29 Apr 2013

TERMODINAMIKA TEKNIK


TERMODINAMIKA

          Materi :
I.             Pengertian, aplikasi Termodinamika dan sistem satuan
II.         Properti Zat Murni
III.      Gas Ideal
IV.     Proses-proses Pada Gas Ideal
V.         Hukum Termodinamika I : Sistem Tertutup/ massa atur
VI.     Hukum Termodinamika I : Sistem Terbuka/ volume atur
VII.       Hukum Termodinamika II
VIII.    Heat Engines ( Mesin Kalor )

Refrensi :
·             Termodinamika Teknik
- William C. Reynolds dan Henry C. Perkins
·             Thermodynamics, An Engineering Approach
- Dr. Yunus A. Cengel dan Dr. Michael Boles
 
Evaluasi :
1. Quis
         2. UTS
3. UAS
  4. Tugas


I.      PENDAHULUAN
·           Termodinamika :
- ilmu yang membahas hubungan antara panas dan kerja.
     - mengkaji bentuk dan transformasi energi.

         Hubungan antara panas dan kerja             Energi

         Macam-macam Energi :
          - Energi Kimia
          - Energi Nuklir
          - Energi Listrik
          - Energi Gelombang Elektromagnetik
          - Energi Magnetik

         Sifat Energi :
          - Berubah bentuk : alami, rekayasa
     - Kekal ( tidak habis hanya berubah dari 1 bentuk ke bentuk lain )

         Aplikasi Termodinamika :
- Rekayasa proses konversi energi antara panas dan kerja
          - Mesin kalor : - Internal Combustion Engine
                                    - External Combustion Engine
          - Mesin pendingin



         Klasifikasi Energi :
          1. Menurut bentuknya : kimia, panas, kerja, listrik dll
          2. Menurut terjadinya :
              - Energi relatif / makro : - refrensi terhadap lingkungan
a) Energi potensial : posisi elevasi dalam medan gravitasi
                   b) Energi kinetik : gerakan dari massa pembawa energi
             - Energi absolut / mikro : timbul karena kondisi internal massa.
                  - Energi internal :
                  1. Energi sensibel : energi yang dikandung massa molekul.
Mengubah kecepatan gerak molekul, menjadikan molekul                   bergerak cepat.         
                   2. Energi laten : energi yang merubah struktur massa /                                           merubah fase.
                   3. Energi kimia : energi yang mengikat dan melepas atom-atom                           molekul.
                   4. Energi nuklir : ikatan dalam atom molekul yang tidak stabil                              terjadi perubahan massa, massa terlepas.

         Energi Potensial :   PE  =  m.g.z    ( Total )
     pe  =   g . z      (    /kg berat )
         Energi Kinetik :  KE =  
  ke =   (   /satuan massa )


         Energi Internal :  U
 u =     (   /satuan massa)
         Energi Total : E = U + KE + PE = U +  +  m . g . z
    

         Sistem Termodinamika :
- Suatu massa atau ruangan yang ditentukan untuk menjadi obyek analisis.
- Ada lingkungan luar sistem dan batas sistem.
 


Sistem
Termodinamika
 
Lingkungan
 
 

Panas
 
         



1)   Terjadi interaksi antara sistem dan lingkungan melalui batas sistem
( boundary )
2)   Tidak ada isolasi sempurna dalam alam



3)   Sistem termodinamika :
a.     Massa
b.    Panas           Menyeberangi batas system
c.     Kerja

1)   Sistem tertutup : - massa tidak bisa keluar – masuk sistem
 - kerja dan panas keluar masuk sistem
     2) Sistem terbuka : - massa, kerja, panas dapat keluar – masuk
m out
 
m in
 
Moving
Boundary
 
                                         sistem
 

                                                               
 


Sistem Tertutup
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                            
       Sistem Terbuka


·       Karakteristik yang menentukan sifat sistem disebut  properti , terdiri :
    1. Properti independent :
tekanan ( p ), temperatur ( T ), volume ( V ), viskositas/ kekentalan
( µ ), panas jenis ( c ); dll




    2. Properti tidak independent : diturunkan dari beberapa property
independent,  misalnya :      densitas     :   ρ =
                                                   volume spesifik : v =  =
·       Keadaan sistem : ditunjukkan oleh kuantitas dari properti.
·       Keadaan sistem seimbang (equilibrium) apabila kuantitas properti didalam seluruh bagian sistem sama.
Keadaan seimbang dapat ditunjukkan oleh kuantitas dari 2 properti independent.
·       Suatu sistem mengalami proses termodinamika apabila keadaan sistem
     mengalami perubahan kondisi seimbang satu ke keadaan seimbang lain.
Keadaan 2
 
 

·      
Proses 1 – 2

-         Jenis proses ditentukan oleh garis
lintasan, dari keadaan 1 – 2 dapat
ditempuh melalui lintasan/proses yang berbeda.

