BAB 7 HUKUM KEDUA TERMODINAMKA
7.1 7.1
TUJU TUJUAN AN INST INSTRU RUKS KSIO IONA NAL L KH KHUS USUS US
Mahasiswa mampu menghitung efisiensi termal pada proses transformasi energi.
7.2
PENDAHULUAN
Pernyataan umum hukum kedua termodinamika, antara lain: 1.
Tidak Tidak ada suatu suatu alat alat yang yang dapa dapatt diope dioperasi rasikan kan secara secara sempu sempurna rna untu untuk k meng menguba ubah h panas yang diserap (oleh sistem) menadi kera yang dilakukan oleh sistem
!.
Pros Proses es perpi perpind ndah ahan an pana panass selalu selalu terad teradii dari perm permuk ukaa aan n yang yang suhuny suhunyaa lebih lebih tinggi ke permukaan yang suhunya lebih rendah.
Pernyataan yang pertama menandakan bahwa proses perubahan panas menadi kera dapat teradi namun tidak dapat mengabaika mengabaikan n perubahan perubahan yang teradi baik pada sistem maupun maupun lingkungannnya. "alam operasi perubahan panas menadi kera, selalu teradi pembuangan panas dari sistem ke lingkungan. "engan demikian, pada proses siklus selalu dibutuhkan ener energi gi pana panass yang ang baru baru untu untuk k meng mengem emba bali lika kan n sist sistem em ke kead keadaa aan n semu semula la untu untuk k menghasilkan kera.
7.3
HEAT ENGINE
Heat engine (mesin (mesin panas) panas) ialah ialah suatu suatu perala peralatan tan yang yang dapat dapat diguna digunakan kan untuk untuk mengubah energi panas menadi kera dalam proses siklus. Proses siklus ialah proses yang teradi secara berulang#ulang dan selalu kembali ke keadaan semula. Tahapan yang teradi pada proses siklus pembangkit tenaga terdiri dari : 1.
$ir dalam bentuk cair dipompa ke dalam boiler bertekanan tinggi.
2.
%nergi panas yang berasal pembakaran bahan bakar ditransfer ke air di dalam boiler untuk mengubah air menadi steam dengan temperatur tinggi pada tekanan boiler.
3.
%nerg %nergii yang yang dimili dimiliki ki steam steam ditran ditransfer sfer ke lingku lingkunga ngan n sebaga sebagaii kera kera poros poros turbin turbin.. &elanutnya steam akan terekspansi sehingga temperatur dan tekanannya akan turun.
11'
4.
&team yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah dengan perpindahan panas ke air pendingin. ni merupakan siklus yang lengkap.
Pada dasarnya dasarnya operasi operasi mesin panas terdiri dari dari penyerapan penyerapan energi energi panas pada suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kera. Perbedaan temperatur yang dapat diperoleh di sumber#sumber panas menadi karakteristik operasi mesin panas. "emikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk umlah yang tak terbatas dari suatu permukaan dengan proses temperatur tetap. &elama operasi operasi,, fluida fluida kera kera menye menyerap rap panas panas sebesar sebesar seu seuml mlah ah kera kera
+
*)
di sumber pemanas, menghasilkan
, dan dan memb membua uang ng pana panass ke ling lingku kung ngan an sebesa sebesarr
*,
di sumber sumber
pendingin, dan selanutnya kembali ke keadaan semula, sebagaimana diilustrasikan pada -ambar .1.
-ambar .1 "iagram heat engine
/erdasarkan hukum pertama termodinamika: +
=
*
−
*,
(.1)
%fisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan
η= atau
kera netto
(.!)
panas pana s masuk
η = 1−
*
(.0)
*
Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat teradi konersi dari panas dan kera. /ila efisiensi mencapai 122 3, maka nilai
*,
haruslah
nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 1223 karena selalu ada panas yang yang harus harus dibuan dibuang g ke lingk lingkung ungan. an. %fisien %fisiensi si termal termal sangat sangat tergan tergantun tung g pada pada tingka tingkatt
114
4.
&team yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah dengan perpindahan panas ke air pendingin. ni merupakan siklus yang lengkap.
Pada dasarnya dasarnya operasi operasi mesin panas terdiri dari dari penyerapan penyerapan energi energi panas pada suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kera. Perbedaan temperatur yang dapat diperoleh di sumber#sumber panas menadi karakteristik operasi mesin panas. "emikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk umlah yang tak terbatas dari suatu permukaan dengan proses temperatur tetap. &elama operasi operasi,, fluida fluida kera kera menye menyerap rap panas panas sebesar sebesar seu seuml mlah ah kera kera
+
*)
di sumber pemanas, menghasilkan
, dan dan memb membua uang ng pana panass ke ling lingku kung ngan an sebesa sebesarr
*,
di sumber sumber
pendingin, dan selanutnya kembali ke keadaan semula, sebagaimana diilustrasikan pada -ambar .1.
-ambar .1 "iagram heat engine
/erdasarkan hukum pertama termodinamika: +
=
*
−
*,
(.1)
%fisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan
η= atau
kera netto
(.!)
panas pana s masuk
η = 1−
*
(.0)
*
Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat teradi konersi dari panas dan kera. /ila efisiensi mencapai 122 3, maka nilai
*,
haruslah
nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 1223 karena selalu ada panas yang yang harus harus dibuan dibuang g ke lingk lingkung ungan. an. %fisien %fisiensi si termal termal sangat sangat tergan tergantun tung g pada pada tingka tingkatt
114
reersibilitas operasi. &alah satu mesin panas yang tahapannya dianggap reersibel adalah mesin arnot. 5arakteristik operasi mesin panas ideal pertama kali diperkenalkan oleh 6.7.& arnot pada tahun 14!8. 14!8. %mpat tahap dalam siklus arnot terdiri atas: 1.
