EFEK P&T, TITIK KRITIS, DAN ANALISI TRANSIEN Oleh Rizqi Pandu Sudarmawan [0906557045], Kelompok 3 I. Efek P dan T terhadap Nilai Besaran Termodinamika Dalam topik ini, saya akan meninjau bagaimana efek P dan T, yang merupakan sifat intensif, terhadap h, u, dan v (sifat-sifat ekstensif), pada cairan terkompresi (compressed liquid). Compressed liquid atau juga disebut subcooled liquid adalah cairan yang memiliki temperatur di bawah temperatur jenuhnya pada tekanan tertentu. Cairan terkompresi juga dapat diartikan sebagai cairan yang memiliki tekanan di atas tekanan jenuhnya pada temperatur tertentu. Volume spesifik cairan terkompresi lebih kecil daripada volume spesifik cairan jenuh. Selain itu, entalpi cairan terkompresi juga lebih kecil daripada entalpi cairan jenuh. Berikut ini adalah contoh tabel menunjukkan sifat-sifat dari compressible liquid. Tabel 1. Properties of Compressed Liquid Water (Sumber: Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th ed, England: John Wiley & Sons, Inc, hal 728) Tampak dari tabel di atas, bahwa untuk proses pemanasan (T berubah) pada tekanan tetap (P konstan), nilai besaran-besaran termodinamika seperti v, u, dan h, meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Sedangkan untuk proses kompresi atau ekspansi (PV berubah) pada temperatur tetap (T konstan), nilai besaran-besaran termodinamika akan berubah sebagai berikut. 1
Kompresi: v dan u menurun seiring dengan kenaikan tekanan. Sedangkan h meningkat seiring dengan kenaikan tekanan. Ekspansi: v dan u meningkat seiring dengan penurunan tekanan. Sedangkan h menurun seiring dengan penurunan tekanan. Penjelasan di atas dapat diringkas dalam bentuk persamaan umum definisi kalor sesuai Hukum Pertama Termodinamika. (1) II. Efek Kedekatan terhadap Titik Tripel Titik tripel (tripel point) sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2, menunjukkan keadaan dimana fasa padat, cair, dan gas berada pada kesetimbangan termodinamika. Titik kritis (critical point) adalah titik dimana garis cairan jenuh (saturated liquid) dan garis uap jenuh (saturated vapor) bertemu. Perbedaan sifat cair dan gas mengecil dengan semakin dekat ke titik kritis, dan lenyap pada titik tersebut. Jika zat dimasukkan ke dalam wadah tertutup dan perlahan-lahan dipanaskan, akan terlihat suatu batas antara dua fase yang terbentuk (meniskus pada batas antara cair dan gas); pada titik kritis batas ini akan menghilang. Untuk tekanan di atas titik kritis, kita tidak lagi mungkin membedakan keadaan sebagai gas atau cair. Zat yang berada di luar titik kritisnya tersebut merupakan zat superkritis. Kurva pada Gambar 2, cenderung ke kanan; meningkatnya tekanan akan meningkatkan titik beku cairan. Dengan kata lain, pada suhu tetap, peningkatan tekanan menghasilkan pembentukan fase dengan kerapatan lebih tinggi (volume lebih kecil). Sedangkan, air dan beberapa zat lain memiliki kurva yang condong ke kiri seperti pada Gambar 1, yang menunjukkan bahwa meningkatnya tekanan menyebabkan padatan meleleh. Gambar 1. Phase Diagram from the 3D PVT Surface Model. (Sumber: myweb.loras.edu/.../...) 2
Gambar 2. Phase Diagram for substance that contracts on freezing. ((Sumber: Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th ed, England: John Wiley & Sons, Inc, hal 72) III. Analisis Transien Banyak peralatan atau sistem mengalami periode operasi transien di mana keadaannya berubah menurut waktu. Contohnya adalah saat menghidupkan dan mematikan (startup &shutdown) turbin, kompresor, motor. Ataupun sistem bejana atau tangki yang sedang diisi ataupun dikosongkan. Karena nilai sifat, laju perpindahan kalor dan kerja, serta laju aliran massa dapat berubah menurut waktu selama operasi transien, maka asumsi keadaan tunak (steady state) menjadi tidak tepat dalam menganalisisnya. Untuk kasus tersebut, digunakan neraca massa dan energi sebagai berikut. Neraca Massa Persamaan (2) menyatakan bahwa perbedaan jumlah massa yang berada di dalam volume atur sama dengan perbedaan antara jumlah total massa yang masuk dengan massa yang keluar. Neraca Energi Persamaan di atas merupakan persamaan neraca laju energi yang diintegrasikan dengan mengabaikan pengaruh energi kinetik dan potensial. 3
Dalam persamaan (3), Q cv merupakan jumlah energi netto yang dipindahkan oleh kalor ke dalam volume atur. W cv adalah jumlah energi netto yang dipindahkan oleh kerja, kecuali yang berupa kerja aliran. Integral yang ditulis dngan huruf merah menyatakan energi yang dibawa masuk dan energi yang dikeluarkan sistem. Untuk kasus di mana keadaan pada sistem saat masuk dan keluar adalah konstan terhadap waktu, maka persamaan (3) akan berubah menjadi Persamaan (3) dan (4) menyatakan bahwa perubahan dari jumlah energi yang berada di dalam volume atur sama dengan perbedaan antara jumlah total energi yang masuk dikurangi jumlah total energi yang keluar. Untuk kasus di mana sifat intensif zat yang berada dalam volume atur adalah seragam menurut posisinya (uniform with position) pada setiap saat, volume spesifik dan energi dalam spesifik akan uniform dan hanya akan tergantung terhadap waktu. Jadi, Gambar berikut adalah contoh kurva proses transien terhadap waktu. Kurva tersebut menunjukkan perbandingan kondisi operasi mesin diesel pada kondisi steady state dan pada kondisi operasi transien. Gambar 2. Comparison between transient and respective steady-state torque development during a load acceptance. (Sumber: www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/9781848823747-c1.pdf) 4
DAFTAR PUSTAKA H.C. van Ness, and M.M. Abbott, 1989. Schaum s Outline of Theory and Problem Thermodynamics, 2 th ed. New York: McGraw Hill. J.M. Smith, H.C. van Ness, and M.M. Abbott (SVA), 2001. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6 th ed. New York: McGraw Hill. myweb.loras.edu/.../... Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. 2006. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th ed, England: John Wiley & Sons, Inc www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/9781848823747-c1.pdf 5