![FE Termodinamika5 [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/fe-termodinamika5.jpg)
18 0 426 KB
TF-ITB
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA Lecture Note
Nugraha 12/1/2007
DAFTAR ISI
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
BAB 5 HUKUM KE-2 TERMODINAMIKA .......................................................................... 102 5.1 HUKUM KE II TERMODINAMIKA ................................................................................. 102 5.2 BEBERAPA DEFINISI ................................................................................................ 102 5.3 MESIN KALOR ...................................................................................................... 103 5.4 POMPA KALOR .................................................................................................. 104 5.5 PERNYATAAN-PERNYATAAN TENTANG HUKUM KE DUA TERMODINAMIKA ............................... 106 5.5.1 PERNYATAAN KELVIN-PLANCK ............................................................................ 106 5.5.2 PERNYATAAN CLAUSIUS .................................................................................... 106 5.6 SIKLUS CARNOT.................................................................................................... 108 5.6.1 PRINSIP CARNOT ............................................................................................ 108 5.7 SOAL TIPE FUNDAMENTALS OF ENGINEERING (FE) EXAM ................................................... 110 5.8 SOAL ESSAY ......................................................................................................... 112
101
Nugraha, TF-ITB
Bab 5 HUKUM KE-2 TERMODINAMIKA 5.1 Hukum Ke II Termodinamika
Gambar 5.1 Illustrasi hukum ke dua termodinamika Pada gambar 5.1 air panas melepaskan kalor ke kingkungan secara spontan, tetapi proses kebalikannya (air yang sudah dingin menjadi panas kembali) tidak dapat terjadi secara spontan Maka dalam termodinamika, selain hukum pertama termodinamika yang menjelaskan tentang kuantitas dan transformasi energi, maka ada hukum kedua termodinamika yang menjelaskan tentang kualitas energi serta degradasi energi selama proses. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa proses akan berlangsung pada arah tertentu. Semua proses harus memenuhi kedua hukum termodinamika seperti diillustrasikan pada gambar 5.2 dibawah ini.
Gambar 5.2 Illustrasi hubungan proses dan ke dua hukum termodinamika
Reservoar termal (Heat (thermal) reservoir) adalah sistem dalam keadaan setimbang yang cukup besar dimana sejumlah kalor dapat ditransfer ke dan dari reservoir tanpa merubah temperatur reservoir. Reservoar termal temperatur tinggi Reservoar termal temperatur rendah
sumber kalor. heat sink.
Reservoar kerja (Work reservoir) adalah sistem dalam keadaan setimbang yang cukup besar dimana sejumlah kerja dapat ditransfer ke dan dari reservoir secara adiabatik tanpa merubah tekanan reservoir. Siklus termodinamika adalah sistem yang menjalani suatu rangkaian proses dan akan kembali pada keadaan asalnya, sehingga properti dari sistem pada akhir proses akan sama dengan saat awal proses
Nugraha, TF-ITB
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
5.2 Beberapa Definisi
102
5.3 Mesin Kalor Mesin kalor adalah sistem termodinamika yang beroperasi secara siklus dimana sejumlah kalor di tranfer kepadanya dan sejumlah kerja dilakukannya seperti digambarkan pada gambar 5.3 dibawah ini.
Gambar 5.3 Mesin kalor Effisiensi termal (Thermal Efficiency, th) adalah indek performan dari peralatan penghasil kerja atau mesin kalor dan di definisikan sebagai rasio jumlah kerja output (hasil yang diinginkan) terhadap kalor input (biaya untuk mendapatkan hasil tsb). th
H a s il y g d iin g in k a n
(5.1)
In p u t y g d ip e r lu k a n
Untuk mesin kalor :
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
th
103
W n et ,o u t
(5.2)
Q in
W n e t , o u t W o u t W in
(5.3)
Q in Q n e t
(5.4)
Q n e t , in Q in Q o u t
(5.5)
Q n e t ,in W n e t ,o u t U 0
dU=0 karena siklus
W n e t ,o u t Q n e t ,in W n e t ,o u t Q in Q o u t
th
W n et ,o u t Q in
Q in Q o u t Q in
1
Q out Q in
(5.6)
Nugraha, TF-ITB
Peralatan siklus seperti mesin kalor, mesin refrigrasi, pompa kalor biasanya beroperasi diantara reservoir temperatur tinggi TH dan reservoir temperatur rendah TL seperti dillustrasikan pada gambar 5.4 dibawah ini.
