Bab 2. Termodinamika Dan Pindah Panas Pada Pendinginan Ac

8/17/2019 Bab 2. Termodinamika Dan Pindah Panas Pada Pendinginan Ac

1/11

BAB 2. TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PADA PENDINGINAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan kaitan dan penerapan termodinamika pada perancangan proses

dan instalasi refrigerasi. Cakupan dalam pokok bahasan ini adalah pengulangan azas-azastermodinamika dan pindah panas serta bagaimana penggunaannya untuk mempelajari sistem

refrigerasi. indah panas dalam bentuk konduksi! kon"eksi dan radiasi merupakan proses yang berlangsung pada sistem refrigerasi. #edangkan properti termodinamika dan siklus Carnot

merupakan landasan pemikiran bagi mahasiswa dalam menganalisa berbagai siklus refrgerasi.

$. endahuluan

roses pendinginan berarti memindahkan panas dari satu lingkungan ke lingkungan lainnya

dengan cara-cara tertentu. %iperlukan analisa termodinamika serta nalisa pindah panas danmassa untuk mengetahui proses yang terjadi. %alam analisa ini dibutuhkan satuan dan besaran

tertentu yang umum dikenal sebagai properti termodinamika.$nalisa juga dilakukan berdasarkansuatu pemikiran. ada proses pendinginan! pemikiran yang melandasi adalah siklus Carnot.

&. #istem dan 'ingkungan

Termodinamika berhubungan dengan perubahan energi yang terjadi antara sistem dengan

lingkungannya karena adanya suatu proses. $nalisa dasar termodinamika diawali dengan

pengertian sistem dan lingkungan. #istem adalah kegiatan atau proses yang diperhatikan dalam

suatu lingkungan. 'ingkungan adalah semua hal di luar sistem.'ingkungan dan sistemdipisahkan oleh suatu batas sistem.(atas sistem ini dapat berupa batas nyata atau batas khayal.

)Tambunan! *++,

#istem termodinamika dapat dibedakan menjadi tiga

• #istem terbuka )sistem dengan "olume terkendali. /nergi dan massa dapat berpindah

melalui batas sistem

• #istem tertutup )sistem dengan massa terkendali. 0anya energi yang dapat bepindah

• #istem terisolasi adalah sistem tertutup yang tidak mengalami kontak! baik mekanik

maupun termal! dengan lingkungannya! sehingga baik energi maupun materi tidak dapat

berpindah melalui batas sistem. )Tambunan! *++,

*. 0ukum Termodinamika

• $nalisa termodinamika berpedoman kepada 0ukum Termodinamika! yaitu 0ukum

pertama dan Kedua Termodinamika. 0ukum Termodinamika pertama menyatakan bahwa

energi tak dapat diciptakan atau dimusnahkan! yang berarti bahwa jumlah energi yang

terkandung dalam suatu sistem dan lingkungannya selalu tetap selama proses


2/11

berlangsung. 0ukum ini juga dapat diartikan bahwa energi dapat diubah menjadi bentuk

energi lain! namun energi yang diubah ini tidak bisa seluruhnya.

0ukum pertama ini memberikan konsep adanya energi dalam suatu sistem )u.1umlah energidalam suatu benda selalu tetap jika tidak ada panas )2 maupun kerja yang dilakukan padanya

)w. erubahan energi dalam ditulis sebagai

....................................)*.&

#emua energi yang masuk kedalam sistem )panas dan kerja bertanda positif. 1ika kerja dan

panas yang terjadi dikur dalam jangka waktu yang singkat maka persamaan & dapat ditulismenjadi

......................................)*.*

Kerja dalam proses termodinamika dinyatakan sebagai perkalian antara tekanan dan perubahan"olume.

....................................)*.3

1ika energi yang terlibat dalam proses hanya energi panas! maka persamaan )*.3 dapat ditulis

sebagai

......................................)*.4

enjumlahan energi dalam dengan perkalian tekanan dan perubahan "olume disebut sebagaientalpi )h! k15kg

.......................................)*.6

• 0ukum kedua termodinamika menelaskan apa yang belum dijelaskan pada hukum

pertama! arah terjadinya perubahan. ada hukum kedua! diperkenalkan suatu besaran!

entropi! yang menyatakan tingkat keacakan atau keteraturan. 0ukum kedua menyatakan bahwa proses akan berlangsung spontan ke arah yang semakin acak atau ke arah yang

mnyebabkan naiknya tingkat entropi sistem dan lingkungannya. Contohnya pada batang

yang berbeda suhu yang didekatkan. (atang yang panas akan memindahkan energinya ke batang yang lebih dingin hingga suhu keduanya sama. Tingkat keacakan menjadi lebihtinggi daripada saat sebelum kedua batang disentuhkan.

