitungan dan 1 soal teori
c. Kuis
Kuis berupa ujian tertulis bersifat buku tertutup dengan jumlah soal 1 buah dalam waktu
20 30 menit
Penilaian kemampuan mahasiswa didasarkan pada beberapa bentuk ujian di atas dengan
persentase komponen terhadap nilai akhir sebagai berikut:
No Ujian Nilai
maksimal
Persentase Nilai
Akhir (%)
Nilai Akhir
1 UAS 100 40 40
2 UTS 100 30 30
4 Kuis 100 30 30
Jumlah 100 100
Berdasarkan nilai akhir yang diperoleh, mahasiswa diberikan nilai mata kuliah menurut
rentang nilai sebagai berikut:
No Rentang Nilai
Akhir (NA)
Grade
atau Nilai
No Rentang Nilai
Akhir (NA)
Grade
atau Nilai
1 80 A 45 < 49 C+
2 75 < 79 A- 40 < 44 C
3 70 < 74 A/B 35 < 39 C-
4 65 < 69 B+ 30 < 34 C/D
5 60 < 64 B 25 < 29 D+
6 55 < 59 B- 20 < 24 D
7 50 < 54 B/C < 20 E
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 3
1.1. Pustaka Acuan
Pustaka yang diacu/dirujuk dalam kegiatan pembelajaran mata kuliah ini terdiri atas:
a. Utama
- Smith, J.M., and Van Ness, H.C., 1975, Introduction to chemical engineering
thermodynamics, 3rd ed., McGraw-Hill Science (other editions may be used as
well).
b. Tambahan
- Cengel, Y.A., Boles, M.A., 2005, Thermodynamics: an engineering approach, 5th
ed.
- Potter, M.C., Somerton, C.W., 1994, Schaums Theory and Problems of
thermodynamics for engineers, McGraw-Hill.
- Zemansky, M.W., 1996, Heat and Thermodynamics, 7th ed., McGraw-Hill
Science.
- Eastop, T.D., McConkey, A., 1993, Applied Thermodynamics for Engineering
Technologies, 5th ed., Pearson Education Ltd.
- Muller, I., 2007, A history of Thermodynamics: the doctrine of energy and
entropy, Springer-Verlag, Berlin.
c. Lanjut
- Gaskell, D.R., 2003, Introduction to the thermodynamics of materials, 4th ed.,
Taylor & Francis
- Annamalai, K., Puri, I.K, 2002, Advanced Thermodynamics Engineering, CRC
Press.
- Huang, K., 1963, Statistical Mechanics, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York.
- Prausnitz, J.M, Lichtenthaler, R.N, and de Azevedo, E.G., 1999, Molecular
Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria, 3rd ed. Prentice Hall, New Jersey
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 4
2. Pengantar (Review Hukum Termodinamika 1 dan 2)
Hukum Termodinamika I
Heat and work are forms of energy transfer. Energy is invariably conserved but the internal
energy of a closed system changes as heat and work are transferred in or out of it. Equivalently,
perpetual motion machines of the first kind are impossible
Terjemahan bebas:
Panas dan kerja adalah bentuk-bentuk energi yang ditransfer. Energi bersifat kekal tetapi energi
dalam dari suatu sistem tertutup berubah ketika panas dan kerja ditransfer kedalam atau keluar
sistem. Dengan demikian, perpetual motion machines yaitu mesin yang sekali dinyalakan lalu
dapat berjalan secara terus menerus adalah tidak mungkin (impossible)
( ) + ( ) = 0
( ) = + +
( ) =
+ + =
+ + =
Konvensi:
Q bernilai + jika panas ditransfer dari lingkungan ke sistem
W bernilai + jika kerja dilakukan oleh sistem ke lingkungan
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 5
SISTEM TERTUTUP (NON-FLOW SYSTEM)
=
dimana :
U : internal energy, Q : panas (heat), W : kerja (work)
Hukum termodinamika II:
energy (and matter) tends to become more evenly spread out across the universe i.e to
concentrate energy (or matter) in one specific place, it is necessary to spread out a greater amount
of energy (as heat) across the remainder of the universe ("the surroundings").
Terjemahan bebas:
Energi dan materi cenderung berubah menjadi lebih merata dengan cara menyebarkan diri di dalam
alam semesta yaitu untuk mengkonsentrasikan energi atau materi dalam suatu tempat khusus
dibutuhkan menyebarkan energi yang lebih besar (dalam bentuk panas) melalui lingkungan di
sekitar sistem.
What is entropy?
Entropy just measures the spontaneous dispersal of energy: or how much energy is spread out in a
process as a function of temperature.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 6
Kerja mekanis selalu dapat mengubah secara langsung dan sempurna menjadi panas akan tetapi
mengubah panas menjadi kerja membutuhkan alat khusus yang disebut Heat Engines (HE).
Karakteristik HE
Perubahan entropi dari suatu sistem yang mengalami proses reversibel nilainya sama dengan dQ/T.
=
Atau
=
Jumlah perubahan entropi sistem dan lingkungan lebih besar atau sama dengan nol.
+ = 0
Jika sistem mengalami perubahan irreversible berlaku:
+ = =
2
1=
(1 2)
12
Misal heat engine mengubah panas menjadi kerja (W) berlaku:
o They receive heat from high-temperature source.
o They convert part of this heat to work.
o They reject the remaining waste heat to a low-temperature sink.
o They operate on (a thermodynamic) cycle.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 7
= 1 2
1= 2
(1 2)
12
= 2( + ) = 2
Secara umum dinyatakan:
=
Dimana
: suhu mutlak lingkungan
Termodinamika Proses Alir (Thermodynamics of Flow Processes)
Fluida dapat mengalir dari satu titik ke titik lain melalui pipa atau sejenisnya. Proses mengalirnya
fluida disebut sebagai proses alir. Untuk mengevaluasi termodinamika proses alir tersebut
diperlukan analisis neraca massa dan neraca energi.