     -   Jenis proses :
     Isobaris : proses tekanan tetap
     Isotermis : proses temperatur tetap
     Isokhoris : proses volume tetap
     Adiabatis : proses tanpa adanya panas
                       keluar masuk sistem.
 
Lintasan
 
                          
 

  •  





















  • Keadaan 2
     
    Siklus Termodinamika : - gabungan beberapa proses, dimana keadaan akhir siklus kembali kepada keadaan awal.
·        
 


                                                  
Keadaan 1
 
Contoh : siklus otto, pada motor bakar
bensin
 
 





Adiabatis
 
2
 
1
 
V
 
                  



  • Sistem Satuan :
SI ( Satuan Internasional )
  • massa : kg
  • gaya : N ( Newton )
F = m . a                        1 N = 1 kg . m/det2

              - Energi / Kerja : W = F . L           1 Joule =  1 N.m          Kerja
                                                                       1 Watt = 1 J/det = 1 N.m/det      Daya
              - Panjang : meter
              - Waktu : detik
              Sistem Inggris :
·       massa : 1 lbm = 0,45359 kg
·       Panjang : 1 ft = 0,3048 m
·       Waktu : second
·       Gaya : 1 lbf = 32,174 lbm . ft/s2
·       Energi : 1 Btu (British thermal unit) = 1,055 KJ



  • Tekanan :
·       gaya yang bekerja pada satuan luasan.
P =   
1 Pa (Pascal) = 1
1 KPa = 103 Pa ; 1 MPa = 106 Pa
                   Sistem metrik (SI) : bar, atm, kg/cm2
                             1 bar = 1 kg/cm2 = 105 Pa = 100 KPa = 0,1 MPa
                             1 atm = 1,01325 bar = 101,325 KPa  = 76 cm Hg
                   Sistem Inggris : lbf/in2, Psi (Pound per square inch )
                             1 atm = 14,696 Psi
  • Pengukuran Tekanan
Untuk tekanan di atas Patm :

Pabs = Pgauge (mano) + Patm

Untuk tekanan di bawah Patm :

          Pabs = Patm - Pvacum
 
Pgage (mano)
 
 

Pvacum
 
Pabs = 0
 
Pabs
 
Pabs
 
Patm
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 
              Properti tekanan dalam thermodinamika adalah Pabs
  • Temperatur : merupakan indikator kandungan energi panas pada suatu media.
T (K) = T (0C) + 273,15
T (R) = T (0F) + 459,67
T (R) = 1,8 T (K)
T (0F) = 1,8 T (0C) + 32
Contoh :
1. Sebuah tangki diisi minyak dengan densitas  ρ = 850 kg/m3. Jika volume tangki  V = 2 m3, tentukan jumlah massa ( m)  minyak dalam tangki.
      Penyelesaian :
      Diketahui :   ρ = 850 kg/m3  ,    V = 2 m3
        Ditanya :  m
        Jawab :     m =  ρ .V =  (850 kg/m3 )(2 m3) = 1700 kg
2. Suatu pengukur tekanan vacuum dihubungkan ke suatu ruang dan terbaca 5,8 psi pada tempat dimana tekanan atmosfir 14,5 psi. Tentukan tekanan absolute dalam ruang tsb.
      Penyelesaian :
      Diketahui : Pvacuum = 5,8 psi   dan   Patm = 14,5 psi
      Ditanya :  Pabsolut
      Jawab :  Pabs = Patm – Pvacuum 
                    Pabs =  (14,5 – 5,8) psi
                        Pabs = 8,7 psi
3. Temperatur suatu gas adalah  -50C. Nyatakan temperatur itu dengan skala Fahrenheit dan skala Kelvin
      Penyelesaian :
      Diketahui : T0C = -50C
      Ditanya : T(0F)   dan T (K)
      Jawab :
                        T(0F)  = 1,8 T0C + 32 = 1,8 . (-5) + 32  = 230F
                        T (K)  =  T0C + 273,15 = (-5) + 273,15 = 268,15 K

                                   
    
