II HUKUM THERMODINAMIKA I

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: 2.1. Konservasi Energi 2.2. Persamaan Bukan Aliran (Non Flow Equation) 2.3. Persamaan Aliran (Flow Equation)

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 1

2.1. Konservasi Energi Hukum konservasi energi (awal abad ke-19) : 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

…………………………. (2.1)

dimana  menunjukkan jumlah dari seluruh siklus Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 2

Contoh 2.1: Steam Power Plant Boundary

steam Boiler

Turbine

Qin

Wout

Condenser Win condensate Pump

Qo ut

Sebuah turbine uap menghasilkan kerja sebesar 1000 kW. Panas yang yang disediakan untuk boiler sebesar 2800 kJ/kg. Panas yang dibuang ke air pendingin di dalam condenser sebesar 2100 kJ/kg. Kerja yang diperlukan pompa untuk memompa kondensat menuju boiler sebesar 5 kW. Hitung kukus (steam) yang mengalir dalam siklus tersebut (dalam kg/detik)!


Thermo / II / 3

Penyelesaian Contoh 2.1 Panas bersih: dQ = 2800 – 2100 = 700 kJ/kg Anggap: steam yang mengalir adalah m kg/detik

 dQ  700

kJ kg kJ xm  700 m kg d etik d etik

Kerja bersih: dW = 1000 – 5 = 995 kW = 995 kJ/detik Hk TD-I: dQ = dW 995 kg 700 m  995  m   1.421 700 d etik

Jadi dalam siklus diperlukan steam 1,421 kg/detik Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 4

2.2. 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   Panas Bersih   Kerja Bersih           Energi Intrinsik   Yang Disediakan   Yang 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

Energi dalam suatu massa tertentu

U  m.u kJ

…………………………. (2.2)

Perubahan energi dari keadaan 1 ke keadaan 2, ditulis sebagai: U2 – U1, maka penambahan energi adalah: 2

2

1

1

U 2  U 1   dQ   dW

…………………………. (2.3)

• Persamaan ini berlaku untuk proses atau proses bukan aliran dari state-1 ke state-2: 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: Untuk non-flow process

Panas yang disediakan untuk sistem  Q (+) Kerja yang dihasilkan oleh sistem  W(+)


Qin(+)

Qout(–)

Wout(+)

Win(–) Thermo / II / 6

Non-flow eq.:

U 2  U1  Q  W

atau

Q  U 2  U1   W

…………………………. (2.4)

Untuk unit 1 kg:

Q  u2  u1   W

…………………………. (2.5)

Untuk perubahan sistem:

dQ  du  dW

…………………………. (2.6)

Persamaan tsb berlaku untuk proses reversible atau irreversible Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 7

Contoh 2.2.: Pada langkah kompresi sebuah internal combustion engine, panas yang terbuang (Qout) ke air pendingin sebesar 45 kJ/kg dan kerja yang diperlukan (Win) sebesar 90 kJ/kg. Hitung perubahan energi internal dari fluida, dan nyatakan apakah bertambah atau berkurang! Diketahui:

Qout = –45 kJ/kg Win = –90 kJ/kg

 membuang panas  memerlukan kerja

Maka: Q = (u2 – u1) + W (u2 – u1) = Q – W (u2 – u1) = (–45) – (–90) = –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

Contoh 2.3: Dalam silinder sebuah motor udara, udara bertekanan (compressed air) mempunyai energi internal sebesar 420 Kj/kg pada permulaan ekspansi dan 200 kJ/kg setelah ekspansi. Hitung aliran panas menuju atau dari silinder bila kerja yang dihasilkan oleh udara selama ekspansi adalah 100 kJ/kg. Diketahui:

u2 u1

= 200 kJ/kg = 420 kJ/kg Wout = 100 kJ.kg



menghasilkan

kerja maka Q = (u2 – u1) + W = (200 – 420) + 100 = –120 kJ/kg Jadi Panas yang DIBUANG oleh udara adalah 120 kJ/kg Tanda minus ( – ) pada Q, artinya sistem membuang/melepas panas Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 9

Untuk reversible non flow process 2

W   pdv

…………………………. (2.7)

dW  pdv

…………………………. (2.8)

1

atau

Jadi untuk setiap proses reversibel bukan aliran dQ = du +dW = du + p dv 2

Q  u 2  u1    p dv 1

…………………………. (2.9) …………………………. (2.10)

Pers. (2.9) dan (2.10) hanya berlaku untuk proses reversibel bukan aliran ideal. Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 10

2.3. Persamaan Aliran (Flow Equation) Energi internal fluida dikatakan sebagai energi intrinsik karena sifat termodinamika yang dimilikinya. Bila 1 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:

C2 u  Zg 2 Dimana:

C2 2

adalah energi kinetik 1 kg fluida

Zg

adalah energi potensial 1 kg fluida.