Hukum Konservasi Massa
Neraca massa fluida dalam proses alir seperti ilustrasi di atas adalah
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 8
[ ] = [ ] [ ]
+ () = 0
Jika proses berlangsung steady state tidak terjadi perubahan massa terhadap waktu sehingga nilai
= 0
() = 0
222 111 = 0
atau
= = 222 = 111
Dalam bentuk volume spesifik (1 =1
1 2 =
1
2 )
= =22
2=
111
=
Hukum Konservasi Energi
Neraca energi dapat dijabarkan untuk proses alir sebagai berikut:
[ ] +[ ] = 0
()
+ [( +2
2+
) ]
=
Atau
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 9
() + [( +2
2+
) ]
=
Jika proses berlangsung steady state
[( +2
2+
) ]
=
Atau dituliskan dalam bentuk:
[( +2
2+
) ]
=
[( +2
2+
)]
=
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 10
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 2 (dua)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (sebelas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
Neraca Energi Mekanis: Persamaan Bernouli
Pada skema di atas berlaku:
a. Proses alir berlangsung steady state
b. Gerakan satu arah x
c. Fluida mengalir dengan kecepatan v
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 11
Neraca momentum:
=
=
( + )
=
Ingat:
= =22
2=
111
=
Sehingga:
=
=
Terdapat tiga gaya yang bekerja pada fluida:
a. Gaya akibat tekanan masuk dan keluar
( + ) =
b. Gaya akibat gravitasi
= sin =
sin
=
= (
) =
=
=
=
sin
=
sin =
Karena aliran fluida ke atas dan gravitasi ke bawah maka perlu dikalikan dengan minus 1
sehingga
=
sin =
c. Gaya akibat gesekan fluida
=
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 12
Penggabungan persamaan diperoleh:
=
Dikalikan dengan /
+
+
+
4
= 0
Nilai 4
= dan jika terdapat kerja shaft (poros) persamaan menjadi
+
+
+ + = 0
Dalam bentuk integral
+2
2+
+ + = 0
Hubungan antara neraca energi steady flow dan neraca energi mekanis
Neraca energi:
[( +2
2+
)]
=
Neraca Energi Mekanis
+2
2+
+ + = 0
Penggabungan persamaan diperoleh:
=
= + +
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 13
= + + = +
Diketahui:
=
= + =
Diketahui untuk proses reversibel:
=
= = = 0
Sehingga untuk aliran reversibel berlaku:
= = 0
=
Jika nilai ini dimasukkan ke persamaan neraca energi:
[( +2
2+
)]
=
+2
2+
=
= 2
2
=
= +2
2+
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 14
Aliran dalam Pipa
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 15
Proses alir dari titik 1 ke titik 2 berlaku:
[( +2
2+
)]
=
=
+2
2+
+ + = 0
= +
Kerja minimal yang diperlukan oleh pompa jika tidak ada friksi atau gesekan dalam pipa
sehingga dF=0:
= 2
1
Nilai P2 ditentukan dari evaluasi neraca energi proses alir dari titik 2 ke titik 3:
+
+
= 0
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 16
=
+
+
=22
= ()
=
Contoh Soal
Sebuah pompa sentrifugal digunakan untuk mensuplai 100 gpm air ke kondensor di dalam unit
stabilisasi bensin. Suction pompa bertekanan 20 psig dan tekanan discharge 200 psig. Pompa
beroperasi adiabatic yaitu tidak ada panas yang saling ditukar oleh sistem dan lingkungan. Suhu
air masuk dan keluar pompa diukur dengan hati-hati dan diketahui bahwa suhu naik dari 60
menjadi 60,35. Hitung fraksi energi yang disuplai pompa hilang akibat gaya gesekan! Ukuran
pipa pompa suction dan discharge sama.
Penyelesaian:
Berlaku:
=
= +
Pada pompa berubah dari kondisi 1 (20 psig, 60) menjadi kondisi 2 (200 psig, 60,35). Diambil asumsi bahwa perubahan ini berlangsung melalui dua tahap yaitu:
isobar isotermal
1 2a20 psig60F
20 psig60,35F
200 psig60,35F
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 17
Proses isobar 1-a:
1 = = ( 1) = (1)(0,35) = 0,35
Proses isothermal a-2:
2 = + () = 0 + () = (2 )
Specific volume air pada 20 psig, 60 , = 0,01604
2 =(0,01604
)
(200 20) (2) (144
22)
778 .
= 0,53
= 12 = 1 + 2 = 0,35 + 0,53 = 0,88
Diketahui:
= +
= (2 1) +
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 18
Atau
= (2 1) = 0,88 0,53 = 0,35
Percent heat dissipated
=
0,35
0,88= 0,40
Jadi sebanyak 40% energi pompa hilang akibat gesekan dalam pipa.
Kecepatan maksimum dalam pipa
Karena nilai volume spesifik gas naik dengan cepat terhadap penurunan tekanan, khususnya pada
tekanan rendah, terjadi efek yang tidak lazim yang dapat diamati pada aliran gas di dalam pipa.
Jika gas mengalir pada pipa secara adibatis steady state secara horizontal dengan luas
penampang konstan. Akibat gaya gesek tekanan gas turun sepanjang aliran gas dalam pipa.
Sehingga volume naik dan kecepatan naik sesuai persamaan kontinuitas.
Neraca energi berlaku
[( +2
2+
)]
=
=
Turunan laju massa:
= (
) = (
) = (
2) = 0
= 0
=
Kombinasi:
=2
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 19
= +
=2
= 2
Kecepatan maksimum tercapai jika proses berlangsung isentropis (dS=0)
+
2
= 0
=
(
)
Persamaan kecepatan maksimal ini sama dengan kecepatan suara di dalam fluida. Sehingga
kecepatan maksimum aliran yang bisa dicapai di dalam pipa dengan luas penampang konstan sama
dengan kecepatan suara.
Hal ini tidak berarti bahwa kecepatan di atas kecepatan suara tidak dapat dicapai. Namun, ini
berarti dimulai dari kecepatan subsonic, kecepatan suara ialah nilai maksimum yang dapat dicapai
pada pipa konstan area. Kecepatan suara diperoleh di ujung pipa. Jika panjang pipa ditambah,
kecepatan aliran massa menurun sehing kecepatan suara masih dicapai pada ujung pipa yang
dipanjangkan.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 20
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 3 (tiga)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (sebelas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
Metering dan Proses Throttling
Metering ialah pengukuran aliran fluida dalam pipa menggunakan alat ukur flowrate seperti pitot
tube, venturimeter dan lain sebagainya. Materi ini sudah dipelajari di kuliah OTK 1 sehingga tidak
perlu dijabarkan lebih lanjut.
Throttling ialah proses aliran kontinyu dalam sebuah pipa terjadi pada kondisi mendekali isentalpis
(entalpi konstan).
