II HUKUM THERMODINAMIKA I

Transkripsi

1 II HUKUM THERMODINAMIKA I Tujuan Instruksional Khusus: Mahasiswa mampu menjelaskan hukum thermodinamika I tentang konservasi energi, serta mampu menyelesaikan permasalahan-permasalahan yang berhubungan dengan persamaan bukan-aliran (non-flow equation) dan persamaan aliran (flow equation) Materi:.. Konservasi Energi.. Persamaan Bukan Aliran (Non Flow Equation).3. Persamaan Aliran (Flow Equation) Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II /

2 .. Konservasi Energi Hukum konservasi energi (awal abad ke-9) : Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tapi dapat berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya. Jumlah energi total adalah konstan Hukum Termodinamika I dapat dinyatakan sebagai berikut: Bilamana suatu sistem menjalani suatu siklus termodinamika maka panas bersih yang disediakan untuk sistem dari lingkungannya adalah sama dengan kerja bersih yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya. dq dw. (.) dimana menunjukkan jumlah dari seluruh siklus Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II /

3 Contoh.: Steam Power Plant Pump Boiler Q in W in B o u n d a r y Sebuah turbine uap menghasilkan kerja sebesar steam 000 kw. Panas yang yang disediakan untuk boiler Turbine sebesar 800 kj/kg. Panas W out yang dibuang ke air pendingin di dalam condenser sebesar 00 Condenser kj/kg. Kerja yang diperlukan pompa untuk memompa condensate Q o kondensat menuju boiler ut sebesar 5 kw. Hitung kukus (steam) yang mengalir dalam siklus tersebut (dalam kg/detik)! Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 3

4 Penyelesaian Contoh. Panas bersih: dq = = 700 kj/kg Anggap: steam yang mengalir adalah m kg/detik kj kg dq 700 x m 700 kg detik m kj detik Kerja bersih: dw = = 995 kw = 995 kj/detik Hk TD-I: dq = dw m 995 m kg detik Jadi dalam siklus diperlukan steam,4 kg/detik Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 4

5 .. Persamaan Bukan Aliran (Non Flow Equation) Untuk siklus lengkap, panas yang disediakan sama dengan kerja yang dihasilkan, sehingga energi intrinsik akhir sama dengan energi intrinsik awal. Sekarang pertimbangkan sebuah proses dimana energi intrinsik akhir sistem lebih besar dari pada energi intrinsik awal. Perbedaan antara panas bersih yang disediakan dan kerja bersih yang dihasilkan akan menambah energi intrinsik sistem. Tambahan Energi Intrinsik Panas Yang Bersih Disediakan Kerja Yang Bersih Dihasilkan * Bila efeknya memindahkan energi dari sistem, maka sistem akan kehilangan energi intrinsik. * Bila fluida tidak bergerak, maka energi intrinsik dikenal sebagai energi dalam, u. Energi dalam suatu fluida tergantung pada tekanan, suhu, dan sifat (property) sistem. Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 5

6 Energi dalam suatu massa tertentu U m. u kj. (.) Perubahan energi dari keadaan ke keadaan, ditulis sebagai: U U, maka penambahan energi adalah: U dq dw U. (.3) Persamaan ini berlaku untuk proses atau proses bukan aliran dari state- ke state-: menuju atau keluar sistem. Untuk non-flow process, hanya ada panas yang disediakan atau panas yang dibuang, tidak keduanya, demikian juga untuk kerja. Maka dibuat kesepakatan: Panas yang disediakan untuk sistem Q (+) Kerja yang dihasilkan oleh sistem W(+) Untuk non-flow process Q in (+) Q out ( ) W out (+) W in ( ) Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 6

7 Non-flow eq.: U Q U Q W U U W atau. (.4) Untuk unit kg: Q u u W. (.5) Untuk perubahan sistem: dq du dw. (.6) Persamaan tsb berlaku untuk proses reversible atau irreversible Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 7

8 Contoh..: Pada langkah kompresi sebuah internal combustion engine, panas yang terbuang (Q out ) ke air pendingin sebesar 45 kj/kg dan kerja yang diperlukan (W in ) sebesar 90 kj/kg. Hitung perubahan energi internal dari fluida, dan nyatakan apakah bertambah atau berkurang! Diketahui: Q out = 45 kj/kg membuang panas W in = 90 kj/kg memerlukan kerja Maka: Q = (u u ) + W (u u ) = Q W (u u ) = ( 45) ( 90) = = 45 kj/kg Jadi PENAMBAHAN Energi Internal = 45 kj/kg Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 8

