Dosen: Dr. Ir. Adi Surjosatyo, M.Eng. Asisten: Hafif dafiqurrohman Sumber:

Dosen: Dr. Ir. Adi Surjosatyo, M.Eng. Asisten: Hafif dafiqurrohman Sumber: http://dosen.tf.itb.ac.id/~amoranto/ITENAS/Teknik%20Elektro/f2el% 20Termodinamika.ppt

TERMODINAMIKA  PROSES-PROSES TERMODINAMIKA  Proses Isobarik (1)  Tekanan konstan

 Proses Isotermis (2)  Temperatur kontan  Proses Adiabatis (3)  Tidak ada kalor yang hilang Proses Isokorik (4)  Volume konstan

HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA Selisih antara Kalor yang diberikan dan kerja yang dilakukan selalu sama untuk setiap proses

U  Q  W

U  U f  U i

Ui

= Energi dalam mula-mula

Uf

= Energi dalam akhir

U = Perubahan energi dalam sistem

Q

= Panas yang diberikan pada sistem

W = Kerja yang dilakukan oleh sistem

PROSES ISOKHORIK

 KERJA : Vf

W   pdV Vi

Vf  Vi

 W0

 KALOR

Q  nC V T  nC V (Tf  Ti )  PERUBAHAN ENERGI DALAM :

U  Q  W  U  nC V T n

= Jumlah mol

CV

= Kapasitas panas volume konstan

PROSES ISOBARIK  KERJA : Vf

W   pdV p  kons tan Vi

W  p( Vf  Vi )  p V  KALOR

Q  nC P T  nC P (Tf  Ti )  PERUBAHAN ENERGI DALAM :

U  Q  W  U  nC P T  pV pV  nRT  pV  nR T C P  C V  R  U  nC P T  nR T  nC V T R = Konstanta gas universal = 8.31 J/mol.K

CP = Kapasitas panas tekanan konstan

PROSES ISOTERMIS  KERJA : Gas Ideal : pV  nRT

T  kons tan

 p

nRT V

Vf

W   pdV Vi

 KALOR

Vf

nRT Vf W  dV  nRT ln V Vi Vi  PERUBAHAN ENERGI DALAM :

U  nC V T  KALOR :

Vf U  Q  W  Q  U  W  nC V T  nRT ln Vi

PROSES ADIABATIK  KERJA :

Adiabatik : pV   kons tan C p    CV  V Vf

Vf

Vi

Vi

W   pdV   CV   dV 1   1 Vf WC V Vi   1 C  Vf  1  Vi  1 1 



pV   C  p i Vi  p f Vf WC



CP  1 CV



C   1   1 W Vf  Vi 1 



pV   C  p i Vi  p f Vf





1 1    1    1 p f Vf  pi Vi  W p f Vf Vf  p i Vi Vi  1  1   PERUBAHAN ENERGI DALAM :

1 pf Vf  pi Vi  Q  0 U  Q  W  U  W   1

U  Q  W

W Isokhorik

0

Isobarik

p(Vf  Vi )

Isotermis Adiabatik

Vf nRT ln V1

1 pi Vi  pf Vf  1 

Q nC V T nC P T Vf nRT ln V1

0

U

nC V T nC V T

0 nC V T

TEORI KINETIK GAS MOLEKUL GAS

ENERGI DALAM

CV

Monoatomik He, Ne Diatomik O2, H2 Poliatomik

1.5 nRT

1.5 R

CV J/mol.K 12.5

2.5 nRT

2.5 R

20.8

3 nRT

3R

24.9

NH4

29.0

CO2

29.7

MESIN-MESIN KALOR

W  QH  QC

QC W QH  QC     1 QH QH QH

 = Efisiensi mesin kalor

MESIN-MESIN PENDINGIN

W  QH  QC

QC QC  W QC  COP    1 W W W

COP = Coefficient Of Performance mesin pendingin

Contoh Soal No. 1 Pada gambar di bawah ini ditunjukkan siklus proses-proses yang terjadi pada mesin diesel (gasoline internal combustion engine). a). Tentukan tekanan dan temperatur pada setiap keadaan (titik) dalam p1, V1 dan perbandingan panas jenis .