Pada proses throttling berlaku:
[( )
]
= [()
]
[( )
]
= [( )
]
= [()
]
[()
]
= [()
]
Dimana:
= (
)
Nilai bisa positif, negative atau nol. Untuk gas ideal nilainya sama dengan nol sehingga nilai Cp
tertentu. Nilai positif pada gas nyata (riil) pada tekanan dan suhu sedang dimana gas menjadi
lebih dingin saat berekspansi melalui kran. Pada sembarang suhu, jika tekanan naik mencapai
kondisi = 0 dan pada tekanan lebih tinggi < 0
Proses throttling umum digunakan pada proses refrigerasi dan pencairan gas.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 21
Nozzles
Nozzle merupakan alat yang dapat menyebabkan perubahan energi kinetis dan internal suatu fluida
sebagai hasil dari perubahan luas penampang yang tersedia untuk proses aliran fluida. Umumnya
digunakan untuk menyediakan arus dengan kecepatan tinggi.
Penjabaran neraca energi:
[( +2
2+
)]
=
=
+2
2+
+ + = 0
=
+
Proses berlangsung isentropis, dF=0, maka:
=
Persamaan kontinuitas:
= (
)
Ilustrasi nozzle:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 22
Untuk aliran subsonic di dalam converging section, kecepatan naik dan tekanan turun sebagai
akibat mengecilnya luas penampang nozzle. Pada bagian diverging dengan aliran supersonic, luas
penampang meningkat, tetapi kecepatan naik dan tekanan turun.
Kecepatan suara sangat penting dalam pembahasan nozzle. Hal ini karena kecepatan ini
merupakan kecepatan aliran pada area throat (area terkecil dalam nozzle). Pada daerah ini nilai A
konstan sehingga:
(
) = 0
=
Diperoleh:
=
(
)
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 23
Kecepatan maksimum yang dapat dicapai pada daerah throat ini adalah kecepatan suara yang
terdapat di throat. Sehingga nozzle sering digunakan untuk menyediakan kecepatan aliran konstan
ke area tekanan variabel.
Penurunan tekanan lebih lanjut membutuhkan kenaikan luas penampang (diverging section). Hal
ini karena pada daerah throat yang bertekanan rendah, volume spesifik gas mengalami kenaikan
yang cukup besar sehingga harus diimbangi oleh kenaikan luas penampang dan kecepatan aliran.
Rasio tekanan outlet dan inlet nozzle yang dapat dinyatakan sebagai:
21
= (2
+ 1)
(
1)
Persamaan umum antara kecepatan dan luas penampang dapat dinyatakan dalam fungsi kecepatan
suara dapat diturunkan sebagai berikut:
1
( + )
2= 0
Atau
( + )
=
2
+
=
2
Ingat: =
=
()
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 24
Sehingga:
+
=
2 ()
=
2 ()
=
2
= (2 1)
Dimana: M: rasio kecepatan terhadap kecepatan suara disebut Mach number (M).
Jika M > 1 disebut supersonic luas area naik dengan kcepatan naik
Jika M < 1 disebut subsonic luas area turun dengan kecepatan naik
Kompresor
Salah satu alat yang banyak digunakan dalam industri ialah kompresor untuk tujuan: 1)
mentransportasikan fluida, 2) menyediakan tekanan yang diinginkan untuk terjadinya reaksi kimia,
proses pemisahan dan untuk instrument pneumatic, 3) transfer energi mekanis ke suatu fluida
dalam pengadukan, transportasi partikel padatan dan lain-lain.
Alat sejenis yang juga biasa digunakan ialah:
Fan (kipas angin) untuk tekanan rendah
Blower untuk tekanan sedang
Kompresor untuk tekanan tinggi
Vacuum pump untuk tekanan subatmosferis (vakum)
Kerja yang dibutuhkan dalam proses kompresi dapat digitung berdasarkan persamaan neraca
energi mekanis.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 25
= 2
1
Atau
= = (2 1)
Jika proses berlangsung adiabatic isentropis persamaan menjadi:
= (2 1)
Atau dapat dinyatakan juga sebagai berikut:
= 11
( 1)[(
21
)(
1
)
1]
Untuk efisiensi yang optimal proses kompresi umumnya dilakukan secara bertingkat disebut
multistage compression.
Contoh soal:
Gas metana akan dikompresi dari kondisi 20 psia dan suhu 40 menjadi 80 psia dalam single-
stage unit kompresor. Jika kompresor dioperasikan adibatis, hitungkan daya yang dibutuhkan
untuk menghandle 100 cuft/min pada suhu 70 dan 1 atm melalui metode:
a. Asumsi gas ideal
b. Menggunakan sifat termodinamis gas metana
Penyelesaian:
a. Karena gas metana berlaku sebagai gas ideal nilai = = 1,31
= 11
( 1)[(
21
)(
1
)
1] = 1
( 1)[(
21
)(
1 )
1]
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 26
= (1,31)(1,987)(460 + 40)
(1,31 1)[(
80
20)
(1,311
1,31 )
1] = 1630
= 1630 ((100)(492)(778)
(359)(530)) = 326000
= 9,9
Jadi daya kompresor adalah 9,9 HP
b. Menurut data termodinamika perlu dicari nilai entalpi gas metana pada kondisi 1
[40, 20 ]dan 2 [40, 80 ]dari Fig. 6-4.
= = (2 1) = (488 389) = 99
Daya yang dibutuhkan untuk 100 cuft/min:
=(99)(16)(100)(492)(778)
(359)(530)= 31900 (
.
) = 9,7
Contoh Soal:
Jabarkan persamaan untuk menghitung kerja kompresor dalam two-stage compression:
Penyelesaian:
=1
( 1)[(
1)
(1
)
1] +1
( 1)[(
2
)(
1 )
1]
=1
( 1)[(
1)
(1
)
+ (2
)(
1 )
2]
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 27
Ejector
Ejektor digunakan untuk mengkompresi dan mengeluarkan uap dari ruangan vakum ke lingkungan
atmosferis.
Jika diperbolehkan mencampur uap dengan fluida kerja, ejector biasanya membutuhkan biaya
awal dan pemeliharaan yang lebih murah dibanding jenis kompresor lain. Prinsip kerja ejector
sama dengan converging-diverging nozzle. Fluida kerja yang digunakan dapat menggunakan
steam dengan ilustrasi ejector sebagai berikut:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 28
Pengukuran suhu pada kecepatan tinggi (temperature measurements at high velocities)
Jika terdapat dua arus fluida, salah satu fluida arus yang mengalir bebas dan fluida yang satunya
berada di sisi permukaan objek, persamaan neraca energi diperoleh:
[( +2
2+
)]
=
+2
2= 0
Atau
2
2+ =
02
2+ 0
0 =2
2
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 29
0 = (0 ) =2
2
0 = +2
2
Dimana: T0 merupakan suhu stagnan atau suhu total (stagnation or total temperature).