roses yang menuju entropi yang lebih tinggi adalah proses yang tak mampu balik! karena arah

sebaliknya tidak dapat berlangsung secara spontan. roses yang mampu balik adalah proses yang berlangsung tanpa perubahan entropi )7s8+. 1ika suatu proses dapat dikendalikan secara

sempurna dan berlangsung secara mampu-balik maka akan menghasilkan jumlah maksimum


3/11


4/11

Kapasitas panas )c adalah properti ekstensif yang sering dinyatakan dalam per satuan massa

sehingga disebut sebagai kapasitas panas jenis. Kapasitas panas jenis didefinisikan sebagai

perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massazat tertentu. Kapasitas panas jenis dapat berupa kapasitas panas jenis pada "olume tetap )c" dan

pada tekanan tetap )cp! sesuai dengan kondisi yang ditetapkan.

c" dituliskan dalam persamaan

..............................)*.A

dan cp dapat dituliskan dengan persamaan

.............................................................)*.B

0ubungan antara kapasitas panas jenis suatu gas ideal pada tekanan tetap dengan pada "olumetetap dapat ditentukan jika u! h! dan pV dinyatakan sebagai fungsi T. (entuk diferensial

persamaan *-AD terhadap suhu adalah

..................................................)*.&+

#ehingga! dengan memasukkan persamaan )A dan )B! serta persamaan gas ideal pE8FT! akan

diperoleh

........................................)*.&&

erbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada "olume tetap)cp5c" sering sangat bermanfaat untuk analisis sistem pendinginan. @ntuk gas ideal nilai rasio

kapasitas panas tersebut adalah

*.&*D


5/11

Gambar *.&.ermukaan p-"-T untuk zat yang mengembang pada saat membeku untuk

mengetahui fasa zat.

Gambar diatas dpat diuraikan menjadi grafik dua dimensi untuk kegunaan yang khusus.Grafik"olume-tekanan #tatus zat dapat ditunjukkan melalui grafik hubungan p! "! dan T! seperti dapat

dilihat pada Gambar *-* untuk zat yang mengembang pada saat membeku )seperti air. ada

diagram tersebut ditunjukkan bidang yang merupakan permukaan p-"-T dan terdiri atas tiga bidang satu fase )masing-masing fase padat! fase cair! dan fase gas! tiga bidang dua fase

)masing-masing bidang padat-cair! cair-gas! dan padat gas! serta satu garis tiga fase )padat-cair-

gas yang sering juga disebut sebagai garis tripel. (idang-bidang tersebut memberi semuakemungkinan keadaan seimbang yang dapat dicapai oleh suatu zat murni.ada bidang dua fase!

suhu dan tekanan saling terpaut! sehingga salah satu dapat berubah jika dan hanya jika yang

lainnya berubah. %engan demikian! pada wilayah ini status tidak dapat ditentukan hanya berdasarkan tekanan dan suhu! tetapi dapat ditentukan berdasarkan "olume jenis dengan suhu

atau tekanan.

)a )b


6/11

)cGambar *-*. %iagram p-T )a! diagram p-" )b! dan diagram T-" )c untuk zat yang mengembang

pada saat membeku

royeksi permukaan p-"-T terhadap bidang p-"! p-T! dan T-" untuk air ditunjukkan pada Gambar

*-*. ertemuan kedua garis jenuh tersebut dikenal dengan titik kritis! dan sering dinyatakandalam suhu kritis! tekanan kritis! dan "olume jenis kritis. #uhu kritis suatu zat murni adalah suhu

tertinggi pada mana fase cair dan gas dapat berada bersama-sama. Titik kritik berbagai zat

diberikan pada 'ampiran &. 1ika permukaan p-"-T diproyeksikan menjadi bidang p-T makadiperoleh diagram fase! seperti diagram )a pada kedua gambar di atas. ada diagram fase!

wilayah dua fase berubah menjadi garis -C! -@! dan C-@. ertemuan ketiga garis tersebut

disebut titik tripel. Titik tripel air berada pada suhu *,3.&: oC dan tekanan +.:&&3 ka.

ermukaan p-"-T dapat pula diproyeksikan menjadi bidang p-" dan T-" untuk keperluan tertentu.

#tatus jenuh ) saturation state adalah status zat saat terjadinya perubahan fase )sejak mulai

hingga berakhir.


7/11

Keseimbangan )equilibrium secara termodinamik sulit didefinisikan sehingga sering harus

dikelompokkan menjadi beberapa jenis keseimbangan! seperti keseimbangan mekanik! panas!

fase dan kimia. 1ika suatu sistem tidak menunjukkan terjadinya perubahan! maka sistem tersebutdapat dikatakan berada pada status keseimbangan. roses nyata umumnya terjadi dalam keadaan

tak-seimbang! sehingga sering didekati dengan keadaan seimbang-semu. roses seimbang-semu

)quasi-equilibrium process adalah suatu idealisasi yang menganggap terjadinya perpindahansangat kecil dari status keseimbangan.