Tugas :
1. Oksigen dengan massa 15 lbm mengisi suatu ruangan yang mempunyai volume 10 ft3. Tentukan volume jenis dan densitas dari oksigen dalam ruangan tersebut.
2.  Suatu tekanan pengukuran menunjukkan harga 90 KPa, jika tekanan atmosfer 1 atm. Tentukan tekanan absolut dalam psi.
3.  Selama proses pemanasan, temperatur suatu sistem bertambah 100C. Tentukan peningkatan temperatur tersebut dalam K, 0F dan R










           
Properti Zat Murni
·      Zat murni : mempunyai komposisi kimia yang tetap pada semua bagian dari volume total, dan komposisi fisik yang homogen. Contoh : O2, H2, N2, udara, CO2, air (H2O).
·     Semua zat / zat murni dapat berbentuk dalam phase : gas, cair, dan padat tergantung kepada keadaan propertinya. (perubahan fase timbul karena perbedaan energi dalamnya).
·     Proses perubahan phase zat murni : H2O
P
 
garis perubahan fase : cair - gas
 
 

                                                                                                                  
                                                                                                                                                                                                                                               
T
 
                  
·     Panas sensible : panas yang diberikan untuk meningkatkan kecepatan gerak molekul.
·     Panas laten : panas yang diberikan sesudah mencapai temperatur penguapan, untuk merubah fase dari cair menjadi gas. 

 



Cair
 
vg
 
vf
 
1
 
vfg
 
                                                                                                P2 > P1

 

1 – 2    ;   3 – 4  :  panas sensible
           2 – 3      :  panas laten 
1         2         3          4  :  proses isobaris
·      Titik kritis air (perubahan air menjadi uap kering) :
     T = 3730C  ,  P = 220 bar , v = 0,003155 m3/kg             
·     Tabel properti : data properti zat murni dalam lingkup analisis termodinamika misalnya : Tekanan (P), Temperatur (T), volume spesifik (v), Enthalpi (h), Energi dalam (u), Entropi (s)
·     Enthalpi : penjumlahan dari energi dalam dengan hasil kali tekanan dan volume sistem
·     Entropi : perbandingan antara panas dan temperatur dari sistem.



Ø Kondisi Properti :
1. Uap jenuh ( Saturated vapour ) / cair jenuh ( Saturated water )
     vf  (volume spesifik cair)
Tabel
Cair Jenuh
(Saturated
  Water)

 
                                                        m3/kg   ,      ft3/lbm    
     vg (volume spesifik gas)
     hf , hg                   kJ/kg  ,  Btu/lbm
     uf , ug                           kJ/kg   ,  Btu/lbm
     sf  , sg                           kJ/ (kg.K) ;  Btu/(lbm . R)
P
T
vf
vfg
vg
uf
ufg
ug
hf
hfg
hg
sf
sfg
sg















Untuk mencari nilai property yang lain ( vf, vfg, vg, uf, ufg, ug, hf, hfg, hg,
sf, sfg, sg, ), cukup diketahui Temperatur  atau Tekanan nya saja.

2.  Kondisi Campuran air dan uap
     vfg ( volume spesifik campuran cair dan gas )
     hfg (enthalpi  spesifik campuran cair dan gas)
     ufg (energi dalam spesifik campuran cair dan gas)
     sfg (entropi spesifik campuran cair dan gas)

Tabel
Cair Jenuh
(Saturated
  Water)

 
     vfg = vg – vf  (kJ/kg  ;  Btu/lbm)
     hfg = hg – hf  (kJ/kg  ;  Btu/lbm)
     ufg = ug – uf  (kJ/kg  ;  Btu/lbm)
     sfg = sg – sf    kJ/(kg.K)  ;  Btu/(lbm.R)

Ø Parameter kualitas campuran :  x =
                                                     mg = massa gas  ;       mf = massa fluida


Ø Pada titik 2             x = 0         ;           Pada titik 3             x = 1 
         (mg = 0% , mf = 100%)                      (mg = 100% , mf = 0% )


Ø vcampuran =        vf + x . vfg
         hcampuran =        hf + x . hfg

3. Uap Kering / Uap Panas Lanjut (Superheated water)
          v, u, h, s              Tabel Superheated water

T
P
v
u
h
S






Ø Untuk mengetahui nilai properti yang lain, harus diketahui nilai dari 2 properti.






Gas Ideal

Ø Dalam termodinamika, gas yang digunakan sebagai benda kerja dianggap sebagai gas ideal.
Ø Gas Ideal (sempurna) : gas dimana tenaga ikat atau gaya tarik antar molekul-molekulnya diabaikan dan molekul tidak menempati ruang.