Untuk kecepatan aliran fluida yang rendah nilai T0 relatif sama dengan T. Namun, pada Mach
number mendekati satu maka suhu stagnasi akan berbeda signifikan dengan suhu T.
Untuk pengukuran pada suhu akan diperoleh suhu observasi, Tobs. Faktor recovery ()
digunakan untuk menghubungkan T0, T dan Tobs.
=
Atau
= 2
2
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 30
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 4 (empat)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (sebelas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
KONVERSI PANAS MENJADI KERJA MELALUI SIKLUS DAYA
(CONVERSIN OF HEAT INTO WORK BY POWER CYCLES)
Untuk mengubah panas menjadi kerja diperlukan alat yang disebut Heat Engines (HE). Alat ini
menerima panas pada suhu tinggi (), mengubahnya menjadi kerja (W) dan membuang panas
sebesar (). Neraca energi ini diilustrasikan dalam gambar di atas.
Neraca Energi:
= +
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 31
Efisiensi konversi:
=
=
= 1
Contoh Soal:
Pada ilustrasi di bawah ini, hitunglah berapa efisiensi konversi energi oleh HE!
Untuk berbagai jenis kendaraan yang menggunakan HE, nilai efisiensi:
Automobile engine 20%
Diesel Engine 30%
Gas Turbine 30%
Steam Power Plant 40%
Panas diumpankan ke dalam HE pada proses ekspansi isothermal sebesar , menghasilkan
kerja sebesar dan membuang panas sebesar .
Proses konversi energi ini dilakukan melalui siklus kerja oleh fluida kerja. Beberapa jenis siklus
yang umum digunakan adalah:
a. Siklus uap (Rankine) dalam steam power plant
b. Siklus Otto dalam automobile engine
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 32
c. Siklus Otto dalam diesel engine
d. Siklus Otto dalam gas turbine power plant
e. Siklus propulsi jet dalam jet engines
f. Siklus propulsi jet dalam rocket engines
Siklus-siklus akan dipelahari lebih detail dalam uraian berikut:
A. Siklus uap (Rankine) dalam steam power plant
Penjelasan proses:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 33
1 2 : proses ekspansi adiabatis oleh steam (uap) dalam turbine dihasilkan kerja, Wout
2 3 : proses kondensasi uap menjadi air dalam alat condenser (dibuang panas), Qout
3 4 : proses pemompaan untuk menaikkan tekanan cairan dibutuhkan kerja, Win
4 1 : proses produksi steam dalam boiler membutuhkan panas sebesar Qin
Siklus uap Rankine ini dapat dinyatakan dalam grafik hubungan antara suhu dan entropi sebagai
berikut:
Pada grafik di atas dapat diuraikan untuk setiap kurva. Pada kurva siklus ideal (kurva bergaris
merah) atau siklus 1-2-3-4-1 proses yang terjadi terdiri atas:
1 2 : proses pemompaan air, Win
Kerja yang dibutuhkan :
= =
= = +
2 3 : proses produksi steam dalam boiler membutuhkan panas, Qin
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 34
=
3 4 : proses ekspansi uap dalam turbine menghasilkan kerja, Wout
= =
4 1 : proses kondensasi uap dalam condenser membuang panas sebesar, Qout
= =
Pada kenyataannya kurva siklus rankine tidak ideal sehingga mengikuti kurva non-ideal (kurva
garis biru). Pada kondisi non-ideal pada setiap alat akan nilai panas maupun kerja perlu dikalikan
atau dibagi dengan efisiensi unjuk kerja.
1 2 : proses pemompaan air, Win
Kerja yang dibutuhkan :
= =
= =1
[ + ]
2 3 : proses produksi steam dalam boiler membutuhkan panas, Qin
=
3 4 : proses ekspansi uap dalam turbine menghasilkan kerja, Wout
= = ()
4 1 : proses kondensasi uap dalam condenser membuang panas sebesar, Qout
= =
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 35
Contoh soal:
The steam-power installation in a chemical plant must supply the following requirement:
1. 10.000 lbm/hr process steam at75 psia dan 350
2. 2.000 lbm/hr process steam at 20 psia
3. 1.500 HP
The steam boiler will operate at 175 psia. The power requirement is to be obtained from two
turbines, one taking superheated steam from the boiler and discarding steam at 75 psia and 350.
Part of this will be returned to the boiler, where it will be superheated to 490 and then will enter
the second turbine. Two thousand pounds per hour of the exhaust steam (at 20 psia) wil be bled
off for requirement 2 and the remainder sent to the condenser.
Assume both turbines operate reversibly and adiabatically and that all parts of the power plant
operate at constant pressure, except the two turbines and the feed water pump. Also assume that
the make-up water for the boiler is added to the condensate from the condenser at the same
temperature as the condensate.
a. Draw a schematic flow diagram of the operations
b. Sketch the cycle on the TS plane
c. Calculate the require water rate to the boiler
d. Calculate the heat that must be supplied by the boiler
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 36
Penyelesaian:
a. Flow diagram
b. TS diagram
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 37
c. Water rate required
= (4 3) ( 10.000)(6 5)
(1500) (33000
778) 60 = (1205,8 1286,6) ( 10000)(1159,2 1275,7)
= 25.250
d. Heat supplied to boiler
= (3 1) + ( 10000)(5 4)
= (1286,6 196,2)(25250) + (1275,5 1205,8)(25250 10000) = 28,6. 106
B. Siklus Otto dalam Automobile Engine
Pada siklus rankine dalam steam power plant yang membutuhkan luas transfer panas besar yaitu:
1) untuk penyerapan panas pada suhu tinggi di boitler dan 2) untuk pembuangan panas pada suhu
rendah di kondensor. Sedangkan pada internal combustion engines menggunakan fluida kerja yang
merupakan campuran dari bahan bakar sehingga energi panas yang dibutuhkan berada dalam
fluida kerja tersebut. Internal combustion engines juga memiliki kekhasan lain yaitu: 1) bisa
didesain dalam bentuk kecil, kompak cocok untuk aplikasi nonstationer, 2) beroperasi pada suhu
tinggi sehingga efisiensi bisa tinggi.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 38
Aplikasi siklus otto terdapat pada rangkain piston-silinder:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 39
Pada siklus ini komposisi udara dianggap sebagai fluida kerja:
Proses 2-3 dan 4-1 berlangsung isokhorik dengan nilai panas (Q) sebesar:
23 = (3 2)
41 = (1 4)
Efisiensi siklus:
=23
=(3 2) (1 4)
(3 2)= 1
(1 4)
(3 2)
Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatic sehingga nilai suhu dapat diganti
menjadi:
4 =44
=
41
1 =11
3 =33
=
32
2 =22
=23
= 1 (1 4)
(3 2)= 1
12
(4 13 2
) = 1 (4 13 2
)
=23
= 1 (4 13 2
) = 1 12
=
=
= (
)
Dimana r: compression ratio 1
2
Efisiensi naik dengan cepat pada nilai r rendah, sedangkan pada nilai r tinggi berlangsung lambat.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 40
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 5 (lima)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (sebelas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
C. Siklus Otto dalam Diesel Engines
Siklus otto dalam diesel engines berlangsung hampur sama seperti siklus otto dalam
automobile engines kecuali pada proses input panas. Pada siklus ini, panas diinputkan tekanan
konstan sedangkan pada siklus otto automobile panas diinputkan pada volume konstan.