&iste &istem m mula#m mula#mul ulaa dala dalam m keadaa keadaan n keset kesetim imba bang ngan an termal termal denga dengan n sumber sumber pendi pending ngin in pada temperatur T. &elan &elanutn utnya ya dilaku dilakukan kan proses proses adiaba adiabatis tis secara secara reersi reersibel bel sehingga temperaturnya naik sampai T, yaitu temperatur sumber panas.
!.
&iste &istem m kon konta tak k den denga gan n sum sumbe berr pan panas as pad padaa tem tempe perat ratur ur T dan menyerap panas sebesar *)
0.
secara isotermal dan reersibel.
Pada ada sist sistem em dilak ilakuk ukan an prose rosess adia adiaba bati tiss seca secara ra re reersi ersibe bell deng engan arah arah yang ang berlawanan dengan tahap 1, sehingga temperatur sistem kembali menadi seperti temperatur sumber pendingin T .
8.
&iste &istem m dikon dikonta takk kkan an deng dengan an sumb sumber er pend pendin ingi gin n pada pada tempe temperat ratur ur T dan mengalami proses pembuangan panas secara isotermal dan reersibel sebesar
*,
. "engan
demikan fluida kera telah kembali ke keadaan awal.
&elama mesin arnot bekera secara reersibel, maka dapat beroperasi balik, dan siklus arn arnot ot yang diop dioper erasi asika kan n secar secaraa berl berlaw awan anan an arah arah men menad adii pros proses es refri refrige gera rasi si yang yang reersibel dengan
7.4
*)
,
*,
, dan
+
sama.
SKALA SKALA TE TEMP MPERA ERAT TUR TERMO TERMODI DINAM NAMIKA IKA
Persamaan yang digunakan untuk menunukkan efisiensi termal, diharapkan dapat diubah menadi persamaan yang dapat dinyatakan dalam bentuk temperatur, yaitu: * *
=
ψ ( T ) ψ ( T )
(.8)
"engan demikian, efisiensi termal sudah tidak lagi merupakan fungi sifat fisik dari fluida keranya.
1!2
7.5
SIKLUS DAN SKALA TEMPERATUR GAS IDEAL
$pabila fluida keranya gas ideal, maka siklus arnot dapat digambarkan dengan diagram P9 seperti pada -ambar .! dan mengikuti persamaan#persamaan untuk gas ideal.
T
b
*
P
c
T
T
a d
*
T
V
-ambar .! "iagram P9 untuk siklus arnot
%mpat tahap dalam siklus reersibel terdiri atas : a b kompresi adiabatis sampai temperaturnya naik dari T menadi T
1. !.
b c ekspansi secara isotermal ketika teradi penyerapan panas
*)
0.
c d ekspansi adiabatis sampai temperatur menadi T
8.
d a kompresi secara isotermal sampai kembali ke keadaan awal ketika teradi pembuangan panas
*,
;ntuk langkah isotermal b c dan da, dengan anggapan gas ideal berlaku: * * *
=
9c 9 b
dan
*
=
9d 9a
T ln( 9c 9 b )
(.=)
(.>)
T ln( 9d 9a )
;ntuk proses adiabatis dapat ditulis sebagai berikut:
1!1
−
9 dT < T
=
d9
(.)
9
Maka langkah a b diintegrasi diperoleh: T b
9 dT
∫ <
T
Ta
= ln
9a 9 b
"an untuk langkah c d setelah diintegrasi diperoleh : Td
9 dT
∫ <
T
Tc
= ln
9d 9c
5arena ruas kiri kedua persamaan sama, maka : ln
9a 9 b
= ln
9d 9c
atau dapat uga ditulis sebagai ln
9c 9 b
= ln
9d 9a
Maka diperoleh persamaan : * *
=
T
(.')
T
&kala temperatur adalah bentuk persamaan yang hanya berisi perubah temperatur saa, sehingga analisisnya tidak lagi dipengaruhi sifat fisik ?at. "ari persamaan di atas terlihat hubungan yang sangat sederhana antara perbandingan energi panas dengan temperaturnya. Persamaan untuk efisiensi termal adalah:
η = 1−
T
(.4)
T
$gar efisiensi termal mencapai 1223, nilai T harus tak terhingga dan nilai T harus nol.
7.6
ENTROPI
Persamaan untuk siklus arnot dapat ditulis sebagai : * T
=
*
(.12)
T
/ila sebagai acuan perpindahan panas adalah mesin panas, maka nilai * adalah positif dan nilai * negatif. "engan demikian persamaan diatas dapat ditulis tanpa tanda absolut menadi:
1!!
*
=−
T
atau
* T
+
*
(.11)
T
*, T,
=2
(.1!)