Ø Pada Gas Real (sesungguhnya) : ada tumbukan antar molekul selama gerakan dan ada gaya tarik menarik antar molekul.
·       Molekul gas bergerak secara random dengan kecepatan tertentu.
·      
gas = P, V, T
 
P (tekanan) ditimbulkan oleh tumbukan terus  menerus molekul-molekul tersebut ke dinding.
·       T (temperatur) ditimbulkan oleh energi kinetis gerakan molekul.

Ø Gas ideal :
1.    Volume molekul <<< volume ruangan, tidak ada tumbukan antar molekul.
2.    Gaya tarik menarik antar molekul = 0.

Ø Gas dengan kerapatan kecil = gas ideal.

Ø Teori Kinetis Gas ( energi gerakan molekul gas) :
     P =
          P = tekanan yang terjadi
          n = jumlah molekul gas dalam satuan volume
          m = massa 1 mol gas
          ω = kecepatan gerak translasi molekul gas
PV = nV
nV = N = jumlah mol dalam volume V

PV =
Teori kinetik gas : a.T         PV =
                                      a = koefisien proporsionalitas
Pada gas dengan massa dan temperatur tetap :
          PV = constant
Pada tinjauan 1 mol gas :
          PVu =  
Dari definisi : Ru
Dengan : Ru = konstanta universal gas = 8,314 kJ/kg.mol.K ; 
                                                              = 8,314 kPa.m3/kg.mol.K         

 

P.Vu = Ru.T
Gas dengan massa tertentu :
          P = T                P.v = R.T
R = konstanta gas =
M = berat molekul gas (kg/kg.mol)
v = volume spesifik gas (m3/kg) 
Sehingga Persamaan Gas Ideal :
            PV = mRT
Dengan :
P = Tekanan gas ( kPa ; atm ; bar )
V = Volume total gas ( m3 ; ft3 )
m = massa gas ( kg ; lbm )
R = Konstanta gas ( kJ/kg.K)  ; (kPa . m3/kg.K)
T = Temperatur absolut gas ( K  ; 0R ) 
Pada jenis gas yang sama :
dengan massa yang sama :

           

Ø Pada Gas Ideal terdapat 4 macam proses perubahan keadaan:
1. Proses Isothermis : proses perubahan keadaan pada temperatur tetap.
P
 
                   P1 . V1 = P2 . V2             
 








2
 
P
 
2. Proses Isokhoris : proses perubahan keadaan pada volume tetap.
                   

 
1
 

 

 
 






P
 

 
3. Proses Isobaris : proses perubahan keadaan pada tekanan tetap.
                  
V
 

 
 




P
 
4. Proses Adiabatik : proses tanpa adanya panas keluar masuk sistem.
2
 
              P1.V1k = P2.V2k

1
 
 





Ø Persamaan Keadaan Gas Real (Gas Sesungguhnya) :
1. Persamaan Van der Waals.
     ( P +  ( v* – b ) = Ru . T
     Dengan : 
a  dan  b  = konstanta yang berbeda untuk tiap gas ( m3/kg.mol )2
     v* = volume spesifik berat molekul gas (m3/kg.mol)
          =  volume spesifik gas  x berat molekul gas
2. Persamaan Beattie Bridgeman.
     P =
     Dengan :
     A = A0 (1-
     B = B0 (1-
      S =
b, a, A0, B0 dan C adalah konstanta yang berbeda untuk masing-masing gas









HUKUM TERMODINAMIKA I
(Sistem Tertutup/Closed Sistem/Massa Atur)

Ø Sistem Tertutup : tidak ada massa keluar masuk sistem.
Fixed Volume
 
Variable Volume
 
 





Ø Hukum Termodinamika I : Energi tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lain
Ø Sistem Tertutup : Perubahan energi di dalam sistem sama dengan perubahan energi pada lingkungannya. Yaitu energi panas dan kerja
Ø Total enrgi sistem :  E = U + KE + PE

Ø Panas  : - deteksi temperatur  :  - Sifat pemuaian
                                                      - Sifat listrik
                 - Hanya bisa berpindah apabila ada perbedaan temperatur :
                    Temperatur tinggi                temperatur rendah
- Mekanisme Perpindahan Panas :   Konduksi, Konveksi dan Radiasi
          -  Satuan Panas :  kJ, MJ, Watt
Ø Kerja :  Satuan : kJ, MJ
W  =  F . S
W = Kerja (Joule) = ( N.m)
F = Gaya (N)    ;    S = jarak  (m)
Ø Macam –macam kerja :
1. Kerja Elektrik
          W = V I t
          W = Daya listrik (Watt)   V = tegangan (Volt) ; 
I  = kuat arus (A)        t = waktu (detik)
2. Kerja Mekanis :
Wb
 