Siklus diesel engines diilustrasikan dalam grafik P vs V sebagai berikut:
Proses a-b dan c-d terjadi proses kompresi dan ekspansi adiabatic sedangkan proses b-c dan d-a
berlangsung proses input panas dan pengeluaran panas (heat output).
Proses b-c:
1 = ( )
Proses d-a:
2 = ( )
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 41
Efisiensi:
= 1
( )
( )= 1
1
( )
( )
Jika udara dianggap sebagai gas ideal berlaku:
(1) =
(1)
(1) =
(1)
Dimana: =
; =
Sehingga:
= 1 1
( )
( )= 1
1
(1/)1 (1/)
1
Hukum gas ideal berlaku:
=
=
=
Sehingga:
=
=
=
(1/)
(1/)=
= 1 1
( )
( )= 1
1
(1/)1 (1/ )
1
1
1
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 42
D. Siklus Brayton dalam Combustion-Gas-Turbine Power Plant
Otto dan Diesel engines memiliki kelebihan dalam menggunakan energi secara langsung pada
suhu dan tekanan tinggi, tanpa membutuhkan luas transfer panas eksternal. Di sisi lain, turbine
memiliki efisiensi yang lebih besar dalam konversi energi dibandingkan piston. Kombinasi
kelebihan ini diperoleh combustion-gas-turbine.
Skema alat ini sebegai berikut:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 43
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 44
Efisiensi siklus brayton:
=
=34 + 12
=
= 1
12 = 2 1 = (2 1)
34 = (4 3)
= (3 2)
= (4 1)
=
= 1
= 1 (4 1)
(3 2)
Proses 1-2 dan 3-4 berlangsung secara adiabatic berlaku:
21
= (21
)(
1 )
43
= (43
)(
1 )
= (12
)(
1 )
Sehingga:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 45
= 1 (12
)(
1 )
Contoh Soal:
A gas-turbine power plant operates with a compression ratio P2/P1 of 6. The temperature entering
the compressor is 70, and the maximum permissible temperature in the turbine is 400.
a. What would be the efficiency of the power plant, it it operates reversibly? Make the
calculation for an ideal gas cycle and assume = 1,4
b. In this case, suppose the compressor and turbine operate adiabatically, but irreversibly,
with efficiencies of . These efficiencies are defined in terms of the actual work
and that produced by an isentropic machine operating between the same initial state and
final pressure. The temperature entering the turbine will be limited to the same value as for
part a.
What will be the efficiency of the power plant if the values of are 0.83 and 0.86?
Efisiensi siklus gas Brayton dapat ditingkat melalui beberapa cara antara lain:
a. Menyediakan heat exchanger (alat penukar panas) antara arus gas pembakaran yang
meninggalkan turbine dan arus udara meninggalkan compressor,
b. Menggunakan multistage compression system with intercooling system pada setiap
stagenya
c. Menggunakan multistage expansion system pada turbine dengan proses reheating antara
stagenya.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 46
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 6 (enam)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (sebelas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
E. Siklus Brayton dalam Jet Engines
Jet engines merupakan alat yang mengubah panas menjadi energi dorong (propulsion force) bagi
jet engine dan strukturnya dalam bentuk energi kinetis yang keluar melalui bagian luarannya
(exhaust nozzle) seperti pada gambar di atas. Jet engines digunakan sebagai mesin pendorong
pesawat.
Proses yang terjadi udara masuk ke dalam jet engines melalui diffuser (membantu melakukan
kompresi) kemudian dikompresi dalam compressor. Aliran dalam kompresor berlangsung secara
aksial (arah horizontal). Bahan bakar diumpankan ke dalam combustion chamber yang kemudian
bercampur dengan udara dibakar menghasilkan gas panas. Gas ini kemudian bergerak melalui
turbine yang menghasilkan cukup tenaga untuk memutar shaft kompresor dan sisa energi kinetis
untuk propulsi (daya dorong ke depan). Daya dorong ini disebut thrust (force). Jika proses
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 47
berlangsung secara reversible adiabatic maka siklus turbojet ini sama dengan siklus ideal-turbine-
power plant.
Jika kompresi dalam diffuser dapat menghasilkan tekanan yang cukup tinggi, unit jet engines tidak
perlu menggunakan kompresor dan turbine. Jenis ini disebut ram jet.
Untuk dapat memperoleh tekanan tinggi, kecepatan inlet udara harus tinggi (relative terhadap
mesin) yaitu nilai M > 1 (supersonic) sehingga efisiensi konversi energi sebanding dengan mesin
turbojet.