9 Contoh.3: Dalam silinder sebuah motor udara, udara bertekanan (compressed air) mempunyai energi internal sebesar 40 Kj/kg pada permulaan ekspansi dan 00 kj/kg setelah ekspansi. Hitung aliran panas menuju atau dari silinder bila kerja yang dihasilkan oleh udara selama ekspansi adalah 00 kj/kg. Diketahui: u = 00 kj/kg kerja maka u = 40 kj/kg W out = 00 kj.kg menghasilkan Q = (u u ) + W = (00 40) + 00 = 0 kj/kg Jadi Panas yang DIBUANG oleh udara adalah 0 kj/kg Tanda minus ( ) pada Q, artinya sistem membuang/melepas panas Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 9

10 Untuk reversible non flow process W pdv. (.7) atau dw pdv. (.8) Jadi untuk setiap proses reversibel bukan aliran dq = du +dw = du + p dv. (.9) Q u u p dv. (.0) Pers. (.9) dan (.0) hanya berlaku untuk proses reversibel bukan aliran ideal. Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 0

11 .3. Persamaan Aliran (Flow Equation) Energi internal fluida dikatakan sebagai energi intrinsik karena sifat termodinamika yang dimilikinya. Bila kg fluida dengan energi internal u, bergerak dengan kecepatan C dan dengan ketinggian Z di atas datum level, maka ia akan memiliki energi total sebesar: C u Zg Dimana: C Zg adalah energi kinetik kg fluida adalah energi potensial kg fluida. Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II /

12 Pada sebagian besar masalah-masalah nyata, laju aliran fluida dalam sebuah mesin atau peralatan adalah konstan; Aliran ini disebut aliran tunak (steady flow). Pertimbangkan, kg fluida mengalir dalam kondisi tunak (steady) melalui sebuah peralatan (lihat gambar). Sistem ini adalah sistem terbuka dengan inlet pada seksi dan outlet pada seksi. Batas sistem ini disebut sebagai sebuah permukaan atur (control surface) dan sistem terbuka ini disebut sebagai volume atur (control volume). Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II /

13 Inlet + Q in Boundary Z W out Outlet Z Datum Panas masuk ke sistem sebesar Q, dan sistem menghasilkan kerja W Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 3

14 Inlet P A L Elemen volume Energi untuk mendorong kg fluida masuk ke inlet () adalah: P A L = P Vol. Elemen Fluida pada () = P v. (.) P = Tekanan pada inlet A = Luas penampang inlet L = Panjang elemen Pada outlet, energi yang dibutuhkan adalah: P A L = P. Volume Elemen Fluida pada outlet () = P v. (.) Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 4

15 Jadi kesetimbangan energi pada volume atur: W v p g Z C u Q p v g Z C u. (.3) Entalpi (h) = jumlah dari energi internal dan pv Entalpi, h = u +pv. (.4) Substisusi pers (.4) ke Pers (.3) Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 5 Substisusi pers (.4) ke Pers (.3) W g Z C h Q g Z C h. (.5) Pers (.5) adalah persamaan energi pada aliran tunak (steady-flow energy equation)

16 Unit m /s dan J/kg adalah ekuivalen Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 6

17 Pertimbangkan untuk setiap luas penampang A, dengan kecepatan C Laju alir volume = C. A Laju alir massa = Dimana: v m volume massa C A v 3 m kg. (.6) volume specific fluida Pers. (.6): pers. kontinyuitas (Continuity of mass equation): laju aliran massa selalu konstan dalam satu unit aliran. m m CA v C A v C A C A Pers. kontinyuitas. (.7) Dimana: massa kg 3 volume m densitas fluida Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 7

18 Contoh.4: Dalam sebuah turbin gas, gas mengalir melalui turbin sebesar 7 kg/s dan tenaga yang dikembangkan oleh turbin sebesar 4000 kw. Entalpi gas pada inlet sebesar 00 kj/kg dan pada outlet sebesar 360 kj/kg. Kecepatan gas inlet dan outlet berturut-turut sebesar 60 m/s dan 50 m/s. Hitung panas yang dibuang dari turbin, dan luas penampang pipa inlet jika diketahui volume spesifik gas 0,5 m3/kg! Penyelesaian: C C h Q h W Gas in Gas out 60 Nm kj EK INLET 800,8 kg kg EK OUTLET Nm kg,5 kj kg Q out boundary W out Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 8

19 W 4000 kj 83, 7 kg 5 kj kg 00,8 Q 360,5 83,5 Q = 7,0 kj/kg Panas yang dibuang = 7,0 (kj/kg) x 7 (kg/s) = 9,3 kw Luas Penampang inlet: m = C.A/v A = v.m/c A = (0,5x7)/60 = 0,4 m Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / II / 9