b). Hitung efisiensi dari mesin diesel ini Jawab :

a).

p1V1  nRT1

Titik 1 :

p1V1  T1  nR

p1V1 p1 , V1 , nR

1  2 : Proses isokhorik

p1V1  nR  kons tan T1 p1V1 p 2 V2  T1 T2 p 2  3p1

p 2 V2  T2  T1 p1V1

V2  V1

p1V1 T2  3T1  3 nR Titik 2 :

p1V1 3p1 , V1 , 3 nR

1  2 : Proses adiabatik

p 2 V2 p 3 V3  T2 T3  2

 3

p 2 V  p3V

p 3 V3  T3  T2 p 2 V2 

p 3  V2     p 2  V3 

 V2   V3  4V2  p 3  p 2   4V2  p 3  3(0.25)  p1 





  V2  V3 3 p V 12 ( 0 . 25 ) p1V1  1 1   T3    T2  (0.25) (4)  nR nR  V3  V2   p1V1 Titik 3 : 3(0.25) p1 , 4V1 , 12 (0.25) nR

3  4 : Proses isokhorik

p 3V3 p 4 V4  T3 T4 V4  V3

p 4 V4  T4  T3 p 3V3

p4  T4  T3 p3

4  1 : Proses adiabatik

 V1  p 4 V  p1V  p 4  p1    V4  V4  4V1  p 4  (0.25)  p1  4



 1

(0.25)  p1 12 (0.25)  p1V1  p1V1  T4   4(0.25)  3(0.25) p1 nR nR

p 3  3(0.25)  p1

p1V1 Titik 4 : (0.25) p1 , 4V1 , 4(0.25) nR 



b). Q 41  Q 23  0 Q12  nC V (T2  T1 ) Q 34  nC V (T4  T3 )

p1V1 Titik 1 : p1 , V1 , nR pV Titik 2 : 3p1 , V1 , 3 1 1 nR

p1V1 Titik 3 : 3(0.25) p1 , 4V1 , 12 (0.25) nR   p1V1 Titik 4 : (0.25) p1 , 4V1 , 4(0.25) nR 



p1V1 p1V1 p1V1 Q12  nC V (T2  T1 )  nC V [3  ]  2C V nR nR R pV pV pV Q 34  nC V (T4  T3 )  nC V [4(0.25)  1 1  12 (0.25)  1 1 ]  8(0.25)  C V 1 1 nR nR R

1 W12  W34  0 W23  ( p 3 V3  p 2 V2 ) 1  1 W41  ( p1V1  p 4 V4 ) 1 

p1V1 Titik 1 : p1 , V1 , nR

Titik 2 : 3p1 , V1 , 3

p1V1 nR

p1V1 nR   p1V1 Titik 4 : (0.25) p1 , 4V1 , 3(0.25) nR

Titik 3 : 3(0.25)  p1 , 4V1 , 12 (0.25) 

1 1 p1V1  W23  (p3V3  p 2 V2 )  [3(0.25) p1 4V1  3p 1 V1 ]  [12(0.25)   3] 1  1  1  1 1 pV W41  (p1V1  p 4 V4 )  [p1V1  (0.25)  p 1 4V1 ]  1 1 [1  4(0.25)  ] 1  1  1  p1V1 Wtotal  W12  W23  W34  W41  [2  8(0.25)  ]  1

p1V1 p1V1 p1V1 Q12  nC V (T2  T1 )  nC V [3  ]  2C V nR nR R pV pV pV Q 34  nC V (T4  T3 )  nC V [4(0.25)  1 1  12 (0.25)  1 1 ]  8(0.25)  C V 1 1 nR nR R

p1V1 [2  8(0.25)  ]  1 pV Q 34  Q C  8(0.25)  C V 1 1 R

Wtotal  W12  W23  W34  W41  Q12  Q H  2C V

p1V1 R

p1V1 [2  8(0.25)  ] W 1 R  1    [2  8(0.25)  ] pV QH   1 CV 2C V 1 1 R [2  8(0.25)  ] C p  C V [2  8(0.25)  ]   (   1)  [2  8(0.25)  ]  1 CV  1