Jenis lain yang umum digunakan adalah turboprop jet engine. Daya yang diperoleh dari putaran
turbine digunakan untuk: 1) menggerakkan shaft kompresor, 2) menggerakan propeller (baling-
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 48
baling) dan 3) sisanya untuk tenaga propulsi jet (daya dorong). Turboprop engine diilustrasikan
sebagai berikut:
Gaya dorong propulsi dapat dinyatakan sebagai:
= = ( )1
Jika massa bahan bakar diabaikan terhadap massa udara maka = sehingga dapat
disederhanakan:
= = ( )1
Sebagian dari gaya ini harus digunakan untuk mengakomodir adanya friksi, gaya gravitasi (gaya
eksternal), dan tekanan luar pada engine. Sisanya untuk memdorong engine dan strukturnya.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 49
Rocket Engine
Prinsip kerja rocket engine sama dengan jet engine kecuali sumber oksidatornya (oxidizer). Pada
rocket engine digunakan jenis oksidizer seperti oksigen cair, asam nitrat, fluorin yang dipompa
dari tangki ke combustion chamber. Secara bersamaan bahan bakar cair (misalnya aniline,
ethanol, JP fuel, hydrazine) dipompa ke dalam chamber dan dibakar. Pembakaran terjadi pada
tekanan konstan dan menghasilkan gas buang bersuhu tinggi yang kemudian diekspansikan
melalui nozzle.
Roket juga dapat menggunakan solid fuel (bahan bakar padat misalnya polimer organik) dan
oxidizer ( potassium perchlorate) disimpan bersama dalam campuran padatan dan disimpan di
depan combustion chamber.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 50
Daya dorong rocket engine dapat dinyatakan sebagai specific impulse yaitu gaya per satuan
massa:
=
=
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 51
Family of Rocket
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 52
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 7 (tujuh)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (tiga belas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
REFRIGERATION AND LIQUEFACTION
Refrigerasi merupakan menjaga suatu suhu dibawah suhu lingkungan. Refrigerasi banyak
digunakan di industry kimia seperti misalnya purifikasi minyak pelumas, reaksi suhu rendah dan
pemisahan hidrokarbon volatile.
Liquefaction merupakan proses pencairan gas menjadi cair seperti misalnya produksi oksigen
dan nitrogen cair.
Siklus Refrigerasi Carnot
Siklus refrigerasi carnot merupakan siklus refrigerasi yang berlangsung ideal dimana panas
diserap pada suhu rendah dan dibuang pada suhu tinggi. Prinsip kerja siklus refrigerasi ini
merupakan kebalikan dari siklus heat engine.
Siklus Carnot dapat diilustrasikan dalam grafik hubungan antara suhu dan entropi sebagai
berikut:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 53
Proses 1 2 : Proses kompresi uap/gas secara adiabatic
= = (2 1)
Proses 2 3 : Proses pembuangan panas pada suhu tinggi
= = (3 2) = = (3 2)
Proses 3 4 : Proses ekspansi adiabatic
= = (4 3)
Proses 4 1 : Proses pengambilan panas pada suhu rendah
= = (1 4) = = (1 4)
Efisiensi siklus carnot dinyatakan sebagai:
=
=
=
=
1
Siklus carnot ini dapat diilustrasikan dalam diagram P vs V:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 54
Sistem refrigerasi kompresi uap siklus carnot terdiri atas 4 alat utama yaitu kompresor,
evaporator, turbine dan kondensor. Skema sistem ini diilustrasikan sebagai berikut:
Siklus Refrigerasi Udara
Siklus refrigerasi menggunakan udara sebagai fluida kerja dapat dilakukan. Siklus ini merupakan
sistem refrigerasi yang digunakan pada awal perkembangan refrigerasi. Sistem ini juga praktis
diaplikasikan pada jet engines yang memiliki sumber energi kompresi. Namun demikian sistem
ini memiliki beberapa kekurangan antara lain:
a. Efisiensi rendah
b. Transfer panas dilakukan melalui lapisan gas (koefisien transfer panas rendah) sehingga beda
suhu antara udara dengan refrigerator besar sehingga efisiensi rendah
c. Kuantitas udara harus besar
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 55
Nilai efisiensi refrigerasi:
=
2=
1
Parameter lain ialah coefficient of performance (COP) yaitu nilai koefisien unjuk kerja sistem
refrigerasi dinyatakan sebagai:
=2
=
Jika refrigerator dijaga pada suhu 20 dengan mesin siklus udara dan 10 approach
dimungkinkan, maka persamaan COP menjadi
=460 + (20 10)
(460 + 20 10)
Suhu TH dan COP tergantung pada kuantitas udara sirkulasi dan kebutuhan refrigerasi. Nilai
maksimum COP diperoleh jika nilai suhu input dan output cooler sama. Ini akan menghasilkan
kecepatan sirkulasi yang tak terhingga atau kapasitas refrigerasi yang sangat kecil mendekati
siklus carnot. Jika sirkulasi udara bernilai tertentu maka nilai suhu masuk lebih besar
dibandingkan suhu keluar cooler.
Siklus kompresi uap
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 56
Jika proses ekspansi menggunakan turbine (expansion engine) maka nilai COP dihitung sebagai
berikut:
=1 4
(2 3) (1 4)
Jika proses ekspansi dilakukan menggunakan expansion valve yang berlangsung secara isentalphis
(3 = 4)maka nilai COP menjadi:
=1 42 1
Selain itu, kecepatan sirkulasi dari refrigerator perlu ditentukan untuk merancang dan menentukan
ukuran kompresor, kondensor , coil refrigerasi dan alat penunjang.
Alat refrigerasi dinyatakan dalam tons refrigerasi dimana 1 ton refrigerasi didefinisikan sebagai
kecepatan penyerapan panas sebesar 12.000 Btu/jam.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 57
Nilai kecepatan sirkulasi dinyatakan:
= (12.000
1 4)
Aplikasi sistem refrigerasi menggunakan vapor compression cycle diterapkan pada unit AC
ruangan dan AC mobil dengan ilustrasi sebagai berikut:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 58
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 59
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 8 (delapan)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (tiga belas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
Perbandingan Siklus Refrigerasi
Contoh soal
Sebuah refrigerator (ruangan dingin) ingin dijaga pada suhu 10 dan air pendingin tersedia pada
suhu 70. Asumsi bahwa coil ruangan dingin dan kondensor berukuran cukup dimana 10
approach masih dianggap realistis. Kapasitas refrigerasi didesain sebesar 10 tons. Untuk siklus
udara tekanan operasi sebesar 14,7 psia dan 60 psia. Freon-12 akan digunakan dalam mesin siklus
kompresi uap. Hitung COP dan m (kecuali pertanyaan a) untuk kasus berikut:
a. Siklus carnot
b. Siklus kompresi uap menggunakan expansion engine
c. Siklus kompresi uap menggunakan expansion valve
d. Mesin refrigerasi udara
Penyelesaian:
a. Siklus Carnot
=
=
460 + (10 10)
(460 + 70 + 10) (460 + 10 10)=
460
80= 5,75
b. Siklus kompresi uap menggunakan mesin ekspansi turbine
Karena Freon-12 digunakan maka nilai entalpi pada setiap kondisi ditentukan dari grafik 12.6.
dan Table 12-2
Tekanan pada kondensor (jenuh pada 80) adalah 99 psia.