2
 
a) Kerja akibat perubahan volume :
A
 
1
 
V, P
 
ΔS
 
                                        W = F . S     ;     P =      
                                                                  ΔS =       
                                        dW = P.A. = P . dV
2
 
1
 
P
 
                                        Wb =
V
 
Aw
 
                                        Wb = luasan Aw           
b) Kerja akibat perubahan kecepatan ( percepatan )
        W = F . S      ;     F = m.a
                                    a =  ;  S = v.dt
        dW = m .  = m.v.dv
        W1-2 =

c) Kerja akibat gaya gravitasi.
gravitasi  g
 
Z2
 
m
 
Z1
 
       W = F . S          ;    F = m . g                   dW = m.g.dZ                                          W1-2 = m.g.(Z2 – Z1)                                          
        d) Kerja Poros.
n
 
                                                    W = F . S
                                                Torsi   T = F . r           F =
                                                            S = 2r.n
                                                W =      
        e) Spring Work / Kerja Pegas.
F
 
                                                           F = k.x  ;  k = konstanta pegas
S
 
x
 
                                                          W = F . S =       
                                                                        =       

Ø  Hukum Termodinamika  I  merupakan  Prinsip Konservasi Energi.
Q
 
E = U + KE + PE
W
 


E
 
e = u + ke + pe
Panas  Q  = masuk sistem   ( + )
                     keluar sistem   ( - )       
Kerja  W  =  masuk sistem  ( - )
                      keluar sistem  ( + )
Ø  Sistem berubah dari keadaan 1  ke keadaan 2 dengan interaksi panas dan kerja dengan lingkungannya.

Ø     ΔE = Q – W              ;    ΔE =  ΔU + ΔKE + ΔPE
Q – W = ΔU + ΔKE + ΔPE    ............ ( kJ )
q – w = Δu + Δke + Δpe  ...................( kJ/kg )
Ø  Kerja persatuan waktu ( Daya )  :  
Panas persatuan waktu               :   
         
Ø  dQ – dW = dE
dq – dw = de

KAPASITAS PANAS :
Perbandingan antara banyaknya energi panas yang diberikan dengan kenaikan temperatur.
                             C =
                             c =                      dq = c.dT      


PANAS JENIS ( SPESIFIC HEAT )
Ø  Panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 unit massa benda sebesar satu derajat, Lambangnya :   c
Ø  Panas jenis pada volume konstan :  cv
dq – dw = du               
cv .dT = du                                    
Ø Panas jenis pada tekanan konstan :  cp
q – w = du
q – P. dV = du            cp . dT = du + P.dV = dh
h = enthalpy             cp .dT = dh                cp =    
Ø cp, cv  :  Properti zat.

Pada gas ideal  hubungan antara  h , u , cp , cv
Ø
h = u + R T
 
P v = R T                                                                                                  
h = u + P v                                               
Ø du = cv dT                 u2 – u1 = cv ( T2 – T1 )
dh = cp dT                h2 – h1 = cp  ( T2 – T1 )
Ø dh = du + R . dT
cp.dT = cv.dT + R.dT                  cp = cv + R
k =                 k = Perbandingan panas spesifik
Pada benda padat atau cair :   cp = cv = c















HUKUM TERMODINAMIKA I
( OPEN SYSTEM / SISTEM TERBUKA )
moving boundary
 
mo
 
mi
 
mo
 
mi
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    
Ø Selain panas dan kerja yang melewati boundary, ada massa dan energi yang masuk – keluar boundary.
Ø Massa yang masuk / keluar sistem : membawa energi panas  dan kerja aliran ( flow of work ).
Q
 
1. Keseimbangan massa dalam sistem.
W
 
mo1
 
                                                                             S mi - S mo = D mCV 
mi2
 
mCV
 
mi1
 
mo2
 
                                                                             S  -  S  =
                                                                            
vrata-rata
 
                                                                              = ri . vr . Ai
                                                                   vr = vrata-rata =        