Gambar 5.4 Illustrasi reservoar termal dan siklus termodinamika th 1
Q out Q in
(5.7)
5.4 POMPA KALOR Pompa kalor adalah sistim termodinamika yang beroperasi secara siklus yang mengambil kalor dari benda temperatur rendah dan memberikannya ke benda temperatur tinggi, seperti diillustrasikan pada gambar 5.5. Kalau pada mesin kalor unjuk kerja diukur dengan efisiensi termal, tapi pada pompa kalor unjuk kerja diukur melalui koeffisien performansi (Coefficient of Performance, COP) Coefficient of Performance, COP adalah indek performan dari refrigerator atau pompa kalor yang diekspresikan sebagai rasio hasil yang diinginkan terhadap input yang diperlukan. (COP > 1) H a s il y g d iin g in k a n In p u t y g d ip e r lu k a n
Gambar 5.5 Illustrasi pompa kalor Nugraha, TF-ITB
(5.8) BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
COP
104
Untuk pompa kalor yang berprilaku seperti refrigerator atau air conditioner, Fungsi utama dari alat tersebut adalah transfer kalor dari sistem temperatur rendah, output yang diinginkan adalah transfer kalor dari sistem temperatur rendah yang sebesar-besarnya (QL)
Gambar 5.6 Illustrasi Pompa kalor yang berperilaku sebagai refrigerator
Untuk sistem pompa kalor yang berperilaku sebagai refrigerator, seperti yang digambarkan pada gambar 5.6. Koeffisien performasi dinyatakan oleh persamaan : C O PR
QL
(5.9)
W n e t , in
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
Q n e t , in W n e t , o u t U 0
105
Q in
Q o u t W o u t W in
QL
QH
0 W in
0
0
W in Q H Q L
C O PR
QL
W n e t , in
QL QH QL
(5.10)
Untuk peralatan yang berprilaku seperti pompa kalor, fngsi utama dari alat tersebut adalah transfer kalor ke sistem temperatur tinggi. output yang diinginkan adalah transfer kalor ke sistem temperatur tinggi yang sebesar-besarnya, sehingga keffisien performasi dinyatakan oleh persamaan : C O PH P
QH W n e t , in
QH QH QL
C O PH P C O PR 1
(5.11) (5.12)
Nugraha, TF-ITB
5.5 Pernyataan-pernyataan tentang hukum ke dua termodinamika 5.5.1 Pernyataan Kelvin-Planck Suatu peralatan yang beroperasi secara siklus tidak mungkin bekerja jika hanya menerima kalor dari satu reservoir dan menghasilkan kerja
Gambar 5.7 Illustrasi pernyataan Kelvin-Planck
Jadi dari pada pernyataan Kelvin-Plank, effisiensi selalu lebih kecil dari 100% (th < 100%)
5.5.2 Pernyataan Clausius
Menurut pernyataan Clasius COP selalu lebih kecil dari tak terhingga atau COP < ∞.
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
Tidak mungkin membuat peralatan yang beroperasi secara siklus yang hanya mentranfer kalor dari benda temperatur rendah ke benda dengan temperatur yang lebih tinggi
Nugraha, TF-ITB
106
Gambar 5.8 Illustrasi pernyataan Clasius
Pelanggaran terhadap salah satu dari kedua pernyataan (Kelvin-Planck & Clausius) akan melanggar pernyataan yang lainnya
Gambar 5.9 Pelanggaran terhadap pernyataan Kelvin-Planck akan melanggar pernyataan Clasius
Perpetual-Motion Machines device yang melanggal HK-1 : perpetual-motion machine of the first kind. device yang melanggal HK-2 : perpetual-motion machine of the second kind. Proses Reversible adalah proses quasi-equilibrium atau quasi-static, yaitu proses dengan persyaratan yang sangat ketat
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
Proses Internally Reversible adalah proses quasi-equilibrium yang dapat di kembalikan lagi ke keadaan semula sehingga tidak meninggalkan perubahan pada sistem saja
107
Proses Totally atau Externally Reversible adalah proses quasi-equilibrium yang dapat kembalikan lagi ke keadaan semula sehingga tidak meninggalkan perubahan pada sistem dan lingkungan Proses Irreversible adalah proses yang tidak reversible. Semua proses yang nyata adalah proses irreversibel. Proses irreversibel terjadi karena : - Gesekan - Unrestrained expansion of gases - Perpindahan kalor melalui perbedaan temperatur - Campuran dua substansi yang berbeda - Efek hysteresis - Rugi-rugi daya listrik I2R - Semua penyimpangan dari proses quasi-static
Nugraha, TF-ITB
5.6 Siklus Carnot Nicolas Sadi Carnot (1769-1832) merupakan salah seorang yang mempelajari prinsip hukum ke dua termodinamika. Carnot yang pertama-tama memperkenalkan konsep operasi siklik dan membagi siklus reversible kedalam 4 proses reversibel yang terdiri dari 2 proses isothermal dan 2 proses adiabatic, seperti diperlihatkan pada gambar 5.10 dibawah ini
P 1 QH 2
TH
Wnet 4 QL
TL 3
v
Gambar 5.10 Siklus Carnot Siklus karnot terdiri dari 4 langkah proses, yaitu : 1. 2. 3. 4.