1[ 0] = 77,3
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 60
1 = 0,169
.
2[99 1] = 88,3
3[ 99 ] = 26,4
Untuk menentukan kondisi 4 (pada tekanan 24 psia dan entropi S3 (99 psia dan cairan jenuh):
3 = 0,055
.
Campuran uap dan cairan pada kondisi 4 adalah
4 = 3 = 0,055 = 1 ()
Dimana x merupakan fraksi cairan pada kondisi D. Dengan logika yang sama:
4 = 1 ()
dan merupakan nilai entalpi dan entropi penguapan pada tekanan 24 psia.
4 = 1 (
)
(1 0,055)
4 = 77,3 4(0,169 0,055) = 77,3 460(0,169 0,055) = 24,9
Nilai COP:
=1 4
(2 3) (1 4)
=77,3 24,9
(88,3 26,4) (77,3 24,9)= 5,5
Kecepatan sirkulasi refrigerant:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 61
= (12.000
77,3 24,9) 10 = 2.300
c. Siklus kompresi uap menggunakan kran ekspansi
=1 42 1
=77,3 26,4
88,3 77,3= 4,6
= (12.000
77,3 26,4) 10 = 2.350
d. Jika udara sebagai refrigerant
1 = 460
3 = 460 + 80 = 540
Proses kompresi dan ekspansi berlangsung adiabatic maka:
2 = 1 (21
)
1
= (460) (60
14,7)
1,411,4
= 687
4 = 3 (12
)
1
= (540) (14,7
60)
1,411,4
= 361
Sehingga:
=
=
460
687 460= 2,0
= (12.000
(0,24)(460 361)) 10 = 5.000
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 62
Siklus COP m (lbm/jam)
Carnot 5,75
Kompresi uap (turbine) 5,5 2.300
Kompresi uap (EV) 4,6 2.350
Mesin refrigerasi udara 2,0 5.000
Pemilihan Media Refrigerasi
Selain faktor COP dan kecepatan sirkulasi, pemilihan jenis refrigerant merupakan hal yang penting
dalam sistem refrigerasi.
Faktor lain antara lain:
a. Karakteristik bahan (kurva P vs T, toksisitas, biaya, eksposiveness, korosi)
b. Bahan tidak boleh memiliki nilai PS subatmosferis potensi kontaminasi karena bocor
c. Tekanan uap tidak boleh terlalu tinggi karena biaya awal dan biaya operasi tinggi untuj
peralatan bertekanan tinggi
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 63
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 64
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 65
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 66
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 67
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 68
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 9 (sembilan)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (tiga belas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
Absorpsi Refrigerasi
Berlaku:
=
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 69
Heat Pump
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 70
Liquefaction Processes
Ada tiga cara:
a. Pendinginan pada tekanan konstan (alat HE)
b. Pendinginan melalui ekspansi di engine sehingga diperoleh kerja
c. Pendingin melalui kran ekspansi atau proses throttling
Berlaku:
+ 1 (1
) = 2
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 71
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 10 (sepuluh)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (tiga belas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
Korelasi antara sifat-sifat termodinamika
Untuk sistem tertutup berlaku:
=
Supscript t menerangkan energi dalam total untuk seluruh sistem yaitu untuk seluruh massa
sistem. Jika proses berlangsung reversibel maka:
=
=
=
=
Definisi:
= +
= + () = + +
= + +
= +
Definisi Helmholtz free energy:
=
= () =
=
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 72
Definisi Gibbs free energy:
=
= (TSt) = TdSt + VtdP
=
Sifat termodinamika untuk sistem fase tunggal
=
= +
=
=
Diferensiasi persamaan di atas diperoleh:
= (
)
+ (
)
= (
)
+ (
)
= (
)
(
)
= (
)
(
)
Sehingga diperoleh:
= (
)
= (
)
= (
)
= (
)
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 73
= (
)
= (
)
= (
)
= (
)
Persamaan Maxwell
Secara umum didefinisikan
= +
(
)
= (
)
Sehingga diperoleh:
(
)
= (
)
(
)
= (
)
(
)
= (
)
(
)
= (
)
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 74
Fugasitas, aktivitas dan kondisi standar
Fugasitas gas
Pada proses isothermal berlaku:
= ( = 0)
= 2
1
Untuk gas ideal nilai V dapat disubstitusi sebagai fungsi P yaitu
= /
=
2
1
= ln (21
)
Atau dapat dituliskan menurut rasio tekanan terhadap tekanan standar 0 sehingga dapat
dituliskan
= 0 = ln (
0)
Atau dalam bentuk energi gibs molar:
= 0 + ln (
0)
Untuk jenis gas riil (non-ideal) seperti missal persamaan van deer Waals:
( + )( ) =
Berlaku
= 0 + ln (
+
0 + ) ( 0)
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 75
Jika persamaan gas riil lebih kompleks akan diperoleh persamaan yang lebih rumit. Sehingga
untuk menyederhanakan persamaan tersebut yang berlu umum diusulkan konsep fugasitas, oleh
ilmuwan G.N. Lewis
= 0 + ln (
0)
Definisi persamaan fugasitas:
= ln
Dengan nilai
lim0
= 1
Persamaan untuk menghitung nilai fugasitas
Proses isothermal berlaku
=
Atau
= 2, 2, = 2
1
Jika kita tambahkan dan kurangkan suku
ke sisi kanan persamaan, diperoleh:
= 2, 2, = [
+ (
)]
2
1
= ln (21
) + (
)
2
1
Definisi:
= ln21
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 76
Sehingga
ln21
= ln (21
) + (
)
2
1
ln21
ln (21
) = (
)
2
1
ln(2/2)
(1/1)= (
)
2
1
Jika P1 0, f = P1 saat, f2 = f saat P2 = P (tekanan operasi) diperoleh:
ln(/)
(/)= (
)
2
1
ln
= (
)
2
1
Nilai Vm lebih mudah dinyatakan sebagai fungsi compressibility factor (Z):
=
ln
= (
)
2
1
ln
= (
1
)
2
1
Nilai Z dapat disubstitusi menggunakan persamaan virial sehingga penyelesaian persamaan
menjadi lebih mudah.