Eo1
 
mo1
 
W
 
2. Keseimbangan Energi.
Eo2
 
mo2
 
Q
 
                                                        ,             Sistem tertutup : Q – W = DE    
ECV
 
Ei1, mi1
 
                                                        ,            Sistem terbuka :
Ei2, mi2
 
                                                                     Q – W + SEi - SEoDECV

Energi aliran pada massa masuk – keluar sistem.
P
 
                                                W = F . L = P . A . L = P . V
A
 
L
 
                                                w = P . v
                                                e = u + ke + pe  ( Stasioner ) / sistem tertutup
                                                q = P. v + u + ke + pe  ( Sistem terbuka )
                                                              h
                                                q = h + ke + pe  
                                                q = methalpy ;  Prof. J. Kestin , th. 1966
                                                q = h +





Kondisi Khusus dari Sistem Terbuka.
1. Steady Flow Process.
Ø S mi = S mo              D mCV = 0
Ø Properti didalam control volume = tetap.
Ø q , w  tidak berubah.
Keseimbangan massa : S mi = S mo
Keseimbangan energi :
q – w + S ( h + ke + pe )i - S (h + ke + pe )o = D ECV
        D ECV = 0          q – w = S ( h + ke + pe )o - S (h + ke + pe )i
                                   q – w = S ( h + o - S ( h + i
Energi Total : Q – W = S mi ( h + o - S mo ( h + i
S mi = S mo = m
Q – W = S mi { ( ho – hi ) + }




Ø
m
 
Untuk sistem dengan 1 inlet dan 1 outlet.
1
 
                              Q – W = m { ( h2 – h1 ) + }
m
 
2
 
                                   q – w =  { ( h2 – h1 ) + }
                                                Biasanya dalam mesin konversi energi :
                                                          ke, pe <<<  ( h2 – h1 ) , sehingga :
                                                          q – w = ( h2 – h1 )
                    Dalam bentuk persatuan waktu :
                   
                  
                   Aplikasi dalam peralatan mesin.
2
 
1
 
1. Nozzle dan Diffuser.
Nozzle :  energi              kecepatan
2
 
1
 
 
                             Diffuser : energi   tekanan                                         
                             Dalam nozzle dan diffuser :
                             1. Q » 0
                             2. W = 0
                             3. Z2 » Z1
                                    4. Nozzle :  v1 » 0
                             5. Diffuser :  v2 » 0
                             6. Δ ke ¹ 0  ;  Δpe » 0
                            
1
 
1
 
     2. Turbin dan Kompresor.
Kompresor
 
Turbin
 
2
 
WC
 
WT
 
2
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                q » 0 ,  Z1 = Z2 ,  Δ ke = 0 ,   Δpe = 0
                                         Daya
                             W = ( h2 – h1 )
                               ( Daya )                 



                   3. Throttling
- mesin pendingin : ekspansi untuk menurunkan temperature dengan menurunkan tekanan dan volume spesifik.
2
 
1
 
Liquid
 
Gas campuran
 
                                                                             q » 0 ,  w » 0 , Δh » 0
                                                                             Δke » 0 , Δpe » 0
                                                                             Δh = 0  ; h1 = h2
                                                                             u1 + p1 v1 = u2 + p2 v2
                                                                             u2 << u1                T2 << T1
Q
 
mi, qi
 
2. Aliran Unsteady : Transient.
mCV
 
W
 
         
ECV
 
mo, qo
 
                                                                                                                                                                   
          Keseimbangan massa :
                   S mi + S mo = D mCV                                      
                  
          Keseimbangan energi :
                   Q – W + S qi - S qoD ECV           = mi qi
q – w + S qi - S qoDeCV               = mo qo
                  
                      
          Aplikasi Unsteady Flow :
          1. Pada proses industri : tangki berbagai fluida.
          2. Proses yang tidak kontinyu.


                            
                                     








HUKUM TERMODINAMIKA II
Ø Hukum Termodinamika I : - kuantitas energi
Ø
Efisiensi konversi energi
 
Hukum Termodinamika II : - arah aliran energi
                                                  - kualitas energi
Ø Hukum Termodinamika II :
1. Pernyataan Kelvin – Planch : Tidak mungkin mengoperasikan suatu mesin kalor yang menghasilkan kerja dengan hanya berhubungan dengan satu reservoir, hth HE < 100 %.
2. Pernyataan Clausius : Tidak mungkin mengoperasikan suatu mesin kalor yang dapat memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa ada input kerja.

Ø Reservoir panas :  suatu massa yang mempunyai kandungan panas yang besar, sehingga apabila panas diambil atau diberikan secara terbatas, massa tersebut tidak mengalami perubahan temperatur.
Contoh : atmosfir, air laut, danau, dapur pembakaran.
 