Process 1-2 : Reversible isothermal dengan penambahan kalor Process 2-3 : Reversible adiabatik ekspansi Process 3-4 : Reversible isothermal dengan pelepasan kalor Process 4-1 : Reversible adiabatik kompresi
Kebalikan dari proses siklus Carnot adalah proses siklus refrigrasi
sehingga untuk mesin carnot atau mesin reversible effisiensi termal menjadi:
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
5.6.1 Prinsip Carnot
Nugraha, TF-ITB
108
(a) Effisiensi mesin kalor irreversible selalu lebih kecil dari effisiensi mesin kalor reversible yang bekerja diantara dua reservoir yang sama th < th,Carnot (b) Effisiensi seluruh mesin kalor reversible yang beroperasi diantara dua reservoir yang sama akan memiliki effisiensi yang sama Berdasarkan prisnsip Carnot, Kelvin mendefinisikan temperatur Untuk mesin Carnot (mesin reversible) berlaku hubungan QL QH
TL TH
(5.13)
th 1
TL TH
(5.14)
Untuk peralatan kebalikan dari mesin Carnot (reversible pompa kalor dan reprigerator) harga COP menjadi : C O PH P
TH TH TL
(5.15)
dan C O PR
TL TH TL
(5.16)
Berdasarkan prinsip Carnot, maka effisiensi dan COP :
th
th , r e v
ir r e v e r s ib le h e a t e n g in e
th , r e v
r e v e r s ib le h e a t e n g in e
th , r e v
im p o s ib le h e a t e n g in e
ir r e v e r s ib le r e f r ig e r a to r
C O PR , r e v
r e v e r s ib le r e f r ig e r a to r
C O PR , r e v
im p o s ib le r e f r ig e r a to r
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
C O PR
C O PR , r e v
109
Nugraha, TF-ITB
5.7 Soal Tipe Fundamentals of Engineering (FE) Exam 1. Dua mesin kalor Carnot beroperasi secara serial dimana heat sink mesin pertama bekerja sebagai heat source bagi mesin kedua. Jika temperatur sumber kalor mesin kalor pertama adalah 1527 C dan temperature sink mesin kedua adalah 77 C dan effisiensi termal kedua mesin sama, berapa temperatur pada reservoir yang ada ditengahtengah kedua mesin?