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 77
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 11 (sebelas)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 11 (tiga belas)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
Fugasitas fase terkondensasi murni
Defini fugasitas untuk fase terkondensasi murni (fc)
= ln
Dengan kondisi
lim0
= 1
Dimana merupakan potensi kimia dari fase terkondensasi. Pada kondisi keseimbangan
berlaku
=
ln = ln
=
Kesimpulan:
Fugasitas dari fase terkondensasi sama dengan fugasitas dari fase gas yang berkeseimbangan
dengannya.
Koefisien Fugasitas () Fluida Murni
Nilai koefisien fugasitas fluida murni ditentukan melalui 3 cara yaitu:
a. Data Eksperimen
Persamaan untuk menentukan nilai koefisien fugasitas:
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 78
ln = ( 1)
0
ln = (
1
)
0
Contoh: CO2 pada suhu 38 dan tekanan 13,79 bar
P (bar) Z
1 0,9964
5 0,9805
10 0,9607
20 0,9195
Nilai koefisien fugasitas menurut data, 2 = 0,95
b. Equation of State
Persamaan Peng-Robinson (PREOS):
3 + ( 1)2 + ( 32 2) + (3 + 2 ) = 0
ln = 1 ln( )
21.5ln [
+ (1 + 2)
+ (1 2)]
2 = 0,95 (38, 13,79 )
Untuk Multicomponent Mixture (campuran multikomponen)
Persamaan van de Waals
ln [
] = ln
= ln (( )
) +
2( + )
ln =
21.5[
2
=1
] ln [
+ (1 + 2)
+ (1 2)] +
( 1) ln( )
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 79
= 0,45724
[1 + (1
12)]
2
=
=1
=1
= = (1 )
= 0,07780
=
=1
3 + ( 1)2 + ( 32 2) + (3 + 2 ) = 0
Koefisien fugasitas campuran ideal ( > . )
Pendekatan Lewis
=
Yaitu koefisien fugasitas komponen i dalam campuran ideal nilainya sama dengan koefisien
fugasitas senyawa i murni diukur pada suhu dan tekanan yang sama.
Variasi fugasitas terhadap tekanan
Variasi fugasitas dapat dijabarkan dari definisi-definisi persaman di atas sebagai berikut:
( ln
)
=
1
(
)
=
Sehingga
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 80
( ln
)
=
ln 2
1
=
2
1
ln (21
) =
(2 1)
Dimana sisi kiri menunjukkan fugasitas uap yang dapat diganti dengan nilai tekanan uap
sedangkan sisi kanan menunjukkan tekanan total pada permukaan cairan. Oleh karenanya,
persamaan ini memberikan cara menghitung variasi tekanan uap terhadap perubahan tekanan total.
Aktivitas
Definisi persamaan fugasitas komponen i dalam campuran adalah
= ln
Jika diintegralkan menjadi
0
= ln
ln
ln
= 0 + ln (
)
Koefisien Aktivitas
=
= = ln
= ln
= ln
= (
)
,,
= ln
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 81
ln = (
)
,,
Menentukan nilai dan
1. 2-suffix Margules (simple, symmetric) untuk sistem biner
= 12
ln 1 = 22
ln 2 = 12
1 = exp (
(1 1)
2)
lim10
1 = exp (
) = 1
2. Assymetric models:
a. Three-suffix Margules
b. Van Laar (model lama tetapi masih cukup bagus dan mudah dalam kalkulasi)
c. Wilson (tidak cocok untuk keseimbangan cair-cair)
d. NRTL (Non-Random-Two-Liquid, biasanya bagus untuk tebakan awal)
e. UNIQUAC (Universal QUAsi-Chemical)
f. UNIFAC (Model prediksi)
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 82
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 83
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 84
Chemical Potential (potensi kimia -- )
Entropi merupakan fungsi jumlah partikel (osilator atau momen magnet) penyusun sistem. Jika
terdapat dua sistem yang dapat saling bertukar partikelnya berada pada kondisi kontak difusi
(diffusive contact) dan dapat mencapai kondisi keseimbangan difusi dengan cara mengatur
konsentrasi partikel pada kedua sistem hingga mencapai kondisi seimbang. Sistem dengan
konsentrasi partikel lebih banyak cenderung untuk mentransfer partikel ke sistem berkonsentrasi
rendah. Pada peristiwa ini terdapat parameter yang bisa diamati, yaitu potensi kimia (chemical
potential) yang identic dengan suhu dan tekanan pada sistem lain. Parameter ini merupakan
parameter dapat diamati yang mengkontrol kondisi sebuah sistem dalam keadaan keseimbangan.
Dua buah sistem A dan B mencapai kondisi keseimbangan pada suhu dan tekanan sama berlaku:
=
Potensi kimia () pada kondisi semua parameter lain konstan (U dan V) dinyatakan sebagai:
=
Dimana: pada kondisi seimbang = , faktor perkalian T menjadikan satuan potensi kimia
dalam satuan energi, tanda minus sebagai kompensasi nilai perubahan dari nilai tinggi ke rendah
seperti pada tekanan dan suhu.
Contoh nilai potensi kimia untuk gas ideal monoatomic mengikuti persamaan Sackur Tetrode.
Persamaan Sackur Tetrode:
= {ln [
(
4
32)
3/2
] +5
2}
=
= ( ln [
(
4
32)
3/2
])
Nilai potensi kimia untuk gas Helium (He) pada kondisi STP diperoleh = 0,3 .
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 85
Identitas Termodinamika
Entropi tergantung pada nilai U, V, dan N dapat didefinisikan:
=1
+
Atau
= +
Sehingga disimpulkan bahwa nilai U=U (S, V, N), jadi:
= (
)
,
Jika terdapat lebih dari satu spesies partikel dalam sistem kemudian dinotasikan Ni, i = 1, 2, 3,..
menunjukkan masing-masing spesies partikel. Identitas termodinamika menjadi:
= +
= + 11 + 22 +
-
FM-UII-AA-FKA-07/R1
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
Versi : 1 Revisi: 0 Page | 86
MATERI HANDOUT
Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke- : 12, 13, 14 (dua belas)
Jurusan/Program Studi : Teknik Kimia Handout ke- : 1 (satu)
Nama Mata Kuliah : Termodinamika 2 Jumlah Halaman : 48 (empat puluh delapan)
Kode Mata Kuliah : 52113405 Mulai Berlaku : Januari 2014
KESEIMBANGAN KIMIA DAN FASA
Halaman Sampul TTK 2Handout Termodinamika TK 2 rev ed 2015