Ø Mesin Kalor ( Heat Engines )
1.         
TH
 
Mengambil panas dari reservoir panas QH
HE
 
Wout
 
Qin = QH
 
2. Merubah sebagian panas tersebut menjadi kerja : Wout
Qout = QL
 
3. Membuang panas ke reservoir dingin : QL
     4. Proses tersebut berlangsung secara siklus.
TL
 
 


Ø
 Qin
 
Contoh Mesin Kalor : Sistem Tenaga Uap
 






          Catatan : Yang bersirkulasi dalam siklus adalah fluida kerja
          Efisiensi Sistem Tenaga Uap :
                   hthermal =  = 1 -
         
Dalam Sistem Tenaga Uap :
Wnet = Wout - Win         
Dengan :    Qin » QH     ;     Qout » QL   sehingga :
          hth =

Ø Mesin Pendingin ( Refrigerator ) dan Mesin Pemanas ( Heat Pump )
- Mesin Pendingin : mengambil panas ( QL ) dari reservoir dingin.
- Mesin Pemanas  : memberikan panas ( QH ) ke reservoir panas.
 











                   hth =
          Refrigerator :
                   COPR =
                   COPR =   >  1
          Heat Pump :
                   COPHP =
                   COPHP =   >  1

T – S Diagram Mesin Pemanas dan Pendingin.
 







Siklus Carnot.
P
 
                                                          Siklus Heat Engines Carnot
3
 
                                                          1         2 : Proses kompresi isothermis
4
 
QH
 
reversibel
2
 
1
 
Win
 
Wout
 
QL
 
                                                          2          3 : Kompresi adiabatis reversibel                                                         3           4 : Ekspansi isothermis reversibel
V
 
                                                          4           1 : Ekspansi adiabatis reversibel
          Proses reversibel : suatu proses yang dapat dibalik arahnya, tanpa
efek pada system dan/atau lingkungannya.           Proses ideal.
          Reversibel internal : tidak ada efek pada sistem.
          Reversibel external : tidak ada efek pada lingkungan.
          Reversibel total : tidak ada efek pada sistem dan lingkungan.
          Irreversibel ( aktual ) : ada efek pada sistem dan lingkungan.

Prinsip Termodinamika Carnot.
1.    Efisiensi dari mesin kalor dengan proses irreversibel selalu lebih rendah dari mesin kalor proses reversibel, apabila beroperasi pada kondisi reservoir panas dan dingin yang sama.
2.   
TH
 
Dua mesin kalor dengan proses reversibel yang beroperasi pada kondisi reservoir panas dan dingin yang sama maka efisiensinya sama.
 







hth HE reversibel = 1 - =  1 -
Kualitas energi
 
- Kalor TH tinggi              hth = >
- Kalor TH rendah            hth = <
Ø Mesin Refrigeration (reversibel) :
COPR
                   COPHP =

PROSES –PROSES GAS IDEAL
1. PROSES ISOKHORIS / ISOVOLUMETRIS ( Proses pada volume konstan ).
Hubungan P-V-T :
                     
                   
                    V1 = V2 = V   sehingga  atau    
Kerja yang dilakukan pada sistem : 
W =
                    Karena  V = konstan, maka dV = 0  sehingga
W = 0
Panas yang masuk keluar sistem :
                   Q = U2 – U1 + W , karena W = 0, maka
                    Q = U2 – U1
                    dQ = dU = m.cv.dT
                    Q = m.cv.= m.cv.(T2 – T1)
                    Menurut persamaan gas ideal, berlaku hubungan :
                    T1 =   dan  T2 =
                    Substitusi :
                    Q = m.cv.
                    Q =  
                   Q =

2. PROSES ISOBARIS ( Proses pada tekanan konstan ).
          Secara umum untuk gas ideal berlaku hubungan :
                     
                  
          Karena P1 = P2 = P, maka
                  
          W =
          Pada proses isobaris, tekanan ( P ) adalah konstan, maka
          W = P (V2 – V1)

          dQ = dU + dW = m cv dT + P dV
          Q = m cv (T2 – T1) + P (V2-V1)
    = m cv (T2 – T1) + mR (T2-T1) = m (cv + R) (T2-T1)
          Nilai cv + R = cp, sehingga diperoleh
          Q = m cp ( T2 – T1 )
          Jika T1 = PV1/mR dan T2 = PV2/mR, maka diperoleh
          Q = m cp
          Q =  =  =
          Q =