(a) 1075 K (b) 794 K
(c) 1000 K
(d) 473 K
(e) 1258 K
2. Misalkan mesin kalor dan refrigerator Carnot beroperasi antara dua reservoir energi termal yang sama. Jika effisiensi termal mesin kalor adalah 0.80, berapa COP refrigerator ? (a) 1.25
(b) 0.20 (c) 0.25
(d) 0.80 (e) 2.50
3. Udara mengalir secara mantap melalui bagian pendingin dimana udara didinginkan oleh AC dari 30 C ke 15 C pada laju masa 0,25 kg/s. Jika COP rata-rata AC adalah 2.8 dan biaya listrik Rp. 1000 per kWh (1kWh= 1kWx1 jam), Berapa biaya listrik yang dikonsumsi AC per hari (dlm satu hari AC dinyalakan selama 16 jam) ? (a) Rp21536
(b) Rp168840 (c) Rp60300
(d) Rp15386 (e) Rp64607
4. Air panas yang diperlukan sebuah kantor dipenuhi dengan memanasi bak air dengan pompa kalor dari 16 C sampai 50 C pada laju masa rata-rata 0,2 kg/min. Jika COP pompa kalor adalah 2,8, berapa daya input yang diperlukan ? (b) 0.17 kW
(c) 0.041 kW
(d) 10.2 kW
(e) 1.33 kW
5. Vacuum cleaner 200 kW mendapat daya dari motor listrik yang memiliki effisiensi 70%. (Sebagai catatan motor listrik mengeluarkan daya total mekanik 200 kW untuk menjalankan vacuum cleaner). Berapa laju energi yang dibutuhkan motor listrik untuk menggerakan vacuum cleaner? (a) 140 W
(b) 200 W
(c) 286 W
(d) 360 W
(e) 86 W
6. Pompa kalor menyerap kalor dari luar pada 3 C dan mensupply kalor ke rumah pada 20 C pada laju 30000 kJ/h. Jika daya yang dikonsumsi oleh pompa kalor adalah 3 kW, berapa COP pompa kalor tersebut ? (a) 0,36
Nugraha, TF-ITB
(b) 1,18
(c) 16,2
(d) 2,78
(e) 17,2
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
(a) 1.33 kW
110
7. Siklus mesin kalor dieksekusi dengan menggunakan uap air pada kubah saturasi. Tekanan uap berada pada 2 MPa selama penambahan kalor, dan 0,1 MPa selama pembuangan kalor. Berapa effisiensi maksimum yang dapat dimiliki mesin kalor ini ? (a) 47%
(b) 95%
(c) 53%
(d) 100%
(e) 23%
8. Mesin kalor menerima kalor dari sumber pada 800 C dan melepaskan kalor ke sink pada 40 C. Jika kalor yang dibuang dari mesin ini pada laju 80 kJ/s, berapa daya maksimum yang dapat dihasilkan mesin kalor ini ? (a) 194 kW
(b) 1520 kW
(c) 80 kW
(d) 241 kW
(e) 128 kW
SOLUSI : 1. Eff1 = 1- TM / TH Eff2 = 1 - TL/ TM Eff1 = Eff2 1- TM /TH = 1 - TL/ TM (TH - TM)/ TH = (TM -TL)/ TM (1800 – TM)/1800 = (TM-350)/ TM TM2 = 1800*350 = 630000 TM = 794 K
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
2. Eff = 1 - TL/ TH= 0,8
111
TL/ TH= 0,2 , TL = 0,2 TH COPR = TL/ (TH- TL) = 0,2 TH / (TH- 0,2 TH) = 0,2 /0,8 = 0,25
3. COP=2,8, T1=30 C, T2=15 C, m = 0,25 kg/s, Harga = Rp. 1000 per-kWh, Cp=1.005 kJ/kg.C, t = 24*3600 s = 86400 s EAC=m*Cp*(T1-T2)*t/COP = 0,25 kg/s * 1.005 kJ/kg.C * (30 – 15)C * 86400 s/2,8 = 1.346 kJ Biaya = (EAC / 3600)* Harga = (1.346 kJ/3600)* Rp. 1000 = Rp21536
4. COP = 2,8, Cp = 4,18 kJ/kg-C, T1=16 C, T2=50 C m =0,2/60 = 0,003333 kg/s Nugraha, TF-ITB
QL=m*Cp*(T2-T1) = 0,003333 kg/s * 4,18 kJ/kg-C * (50 – 16) = 0,47 kW Win = QL/COP = 0,47 kW/2,8 = 0,17 kW
5. Eff = 0,70, Wvac = 0.2 kW E =Wvac/Eff = 0.2 kW/0,7 = 286 W
6. TL = 3 C, TH = 20 C QH = 30000/3600 = 8.33 kJ/s, Win = 3 kW COP = QH/Win = 8.33 kJ/s / 3 kW = 2,78
7. PH = 2000 kPa PL = 100 kPa Dari table diperoleh TH = 212,42 C TL = 99,63 C EffCarnot =1-(TL+273)/(TH+273) = 1- (372.63/485,42) = 0,23 = 23%
8. TH = 800 C, TL = 40 C, QL = 80 kW
COP=2.8
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
Eff = 1-(TL+273)/(TH+273) = 1 – (313/1073) = 0,71
Nugraha, TF-ITB
112
QH = QL/(1-Eff) = 80 kW/(1-0,71) = 275 kW Wout = Eff * QH = 275,86 kW * 0,71 = 194 kW
5.8 Soal Essay 1. Air panas yang dibutuhkan oleh suatu kantor dipenuhi dengan memanasi bak air dengan heat pump dari 16C ke 50C pada rate rata-rata 0.2 kg/min. Jika COP heat pump = 2.8, maka power input yang diperlukan adalah ?