Thermo / II / 11

Pada sebagian besar masalah-masalah nyata, laju aliran fluida dalam sebuah mesin atau peralatan adalah konstan; Aliran ini disebut aliran tunak (steady flow). Pertimbangkan, 1 kg fluida mengalir dalam kondisi tunak (steady) melalui sebuah peralatan (lihat gambar). Sistem ini adalah sistem terbuka dengan inlet pada seksi 1 dan outlet pada seksi 2. Batas sistem ini disebut sebagai sebuah permukaan atur (control surface) dan sistem terbuka ini disebut sebagai volume atur (control volume) .


Thermo / II / 12

Inlet

+

Qin –

Boundary Z1 Wout

Outlet Z2

Datum

Panas masuk ke sistem sebesar Q, dan sistem menghasilkan kerja W Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 13

Inlet P1

A1 L

Energi untuk mendorong 1 kg fluida masuk ke inlet (1) adalah: P1 A1 L1 = P1 Vol. Elemen Fluida pada (1)

Elemen volume

= P1 v 1

…………………………. (2.11)

P1 = Tekanan pada inlet A1 = Luas penampang inlet L = Panjang elemen

Pada outlet, energi yang dibutuhkan adalah: P2 A2 L2 = P2 . Volume Elemen Fluida pada outlet (2) = P2 v 2


…………………………. (2.12)

Thermo / II / 14

Jadi kesetimbangan energi pada volume atur:

C12 C22 u1   Z1 g  p1v1  Q  u2   Z 2 g  p 2 v2  W 2 2

………. (2.13)

Entalpi (h) = jumlah dari energi internal dan pv Entalpi, h = u +pv

………. (2.14)

Substisusi pers (2.14) ke Pers (2.13)

C12 C22 h1   Z1 g  Q  h2   Z2 g  W 2 2

………. (2.15)

Pers (2.15) adalah persamaan energi pada aliran tunak (steady-flow energy equation)


Thermo / II / 15

Unit m2/s2 dan J/kg adalah ekuivalen Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 16

Pertimbangkan untuk setiap luas penampang A, dengan kecepatan C Laju alir volume = C . A

CA Laju alir massa = m  v volume m 3 Dimana: v   massa kg

………. (2.16)

 volume specific fluida

Pers. (2.16): pers. kontinyuitas (Continuity of mass equation): laju aliran massa selalu konstan dalam satu unit aliran.

C1 A1 C2 A2 m  v1 v2

Pers. kontinyuitas

………. (2.17)

m  1 C1 A1   2 C2 A2 Dimana:

massa kg   3  densitas fluida volume m


Thermo / II / 17

Contoh 2.4: Dalam sebuah turbin gas, gas mengalir melalui turbin sebesar 17 kg/s dan tenaga yang dikembangkan oleh turbin sebesar 14000 kW. Entalpi gas pada inlet sebesar 1200 kJ/kg dan pada outlet sebesar 360 kJ/kg. Kecepatan gas inlet dan outlet berturut-turut sebesar 60 m/s dan 150 m/s. Hitung panas yang dibuang dari turbin, dan luas penampang pipa inlet jika diketahui volume spesifik gas 0,5 m3/kg! Penyelesaian: C12 C22 h1   Q  h2  W 2 2 60 2 Nm kJ EK INLET   1800  1,8 2 kg kg EK OUTLET

150 2 Nm kJ   11250  11,25 2 kg kg


Gas in 1

Gas out 2 Wout

Qout boundary Thermo / II / 18

W

14000 kJ kJ  823,5 17 kg kg

1200  1,8  Q  360  11,25  823,5 Q = –7,02 kJ/kg Panas yang dibuang = 7,02 (kJ/kg) x 17 (kg/s) = 119,3 kW Luas Penampang inlet: m = C.A/v  A = v.m/C A1 = (0,5x17)/60 = 0,142 m2 Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY

Thermo / II / 19

II HUKUM THERMODINAMIKA I

Recommend Documents