3. PROSES ISOTHERMIS ( Proses pada temperatur konstan )
           
                    T1 = T2 = T
          P1 V1 = P2 V2  atau  P V = konstan
          W =
          P =
          W =  = mRT
          W = mRT ln
         
          dQ = dU + dW
               = m cv dT + PdV                dT = 0  sehingga
          dQ = dW = PdV
          Q = W = mRT ln
         
4. PROSES ADIABATIS ( Proses tidak ada panas keluar masuk sistem )
          dQ = dU + dW                 dQ = 0
          dU + dW = 0
          dW = - dU
          dW = P dV     ;  dU = m cv dT
          P dV = - m cv dT
          Dari persamaan gas ideal diperoleh bahwa :
          P V = m R T
          d (PV) = d (mRT)
          P dV + V dP = m R dT
          dT =  
          Substitusi :
          P dV = - m cv
          P dV =
           + PdV = 0
          cv (PdV + VdP) + PdV (cp - cv) = 0
          cv PdV + cv VdP + cp PdV – cv PdV = 0
          cv VdP + cp PdV = 0
         
         
          Nilai cp/cv = k, maka
         
         
          ln P + k ln V = ln C
          ln P + ln V k = ln C
          ln P Vk = ln C
          P Vk = konstan                        ( Hukum Poisson I )
          Dari persamaan gas ideal diperoleh
          P =
         
          T Vk-1 =
          T V= konstan                  ( Hukum Poisson II )       
          Dari persamaan gas ideal :
          V =  
          P = C
          Tk P1-k =
         
          T P(1-k)/k= konstan                 ( Hukum Poisson III )
 

          Q = 0
          W =
P Vk = C            P1 V1k = P2 V2k
          P =      
          W =                                               
               = C  = [CV21-k – CV11-k]
substitusi nilai C = P1 V1k = P2 V2k
          W =  [P2 V2 - P1 V1]
          W =

5. PROSES POLITROPIS ( Proses pada Panas Jenis konstan )
          Panas jenis konstan disimbolkan dengan cn ( panas jenis politropis )
          dQ = m cn dT
          Dari Hukum Termodinamika I
          dQ = dU + dW
          dQ = m cv dT + P dV
          m cn dT = m cv dT + P dV
          m ( cn – cv ) dT = P dV
          Dari persamaaan gas ideal :
P V = m R T
          d (P V) = d (m R T)
          PdV + VdP = mRdT
          dT =  
          substitusi :
          m ( cn – cv )  = P dV
          ( cn – cv ) ( PdV + VdP ) = R P dV
          Nilai cp – cv = R, sehingga
          ( cn – cv ) ( PdV + VdP ) = (cp – cv) P dV
          cn PdV + cn VdP – cv PdV – cv VdP = cp PdV – cv PdV
          cn PdV – cp PdV + cn VdP – cv PdV = 0
          (cn – cp) PdV + (cn – cv) VdP = 0
          + VdP = 0
          Besaran = n   yaitu eksponen politropis, sehingga
          n P dV + V dP = 0
          n        
         
          ln Vn + ln P = ln C
          ln P Vn = ln C
          P V= konstan
          Dari persamaan gas ideal diperoleh hubungan :
          P =
         
          T Vn-1 =
          T Vn-1 = konstan
          Dari persamaan gas ideal
          V =
          P
          Tn Pn-1 =  = konstan
           
          T P(1-n)/n = konstan
          Dari hubungan
          P Vn = konstan
Ø Bila n = 1
P V = konstan            didapat Proses Isothermal
Ø Bila n = 0
P V0 = konstan         didapat Proses Isobarik
Ø Bila n = ~
P V~ = P1/~ V = P0 V = konstan
V = konstan            Proses Isokhoris
Ø Bila n = k
P Vk = konstan           Proses Adiabatis

          W =
          P Vn = C = P1 V1n = P2 V2n
          P =
          W =
               = C           =
               =  
           W =
         

          dQ = m cn dT
          Q = m cn (T2 – T1)
          cn =
          Q = m  (T2 – T1)
          T2 =    dan  T1 =    
          Q = m  = (P2V2 – P1V1)
          Q =  W = W
          Q =  W
            
          Tinjauan untuk harga cn
          cn = cv  
Ø n = 0 maka cn = cp yaitu panas jenis pada proses isobaris
Ø n = ~  maka cn = cv yaitu panas jenis pada proses isokhoris
Ø n = 1  maka cn = ~ yaitu merupakan proses isothermis
Ø n = k  maka cn = 0 yaitu merupakan proses adiabatis