Solusi :
Cp=4.18 kJ/kg-C T1=16 C T2=50 C mdot =0.2/60 kg/s = 0.0033 kg/s QL=mdot*Cp*(T2-T1) kW = 0.0033kg/s*4.18kJ/kg-C*(50-16)C=0.474kJ/s Win=QL/COP kW = 0.474kJ/s / 2.8 = 0.17 kW
2. Heat engine menerima kalor dari sumber pada 800C dan melepaskannya ke heat sink pada 40C. Jika kalor dibuang dengan rate 80 kJ/s, berapa power maximum yang dapat dihasilkan oleh heat engine ini ?
Solusi : TH=800 C, TL=40 C, QL=80 kW QH /QL =(TH)/( TL) QH=QL*TH /TL = 80 kW * (800+273)K/(40+273)K =274.25 kW th = 1- TL/TH = 1 - (40+273)K/(800+273)K
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
= 0.708
113
Wout=
th
QH =0.708*274.25 kW = 194.25 kW
3. Refrigerator dengan COP rata-rata 2.8 digunakan untuk mendinginkan well-insulated container yang dapat diekuivalenkan dengan mendinginkan 12 kg air dari 40C ke 10C. Refrigerator memerlukan daya listrik 400 W. Berapa lama waktu yang diperlukan untuk mendinginkan container tsb. ?
Solusi : COP=2.8, C=4.18 kJ/kg.C m=12 kg, T1=40 C, T2=10 C QL=m*C*( T1- T2) = 12 kg * 4.18 kJ/kg-C (40 – 10) C = 1504.8 kJ Win=0.4 kW Nugraha, TF-ITB
Win*t= QL/COP t = QL/(COP* Win) = 1504.8 kJ/(2.8*0.4 kJ/s) = 1343.6 s = 22.4 menit
4. Air-conditioner dengan COP rata-rata 2.5 pada suatu hari memerlukan daya listrik 15 kWh. Berapa kalor yang diambil AC pada hari itu ?
Solusi : Win =15*3600/1000 MJ, COP=2.5 QL =Win *COP MJ = 135 MJ
5. Heat engine beroperasi antara dua limit temperatur 1200C dan 300C. Jika rate kalor yang diberikan ke heat engine = 200 kJ/s, berapa power maximum output dari heat engine ini ?
Solusi : Qin =200 kW, TH =1200 C , TL =300 C th =1-(TL+273)/(TH+273) = 0.61
6. Air-conditioner mengambil kalor dari 20C ruangan pada rate 7200 kJ/h dan membuangnya ke 35C outdoor. Jika COP air-conditioner = 3, berapa daya listrik yang diperlukan air-conditioner ?
Solusi : TL =20 C , TH =35 C QL =7200/3600 kJ/s = 2 kJ/s COP=3 QL =Win *COP Win = QL/COP = 2 kJ/s / 3 = 0.67 kJ/s = 0.67 kW
Nugraha, TF-ITB
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
Wout =th *Qin = 0.61*200 kW = 122 kW
114
BAB 5 HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA | 12/1/2007
BUKU ACUAN 1. Cengel, Y.A. and Boles,M.A. , Thermodynamics – An Engineering Approach, 1998 5th Ed, McGraw-Hill, New York. 2. Kenneth W and Donnald E.R, Thermodynamics, 1999 6th Ed, McGraw-Hill, New York. 3. Schaum series, Thermodynamics with Mathcad, 2000, Schaum 4. Lindeburg, Engineering in Training Reference Manual, 2005 8th ed, Proffesional Pub.
115
Nugraha, TF-ITB