5arena mesin arnot beroperasi secara periodik dan selalu kembali ke keadaan awal, maka sifat fisik seperti temperatur, tekanan dan energi selalu kembali ke keadaan semula. &iklus secara reersibel dapat digambarkan dengan diagram P9 seperti pada -ambar .!, yang mana terlukis kura tertutup dibagi#bagi menadi bagian yang masing# masing berpotongan dengan kura adiabatis reersibel dan kura isotermal T dan T. Masing#masing bagian kura tertutup merupakan kura yang tertutup oleh pasangan garis adiabatis dan isotermal, berukuran kecil#kecil dan umlahnya sangat banyak. Masing# masing bagian dapat dituliskan sebagai: d* dT
+
d*
=2
dT
bila diintegralkan menadi: d* re
∫
T
=2
(.10)
7ingkaran pada tanda integral berarti integrasi menyeluruh untuk satu siklus, dan tanda re menandakan bahwa persamaan tersebut berlaku hanya untuk siklus adiabatis. $da kuantitas baru yang menyatakan perubahan secara diferensial yang disebut dengan entropi dan dapat dituliskan sebagai: d& t
=
d* re T
&t adalah total entropi sistem. "alam bentuk yang lain dapat dinyatakan dengan: d* re
= T d& t
Pada -ambar .0 di bawah ini ditampilkan diagram untuk proses siklis yang terdiri dari dua alur proses reersibel antara dua keadaan keseimbangan. $pabila titk $ dan / pada diagram P9 menyatakan adanya dua keseimbangan keadaan fluida pada proses siklus secara reersibel yang masing#masing melalui lintasan $/ dan $"/. ntegrasi persamaan untuk setiap langkah adalah
∆& t =
∫
$/
d* re
(.18)
T
atau
1!0
∆& t =
∫
d* re
$"/
(.1=)
T
"
P
$
/
V
-ambar .0 "ua lintasan reersibel yang menghubungkan keadaan keseimbangan $ dan /
5edua nilai integrasi tersebut harus sama. &ehingga entropi merupakan besaran yang merupakan fungsi keadaan, tidak tergantung alan yang ditempuh. ;ntuk proses yang teradi dari keadaan $ ke / secara irreersibel, perubahan entropi masih bernilai , dan berdasarkan hasil eksperimen memperlihatkan bahwa hasilnya tidak diperoleh dari
∫ d*
T
Perubahan entropi pada sumber panas selalu dihitung dengan *@T, yang mana * adalah kuantitas panas yang ditransfer dari atau ke sumber panas pada temperatur T, baik secara reersibel maupun irrerersibel. al ini disebabkan proses perpindahan panas teradi pada dan umlah energi panas yang relatif tetap pada sumber panas. $pabila proses teradi secara adiabatis dan reersibel, maka d* re A 2, dan d& t A 2. Bleh karena itu, entropi sistem yang constan selama proses adiabatis reersibel disebut isentropi.
7.7
PERNYATAAN MATEMATIS HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
1!8
"ua permukaan sumber panas masing#masing mempunyai temperatur T dan T . Perpindahan panas teradi dari permukaan panas ke permukaan dingin. Perubahan entropi pada sumber panas dengan temperatur T adalah:
∆&t =
−
*
T
"emikian pula pada permukaan dengan temperatur T adalah:
∆&t =
* T
5edua perubahan entropi bila diumlahkan akan diperoleh:
∆& total = ∆& t + ∆&t =
−* T
+
* T
atau
∆& total =
*
T
− T
(.1>)
T T
$pabila T C T total perubahan entropi yang dihasilkan dari proses irreesibel adalah positif. $pabila nilai T sangat besar sekali dibandingkan T , maka perpindahan panas teradi secara reersibel, dan D&total mendekati nol. &ebaliknya untuk proses irreersibel, D&total akan bernlai positif. Pernyataan di atas disebut pernyataan matematis hukum kedua termodinamika yang secara umum dapat dituliskan dengan persamaan: D& E 2 "engan demikian proses tidak teradi apabila entropi total berkurang
DAFTAR PUSTAKA :
1.
&mith, F.M., 9an 6ess, .., and $bbott, $., (!221), Gntroduction to hemical %ngineering ThermodynamicsH, >th edition, Mc-raw#ill, /oston
!.
Potter, M.. and &omerton, .+., (1440), G&chaumIs Butline of Theory and Problems of Thermodynamics for %ngineersH, Mc-raw#ill, 6ew Jork
0.
9an 6ess, .., G;nderstanding ThermodynamicsH, "oer Publications, nc., 6ew Jork.
1!=
BAB 8 PRODUKSI KERJA DARI KALOR
8.1
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS
Mahasiswa
mampu
menghitung efisiensi
termal
berbagai macam
mesin
pembangkit tenaga.
8.2. PENDAHULUAN
"engan ditemukannya bahan bakar fosil dalam bentuk cair maupun gas dapat diciptakan berbagai mesin penghasil kera dengan berbagai ukuran sesuai dengan kebutuhan. "engan demikian dapat digunakan dimana saa dan dibawa bergerak. Pada pembahasan sebelumnya bahan bakar diubah dulu menadi energi panas kemudian menadi energi mekanik, nilai efisiensinya sangat rendah (0=3). Para ahli terus melakukan penelitian untuk dapat mendesain alat pembangkit tenaga yang mempunyai nilai efisiensi tinggi, dengan cara tidak mengubah energi bahan baker menadi energi panas terlebih dahulu, dengan harapan dapat memperbaiki efisiensi. &alah satu bentuk konersi secara langsung tersebut ialah pada sel elektrolisa, yang mengubah energi kimia menadi energi listrik. 5isaran efisiensi untuk sel mencapai ==#'=3 . Pada produksi tenaga secara konensional, energi molekul bahan bakar diperoleh dengan cara pembakaran bahan bakar tersebut. /erbagai cara dan kegunaan dari alat pembangkit tenaga ini tergantung dari bahan bakar dan cara pengubahan panas pembakaran menadi energi mekanik. Pembangkit tenaga uap merupakan mesin panas berskala besar yang menggunakan air sebagai fluida kera yang mengalir secara tunak melalui pompa, boiler, turbin dan kondensor dalam proses siklis. Mesin pembakaran dalam, merupakan bentuk lain dari mesin kalor, dimana temperatur tinggi dicapai dari hasil konersi energi kimia bahan bakar yang langsung diubah menadi energi dalam untuk melakukan kera. ontoh dari mesin ini adalah mesin Btto dan mesin turbin gas.