  1.4    2  8(0.25)1.4  0.85

Contoh Soal No. 2 Pada gambar di bawah ini ditunjukkan siklus mesin kalor yang disebut mesin kalor Carnot. Mesin ini bekerja pada dua temperatur TH dan TC. Nyatakan efisiensinya dalam TH dan TC Jawab : a  b : Isotermis

Vb Wab  nRTH ln Va Vb U  0  Q H  nRTH ln Va c  d : Isotermis

Vd Wcd  nRTC ln Vc Vd U  0  Q C  nRTC ln Vc

b  c : Adiabatis

p b Vb  p c Vc p b Vb  nRTH

nRTH  pb  Vb

p c Vc  nRTC

nRTC  pc  Vc

nRTH  nRTC  Vb  Vc Vb Vc TH Vb 1  TC Vc 1

TH Vc 1    1 TC Vb

d  a : Adiabatis

p d Vd  p a Va p d Vd  nRTC

nRTC  pd  Vd

p a Va  nRTH

nRTH  pa  Va

nRTC  nRTH  Vd  Va Vd Va TC Vd 1  TH Va 1 

TH Vd 1   1 TC Va

TH Vc 1   1 TC Vb

TH Vd 1   1 TC Va

Vc Vd  Vb Va

Vb Vc  Va Vd



Vb Q H  nRTH ln Va



Vc 1 Vd 1   1  1 Vb Va

Vd Q C  nRTC ln Vc

Vd nRTC ln QC Vc TC   1  1  1 Vb QH TH nRTH ln Va

Efisiensi mesin Carnot

HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA  Tidak ada mesin kalor yang mempunyai efisiensi

lebih besar dari mesin kalor Carnot

 Tidak ada mesin pendingin yang mempunyai COP

lebih besar dari mesin pendingin Carnot

TC C  1  TH

TC COPC  TH  TC

Contoh Soal No. 3 Sebuah turbin pada suatu steam power plant mengambil uap air dari boiler pada temperatur 520oC and membuangnya ke condenser pada temperatur 100oC. Tentukan efisiensi maksimumnya. Jawab : Efisiensi maksimum = efisiensi Carnot

TC 373   1  1  0.53  53 % TH 793 Karena gesekan, turbulensi dan kehilangan panas Efisiensi aktual dari turbin disekitar 40 % Efisiensi teoritis dari mobil adalah disekitar 56 %.

Eefisiensi aktualnya hanya disekitar 25 %

Contoh Soal No. 4 Seorang inventor menyatakan bahwa ia telah mengembangkan sebuah mesin kalor yang selama selang waktu tertentu mengambil panas sebesar 110 MJ pada temperatur 415 K dan membuang panas hanya sebesar 50 MJ pada temperatur 212K sambil menghasilkan kerja sebesar 16.7kwh. Apakah saudara akan menginvestasikan uang saudara ? Jawab :

W 16 .7(360 )    0.55 6 Q H 110 x10

TC 212 C  1   1  0.49 TH 415

Efisiensinya > Efisiensi mesin Carnot  Jangan investasi

Contoh Soal No. 5 Sebuah mobil yang efisiensinya 22 % beroperasi pada 95 c/s dan melakukan kerja dengan daya sebesar 120 hp. a). Berapa kerja yang dilakukan mesin tersebut setiap siklus ? b). Berapa bayak kalor yang diserap dari reservoir setiap siklus ? c). Berapa banyak kalor yang terbuang setiap siklus

Jawab : a). Kerja setiap siklus :

120 (746 ) W  942 J 95

b).

W  QH

W 942  QH    4282 J  0.22

c).

QC  QH  W  4282  942  3340 J