1!>
8. STEAM PO!ER PLANT
&iklus arnot yang dielaskan pada bab sebelumnya beroperasi secara reersibel, terdiri atas dua langkah isotermal dan dua langkah adiabatis. "alam proses isotermal pada suhu tinggi T , energi panas
*)
diserap oleh fluida kera dalam mesin, sedang pada
proses isotermal pada suhu rendah T, seumlah energi panas
*,
dibuang ke
lingkungan. Produksi kera yang diperoleh + = * − * , dan termal efisiensinya:
η=
+ *
= 1−
T
('.1)
T
%fisiensi nilainya akan bertambah besar bila T bertambah dan T berkurang. Meskipun efisiensi mesin panas pada proses irreersibel rendah, namun efisiensinya dapat bertambah apabila temperatur penyerapan panas dinaikkan dan temperatur pembuangan panas diturunkan. Proses alir sederhana dimana uap dibangkitkan dalam boiler kemudian diekspansi secara adiabatis dalam turbin menghasilkan kera diilustrasikan pada -ambar '.1. $liran steam keluar turbin masuk ke dalam kondenser kemudian dipompakan secara adiabatis kembali ke boiler. Produksi kera di turbin auh lebih besar dibandingkan kera yang dibutuhkan oleh pompa, sehingga kera netto yang dihasilkan sama dengan perbedaan antara panas masuk di boiler *,
*)
dengan energi panas yang dikeluarkan di kondenser
. 5eadaan perubahan fluida yang mengalir pada masing#masing alat dapat dilihat
pada diagram T& yang terlihat pada -ambar '.1. 7angkah 1! adalah proses penyerapan panas secara isotermal pada temperatur T yang ditunukkan dengan garis mendatar pada diagram T& (-ambar '.!). Proses penguapan teradi pada tekanan tetap dan dihasilkan uap enuh dari cair enuh. 7angkah !0 adalah proses ekspansi secara adiabatis reersibel dari uap enuh ke tekanan dimana temperatur air mencapai T . Proses yang teradi adalah ekspansi secara isentropi, yang ditunukkan dengan garis ertikal pada diagram T&, sehingga dihasilkan uap basah. 7angkah 08 adalah proses pembuangan panas secara isotermal pada temperatur T, yang ditunukkan dengan garis mendatar disebut proses kondensasi. 7angkah 81 adalah langkah balik kembali ke keadaan semula, menghasilkan air pada keadaan cair enuh pada titik 1, disebut proses kompresi secara isentropi yang ditunukkan dengan garis ertikal pada diagram T&.
1!
!
0
* * 1
8
-ambar '.1 &kematik Steam power plant sederhana
1
2
4
-ambar '.! "iagram T& untuk siklus arnot &iklus reersibel tersebut dapat digunakan sebagai pembanding untuk steam power plant yang nyata. /eberapa permasalahan dihadapi di langkah !0 dan 81, antara lain
1!'
cairan yang keluar dari turbin mengandung cairan dalam konsentrasi tinggi, sehingga menyebabkan korosi. Pada titik 8, kesulitan diumpai dalam mendesain pompa yang mampu menerima campuran cairan uap, dan air keluar pompa dalam keadaan cair enuh (titik1). /erdasarkan alasan tersebut maka diaukan model lain yaitu siklus
-ambar '.0 &kematik rangkaian alat pada siklus
&iklus
Proses 1 L ! : luida kera dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reersibel (isentropi). 5arena fluida berupa cairan maka pompa hanya memerlukan sedikit energi.
Proses ! L 0 : airan bertekanan tinggi masuk ke boiler dan mengalami pemanasan oleh sumber panas eksternal menadi uap enuh kering.
Proses 0 L 8 : ;ap enuh kering mengalami proses ekspansi adiabatis reersibel (isentropis) di dalam turbin, menghasilkan tenaga. langkah ini akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap, dan sebagian uapa akan mengembun.
1!4
Proses 8 L 1 : uap basah masuk ke kondenser dan mengalami kondensasi pada tekanan dan temperatur konstan menadi cair enuh. Tekanan dan temperatur kondenser ditentukan oleh temperatur pendingin.
-ambar '.8 "iagram T& untuk siklus
Steam power plant tidak dapat beroperasi secara reersaibel. al tersebut nampak pada garis 0 L 8 tidak tepat ertikal, namun agak miring sehingga teradi penambahan entropi. ;ap yang keluar turbin masih basah, namun asal kadar air tidak lebih dari 123, tidak menimbulkan problem yang serius. "engan mengabaikan energi kinetik dan potensial, maka kebutuhan panas di boiler dan panas yang harus dikeluarkan di kondenser dapat dihitung dengan persamaan : *
dengan
= m ∆
m A massa fluida D A beda entalpi antara dua keadaan ( ! L 0 atau 8 L 1) %fisiens termal pada steam power plant akan meningkat apabila tekanan operasi di
boiler dinaikkan, sehingga temperatur di boiler uga naik. 6amun hal ini akan meningkatkan biaya inestasi pabrik, karena menghendaki alat dan material konstruksi peralatan yang lebih mahal. %fisiensi mesin uap uga akan meningkat dengan penurunan
102
temperatur di kondenser. 6amun hal in tetap dibatasi oleh temperatur media pendingin, yang umumnya menggunakan air yang temperaturnya sangat tergantung pada iklim dan geografi. Produksi tenaga biasanya beroperasi pada tekanan kondenser terendah yang dapat dilakukan. Pembangkit tenaga dari uap yang modern beroperasi berdasarkan siklus . $dapun proses yang teradi adalah:
Proses 1 L ! : luida kera dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reersibel (isentropi).
Proses ! L 0 : airan bertekanan tinggi masuk ke pemanas umpan boiler (+ A feed water heater) bersam dengan sebagian uap keluaran dari turbin (titik >) dan temperaturnya naik menadi cair enuh.
Proses > L 0 : &ebagian uap yang keluar dari turbin langsung dipanaskan dalam + bersama dengan kondensat (titik !).
Proses 0 L 8 : airan enuh dipompa ke tekanan lebih tinggi. Proses pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reersibel (isentropi).
Proses 8 L = : airan bertekanan tinggi masuk ke boiler dan mengalami pemanasan oleh sumber panas eksternal menadi uap lewat panas.
Proses = L > : ;ap lewat panas mengalami proses ekspansi adiabatis reersibel (isentropis) di dalam turbin, menghasilkan tenaga. 7angkah ini akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap. &ebagian dari uap lewat panas ini akan dikeluarkan dari turbin.
Proses > L : &ebagian uap yang masih dalam kondisi lewat panas (titik >) diekspansikan dari turbin (titik >) menghasilkan tenaga. 7angkah ini uga akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap, dan sebagian uap akan mengembun.
101
Proses #1
: ;ap basah dari turbin masuk ke kondenser dan mengalami kondensasi pada tekanan dan temperatur konstan menadi cair enuh.
-ambar '.= &kematik rangkaian peralatan untuk siklus
-ambar '.> "iagram T& untuk siklus
10!
8.4 MESIN PEMBAKARAN DALAM
Pada pembangkit tenaga uap, uap merupakan ?at inert yang dipanaskan dengan pembakaran bahan bakar. "engan cara ini dibutuhkan luas permukaan yang besar untuk proses perpindahan panas baik di boiler maupun di kondenser. &elain itu dalam rangka perpindahan panas terutama di boiler dibutuhkan dinding logam yang mampu bertahan pada tekanan dan temperatur yang tinggi. &edangkan pada mesin pembakaran dalam, bahan bakar dibakar alam mesin itu sendiri, dan produk pembakaran merupakan fluida kera yang menggerakkan piston. Temperatur tinggi teradi di dalam mesin, dan tidak memerlukan permukaan perpindahan panas. Pembakaran dalam pada mesin membutuhkan analisis termodinamika yang rumit. /ahan bakar bercampur dengan udara masuk kedalam ruang bakar, dan hasil pembakaran harus selalu dialirkan keluar. $nalisis sederhana dibuat untuk membahas siklus pada operas pembakaran, yaitu menganggap udara merupakan fluida kera, dan proses pembakaran adalah penambahan seumlah energi ke dalam udara.
8.5 MESIN OTTO
Mesin pembakaran dalam seperti pada mesin mobil dan motor adalah mesin Btto. &iklus terdiri dari empat langkah dimulai dari proses konstan selama piston bergerak keluar silinder agar bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder. 7angkah tersebut digambarkan dengan garis 1 ! seperti terlihat pada -ambar '.. &elama langkah yang kedua !#0#8, semua ale ditutup karena udara dan bahan bakar akan dikompresi secara adiabatis dengan silinder piston. &epanang garis !#0 campuran bahan bakar dan udara dinyalakan, dan proses pembakaran teradi dengan cepat, sehingga tekanan akan naik pada lintasan 0#8. Pada langkah ke tiga 8#=#> dihasilkan kera, yang diperoleh dari hasil pembakaran yang mempunyai temperatur dan tekanan tinggi. 7angkah 8#= teradi proses ekspansi secara adiabatis dengan bergeraknya silinder piston, dan penambahan olum slinder. Pada langkah =#> (atau =#!) ale terbuka untuk membuang gas hasil pembakaran, sehingga tekanan turun dengan cepat. Pada langkah ke empat !#1, piston menekan sisa#sisa gas hasil pembakaran dari ruang silinder.
100
-ambar '. &iklus Btto ideal (&umber: http:@@wright.nasa.go@[email protected])
Pengaruh penambahan rasio kompresi (rasio antara olum awal dan akhir kompresi) dapat menambah efisiensi mesin, yaitu menambah kera yang dihasilkan untuk setiap kuantitas bahan bakar. &iklus Btto diidealkan seperti -ambar '.'. &iklus tersebut terdiri atas dua langkah adiabatis dan dua langkah olume konstan. Pada langkah 0#8 seumlah panas diserap oleh udara pada olume konstan sehingga temperatur dan tekanan naik sebagai hasil proses pembakaran. &elanutnya udara diekspansi secara adiabatis reersibel (8#=), pendinginan pada kondisi olume konstan (=#>), dan akhirnya kompresi adiabatis dan reersibel kembali ke kondisi awal 0. %fisiensi termal N pada siklus standar udara adalah :
η=
− +s (net ) * 08
=
* 08
+ * =>
* 08
;ntuk 1 mol udara dengan kapasitas panas konstan, maka : * 08
= 9 (T8 − T0 )
* =>
= 9 (T> − T= )
&ubstitusi ke dalam ke persamaan di atas, diperoleh:
η=−
9 (T8
− T0 ) − 9 (T= − T> ) (T8 − T0 )
108
-ambar '.' "iagram P9 untuk siklus Btto ideal (&umber: http:@@www.grc.nasa.go@+++@5#1!@[email protected])
η = −1 −
− T> ) (T8 − T0 ) (T=
%fisiensi termal dapat uga dihubungkan dengan kompresi r = 9> @ 90 . &etiap T diganti dengan P9@< dengan menganggap gas deal. T=
=
P= 9=
T>
=
P> 9>
T8
=
P8 98
T0
=
P0 90
<
=
P= 9>
=
P8 90
<
< <
<
<
&ubstitusi ke persamaan untuk η akan diperoleh
η = 1−
P= − P> P= − P> 1 r = − 90 P8 − P0 P8 − P0
9>
;ntuk dua langkah adiabatis reersibel, γ
P8 90
P9 γ
= kons tan, maka
= P= 9>γ
10=
γ
P> 9>
= P0 90γ
"ari persamaan di atas diperoleh: P= P> P> P0
=
P8 P= γ
90 1 γ = = r 9 >
"ari persamaan#persamaan tersebut efisiensi menadi:
η = 1 − r
P − 1)P> = 1 − r > ( P8 @ P0 − 1) P= P0 (P= @ P> γ
atau
γ −1
1 1 η = 1 − r = 1 − r r
('.!)
Persamaan tersebut menunukkan bahwa efisiensi termal bertambah besar ketika rasio kompresi bernilai rendah. "an hal ini telah diui dalam test lapangan.
8.6 MESIN DIESEL
Mesin "iesel berbeda dengan mesin Btto. Pada mesin diesel, temperatur akhir pada langkah kompresi cukup tinggi sehingga pembakaran bahan bakar dapat teradi secara spontan tanpa bantuan percikan api dari busi. Temperatur tinggi dapat dicapai karena rasio kompresi yang tinggi. /ahan bakar tidak diineksi sampai akhir tahap kompresi. neksi bahan bakar dilakukan secara perlahan sehingga proses pembakaran teradi pada tekanan tetap. &kematik mesin "iesel disaikan pada -ambar '.4, sementara diagram P9 untuk siklus "iesel ditampilkan pada -ambar '.12. "i dalam mesin "iesel, udara dikompresi secara adiabatis dengan rasio kompresi berkisar anatar 1= sampai !2. 5ompresi ini akan menaikkan temperatur udara sampai cukup tinggi hingga bahan bakar yang diineksikan dapat terbakar secara spontan tanpa adanya percikan api dari busi.
10>
-ambar '.4 &kematik mesin "iesel (&umber: http:@@hyperphysics.phy#astr.gsu.edu@base@[email protected])
-ambar '.12 "iagram P9 untuk siklus "iesel (&umber: http:@@hyperphysics.phy#astr.gsu.edu@base@[email protected])
&iklus ideal untuk udara dimodelkan dengan satu kompresi adiabatis yang diikuti dengan proses pembakaran pada tekanan konstan, kemudian ekspansi adiabatis sebagai
10
langkah penghasil tenaga ( power stroke) dan diakhiri dengan langkah pembuangan gas gasil pembakaran yang berlangsung pada olume konstan. ;dara segar diambil di akhir langkah pembuangan, sebagaimana ditunukkan dengan garis a#e#a pada -ambar '.12. 5arena langkah kompresi dan power stroke pada siklus ideal ini merupakan proses adiabatis, maka efisiensi dapat dihitung dari proses tekanan konstan dan olume konstan. %nergi yang masuk dan keluar dan efisiensi dapat dihitung sebagai berikut: *1 A P (Tc L T b) *! A 9 (Ta L Td)
η=
*1 + * ! *1
%fisiensi lebih umum dinyatakan dalam rasio kompresi r A 91@9! dan rasio kompresi r % A 91@90. %ficiency dapat ditulis sebagai:
η = 1+
*! *1
= 1+
, 9 ( Ta
− Td ) , P ( Tc − T b )
;ntuk proses reersibel, ekspansi adiabatis reersibel (langkah cd) dan kompresi adiabatis reersibel (langkah ab) berlaku: γ −1
Tc 9c
= Td 9dγ −1 dan
γ −1
Ta 9a
= Td 9dγ −1
"engan mendefinisikan kompresi rasio r A 9@9" dan rasio ekspansi r % A 9/@9$, maka: Tc
1 = Td r %
γ −1
Ta
1 = T b r
γ −1
&ubstitusi ke persamaan sebelumnya : γ −1
− Tc (1 r % ) γ −1 Tc − T b
1 T b (1 r )
η = 1− γ
5arena P b A Pc, dan dari persamaan gas ideal P b 9 b A < T b
dan
Pc 9c A < Tc
7ebih lanut 9a A 9d maka : T b Tc
=
9 b 9c
=
9 b @ 9a 9c @ 9d
=
r % r ,
Maka diperoleh : 1 (1 r % )
η = 1− γ
γ −1
− ( r % 1 − r %
r ) (1 r ) r
γ −1
atau
10'
('.0)
γ − r ,γ η = 1 − −1 −1 γ r % − r ,
1 r %
('.8)
;ntuk tingkat rasio kompresi sama, mesin Btto mempunyai efisiensi lebih tinggi dibandingkan mesin "iesel. 6amun mesin "iesel beroperasi pada rasio kompresi yang tinggi, sehingga efisiensinya menadi lebih tinggi.
8.7 MESIN TURBIN GAS
Mesin Btto dan "iesel adalah contoh penggunaan secara langsung energi pada suhu tinggi, gas bertekanan tinggi beraksi pada piston dalam silinder, tidak ada transfer panas dengan sumber luar. /agaimanapun turbin lebih efisien daripada mesin reciprocating , sehingga digabung antara mesin pembakaran dalam dengan turbin dalam mesin turbin gas. Turbin gas digerakkan dengan gas suhu tinggi dari ruang pembakaran, seperti terlihat pada gambar. ;dara yang masuk ditekan sampai beberapa bar sebelum dibakar. 5ompresor setrifugal dioperasikan pada poros yang sama dengan turbin, dan sebagian kera yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor. &emakin tinggi suhu gas hasil pembakaran masuk turbin semakin tinggi efisiensinya, dan semakin besar kera yang dihasilkan perunit bahan bakar yang dibakar. &uhu dibatasi oleh kekuatan logam yang digunakan untuk sudu turbin, dan auh lebih rendah dari flame temperature bahan bakar. ;dara ekses yang cukup harus disediakan untuk mempertahankan suhu pembakaran pada leel yang aman.
-ambar '.11 &kematik mesin turbin gas
104
dealisasi gas turbin (didasarkan pada udara disebut siklus /rayton) dapat dilihat pada P9 diagram. 7angkah $/ adalah kompresi adiabatis reersibel dari tekanan P$ (tekanan atmosferik) menadi P/. Pada langkah / panas sebesar * /, digantikan dengan pembakaran, ditambahkan pada tekanan konstan, menaikkan suhu udara sebelum ekspansi isentropik menghasilkan kera dari tekanan P menadi P" (tekanan atmosferik). 7angkah "$ adalah proses pendinginan pada tekanan konstan yang menyempurnakan siklus tersebut. %fisiensi termal siklus tersebut adalah: + (net )
η=
=
* /
+"
− +$/
* /
5era dihasilkan oleh udara yang melewati kompresor dan bila udara dianggap sebagai gas ideal dengan kapasitas panas konstan maka: +$/
= / − $ = P (T/ − T$ )
"emikian uga panas yang ditambahkan dan proses dalam turbin * /
= p (T$ − T/ ) dan
+"
= p (T − T" )
&ubstitusi ke persamaan sebelumnya menadi:
η = 1−
− T$ T − T/
T"
5arena langkah $/ dan " isentropik, maka hubungan suhu dan tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan sbb: T/ T$
dan
( γ −1) @ γ
P = / P$ T" T
( γ −1) @ γ
P = " P
( γ −1) @ γ
P = $ P/
"engan persamaan ini T$ dan T" dapat dieliminasi sehingga: ( γ −1) @ γ
P η = 1 − $ P/
('.=)
182
"#$%#& 8.1
&ebuah gas turbin dengan rasio kompresi P/@P$A> dioperasikan dengan udara masuk compresor pada suhu != o. /ila suhu maksimum yang diiinkan dalam turbin >2 o, tentukan: a.
%fisiensi N siklus udara ideal bila QA1,8
b.
Termal efisiensi siklus udara bila compresor dan turbin beroperasi secara adiabatis tetapi irreersible dengan Nc A 2,'0 dan NeA2,'>
J'(')'$ :
a.
&ubstituRs langsung ke persamaan untuk efisiensi : η
b.
= 1 − (1 @ >) (1, 8 −1) @ 1, 8 = 1 − 2,> = 2,8
reersibilitas dalam kompresor dan turbin akan menurunkan efisiensi mesin, karena kera neto merupakan selisih antara kera yang dibutuhkan kompresor dan kera yang diproduksi turbin. &uhu udara masuk kompresor T $ dan suhu udara masuk turbin T adalah sama untuk siklus ideal. Tetapi, suhu setelah proses kompresi irreersible T/ lebih tinggi daripapada suhu setelah kompresi isentropik T/I, dan suhu setelah ekspansi irreersibel dalam turbin T" lebih tinggi daripada suhu setelah ekspansi isentropik T"I. %fisiensi terma mesin tersebut :
η=
+( turb )
− +(comp) *
;ntuk kera isentropik : +( turb )
= η t ,p(T, − T" S )
+( comp )
=
p (T/ S−T$ )
ηc
Panas yang diserap untuk mensimulasi pembakaran: * = p(T − T/ )
Persamaan tersebut dikominasi diperoleh:
η=
ηt (T − T" S ) − (1 @ η)(T/ S−T$ ) T − T/
&ebagai alternati era compresor dapat dinyatakan sbb: +(comp) A P (T/ # T$)
181
5ombinasi persamaanLpersamaan di atas dan hasilnya untuk mengeliminasi T/ sehingga N dapat disederhanakan menadi:
η t ηc (T, @ T$ − T" S @ T$ ) − (T/ S @ T$ − 1) ηc(T, @ T$ − 1) − (T/ S @ T$ − 1)
η=
=
T T" S T$ T
=
T T$
( γ −1) @ γ
P$ P/
&ubsitusi ke persamaan untuk efisiensi menadi:
η t ηc (T @ T$ )(1 − 1 @ α) − (α − 1) ηc (T @ T$ − 1) − (α − 1)
η=
( γ −1) @ γ
dimana
P α = / P$
Persamaan tersebut menunukkan bahwa efisiensi termal akan meningkat bila suhu udara masuk turbin T meningkat dan efisiensi kompresor dan turbin meningkat. /ila harga Nt A 2,'> dan harga N t A 2,'0 "an
T T$
=
>2 + !0,1= != + !0,1=
= 0,8
α = (>) (1, 8−1) @ 1,8 = 1,>.
Maka diperoleh efisiensi termal :
η=
(2,'>)(2,'0)(0,8.)(1 − 1 @ 1,>.) − (1,>. − 1) (2,'0)(0,8. − 1) − (1,>. − 1)
= 2,!0=
DAFTAR PUSTAKA :
1.
&mith, F.M., 9an 6ess, .., and $bbott, $., (!221), Gntroduction to hemical %ngineering ThermodynamicsH, >th edition, Mc-raw#ill, /oston
!.
Potter, M.. and &omerton, .+., (1440), G&chaumIs Butline of Theory and Problems of Thermodynamics for %ngineersH, Mc-raw#ill, 6ew Jork
0.
9an 6ess, .., G;nderstanding ThermodynamicsH, "oer Publications, nc., 6ew Jork.
18!
BAB * REFRIGERASI
*.1
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS
Mahasiswa mampu menghitung koefisien unuk kera alat refrigerasi (refrigerator) serta menghitung kecepatan cairan refigeran yang disirkulasi.
*.2
PENDAHULUAN
5ita mengenal refrigerasi di kehidupan sehari#hari dalam $, kulkas, dan free?er. "alam skala besar refrigerasi digunakan dalam industri es, pencairan gas, dan dehidrasi terhadap gas.
*.
REFRIGERASI
"alam proses refrigerasi kontinyu panas yang diserap pada suhu rendah secara kontinyu dibuang pada suhu yang lebih tinggi. /erdasarkan hukum kedua termodinamika, proses ini membutuhkan kera dari luar sistem.
=
*
−
*
(4.1)
;kuran keefektian refrigerator adalah koefisien unuk kera () yang didefinisikan sebagai berikut:
ω=
*
(4.!)
+
$pabila persamaan 1 dibagi dengan * + *
+ *
=
=
* *
T T
−1
−1 =
T
− T
T
180
ω=
T T
− T
Persamaan ini hanya berlaku untuk refrigerator yang beroperasi berdasarkan siklus arnot (siklus ideal) dan memberikan harga koefisien unuk kera maksimum. Pada umumnya refrigerator beroperasi dengan siklus kompresi uap yang terdiri dari empat langkah. airan diuapkan di dalam eaporator pada tekanan dan suhu tetap. airan menguap membutuhkan panas yang diserap dari lingkungannya. ;ap enuh yang dihasilkan kemudian ditekan menggunakan kompresor sehingga suhu dan tekanannya naik. ;ap lewat panas keluar kompresor kemudian didinginkan dan diembunkan di dalam kondensor sehingga mencair. Pada proses pengembunan, panas dilepas pada tekanan dan suhu yang lebih tinggi. airan keluar kondensor dalam keadaan cair enuh kemudian diturunkan tekanannya ke tekanan semula dengan proses ekspansi. &elanutnya cairan tersebut akan diuapkan lagi dalam eaporator. Proses tersebut dapat dielakan dengan gambar berikut. 8
0
5ondensor
5ran ekspansi
5ompresor
%aporator 1
!
-ambar 4.1 &iklus proses refrigerasi
;ntuk basis satu unit massa fluida, maka panas yang diserap dalam eaporator dan panas yang dilepas dalam kondensor adalah : *,
= ! − 1
dan
*
= 0 − 8
$pabila perubahan energi kinetic dan energi potensial diabaikan maka kera kompresor dapat dinyatakan dengan persamaan : +
= 0 − !
Maka koefisien unuk keranya :
188
− 1 0 − ! !
ω=
;ntuk merancang eaporator, kondensor, kompresor maupun kran ekspansi, kita harus tahu umlah kecepatan cairan refrieran yang disirkulasi (m). arga m dapat ditentukan dari kecepatan panas yang diserap dalam eaporator dengan persamaan: m=
* !
− 1
"#$%#& *.1
&ebuah ruangan suhunya akan dipertahankan pada suhu 12 o. $ir pendingin yang tersedia suhunya 2 o. 5apasitas refrigerasi 1!2.222 /tu@am. Perbedaan suhu untuk perpindahan panas dalam eaporator dan kondensor 12 o. airan refrigerant yang digunakan adalah tetrafluoroethane (#108a), data dapat diambil dari gambar -.! (app -) buku Termodinamika untuk Teknik 5imia karangan &mith L 9an 6ess: a.
itunglah koefisien unuk kera bila prosesnya mengikuti siklus arnotU
b.
itunglah koefisien unuk kera dan kecepatan cairan yang disirkulasi bila prosesnya mengikuti siklus kompresi uapU
J'(')'$ :
a.
5oefisien unuk kera untuk siklus arnot :
ω= b.
T T
− T
=
2 + 8=4,> ('2 + 8=4,>) − (2 + 8=4,>)
= =,=
! psia (dibaca dari tabel). ! A 120,21= /tu@lb m
&! A 2,!!=!= /tu@lb m <
&uhu keluar kondensor '2 o , sehingga tekanannya 121,0 psia 8 A 0,4' /tu@lbm $pabila kompresor bekera secara adiabatic reersible maka : &I0 A &! A 2,!!=!= /tu@lb m < %ntalpi pada tekanan 121,0 psia pada entropi tersebut adalah : I0 A 11 /tu@lb m
18=
Perubahan entalpinya adalah : (D)s A I0 # ! A 11 # 120,21= A 10,4' /tu@lb m $pabila efisiensi kompresor 2,' maka entalpi yang sesungguhnya adalah : 0
− ! =
( ∆ ) &
η
= 10,4' = 1,8'/tu @ lbm 2,'
5arena ekspansinya menggunakan kran maka 8 A 1. Maka harga koefisien unuk keranya menadi :
ω=
− 8 120,21= − 0,4' = = 0,! 0 − ! 1,8'
!
"an kecepatan sirkulasi refrigerant : m
*.4
*.4.1
=
* !
− 8
=
1!2.222 120,21= − 0,4'
= 1'8=lbm @ am
PENUTUP
T+, F#-'%/0
&ebuah refrigerator siklus kompresi uap menggunakan cairan refrigerant tetrafluoroethan. &uhu kera eaporator 02o, suhu kera kondensor '2o, efisiensi kompresor '23, kapasitas refrigerasi >22 btu@det. itunglah koefisien unuk keanya dan kecepatan cairan refrigerant yang di sirkulasi.
*.4.2
U'$ B'/3
$pabila mahasiswa sudah dapat menghitung koefisien unuk kera refrigerator dan kecepatan cairan yang disirkulasi dengan benar , maka mahasiswa tersebut sudah memenuhi kompetensi dasar untuk sub pokok bahasan refrigerasi.
*.4.
T/$'3 '$%.
$pabila mahasiswa belum dapat menghitung koefisien unuk kera refrigerator maupun kecepatan sirkulasi cairan, mahasiswa dapat melihat contoh soal yang ada di buku yang disarankan.
*.4.4
K$/ J'(')'$ T+, F#-'%/0
18>