@ap super panas mempunyai sifat seperti gas jika berada di bawah suhu kritisnya. (eberapa

proses yang dapat terjadi pada pemanasan dan ekspansi uap adalah sebagaimana yang dijelaskan

berikut. roses "olume tetap )isometric adalah proses yang bekerja pada satu garis "olumesehingga "olume akhir sama dengan "olume awal proses. roses tekanan tetap )isobaric adalah

proses yang bekerja pada satu garis tekanan sehingga tekanan akhir sama dengan tekanan awal

proses. ada tekanan tertentu terdapat suhu jenuh yang tertentu pula sehingga di dalam wilayahyang dibatasi oleh garis jenuh cair dan uap proses tekanan tetap adalah juga proses suhu tetap

)isothermic! yaitu proses yang bekerja pada satu garis suhu. roses cekik )throtling terjadi jika

terdapat penyempitan luas penampang aliran. ada proses ini tekanan akan berkurang akibatadanya gesekan dalam aliran! dan tidak terjadi kerja maupun perpindahan kalor. roses cekik

dipergunakan untuk pendinginan dan pengeringan uap.

ada mesin-mesin refrigerasi! pencekikan refrigeran dilakukan dengan cara melewatkannya

melalui suatu penampang saluran yang menyempit pada katup ekspansi atau melalui sebuah pipakapiler yang panjang sehingga terjadi penurunan tekanan. %engan proses cekik suhu uap akan

turun diikuti dengan peningkatan mutu uap! sebagian panas sensibel diubah menjadi panas laten

dan uap menjadi bersifat super panas.

a. #iklus dan mesin panas

Gambar *-3 adalah diagram suatu siklus dimana satu satuan massa gas mengalami pengembangan )ekspansi dari keadaan & ke keadaan *. ada saat tersebut kerja dilepas ke luar

sebesar luasan 1-a-2-d-c-1. ada mesin nyata proses tidak dapat berlangsung hanya satu arah

akan tetapi gas yang berada pada keadaan * harus dikembalikan ke keadaan & dengan suatu caratertentu. roses dari keadaan * ke keadaan & disebut pengempaan )kompresi dengan memberi

kerja kepada gas. 'intasan yang dilalui pada proses tersebut adalah *-b-&! dan kerja yang harus

diberikan tersebut adalah sebesar luasan 2-b-1-c-d . Kerja bersih yang dilepaskan dari sistemtersebut adalah

; 8 luasan &-a-*-d-c - luasan *-b-&-c-d 8 luasan &-a-*-b-& )luasan terarsir! atau

*.&3D


8/11

Gambar *-3. #uatu siklus tertutup yang digambarkan pada diagram p-"

%engan demikian! siklus adalah suatu perubahan keadaan yang melingkupi suatu luasan tertutupdi dalam suatu diagram keadaan )p-E! T-s! dll. 1ika jumlah panas yang ditambahkan ke dalam

suatu siklus adalah Hi dan jumlah panas yang dilepas adalah Ho maka kerja yang terjadi padasiklus tersebut dapat juga dituliskan sebagai

*.&4D

#iklus yang ditunjukkan di atas bekerja searah gerakan jarum jam! panas Qi diterima dan kerja dilepas ke luar. %engan kata lain sebagian dari panas diubah menjadi kerja. Mesin-mesin

panas menghasilkan panas dengan cara tersebut. Mesin panas diharapkan dapat mengubah

sebanyak mungkin panas yang diterima menjadi kerja. erbandingan kerja yang dihasilkandengan panas yang diterima disebut dengan efisiensi termal! yaitu

*.&6D

b. #iklus terbalik dan mesin pendingin

1ika siklus pada gambar *.3 bekerja pada arah terbalik )berlawanan arah gerakan jarum jam

seperti ditunjukkan pada gambar *.4 maka arah panas dan kerja juga adalah sebaliknya. %engan

cara demikian! kerja dari luar dikenakan pada gas! sedangkan panas dapat diambil dari sumber bersuhu rendah sebesar Ho dan dilepas pada sumber bersuhu tinggi sebesar Hi 8 ;-Ho. #iklus

demikian disebut dengan siklus terbalik.

ada siklus terbalik! panas yang seharusnya mengalir secara alami dari sumber bersuhu tinggi ke

sumber bersuhu rendah! dibalik sehingga panas dari sumber bersuhu rendah dialirkan ke sumber bersuhu tinggi dengan mengenakan kerja. #iklus terbalik merupakan dasar kerja suatu mesin

pendingin )re!ri"erator dan pompa panas )heat pump. Mesin pendingin adalah mesin yang

digunakan untuk mendapatkan suhu dingin! sedangkan pompa panas adalah mesin yang

digunakan untuk memperoleh panas dari sumber bersuhu rendah. Istilah pompa panas


9/11


10/11

Contoh soal *.*

ap pada tekanan 1' bar dan mutu uap '.4 dicekik hin""a mencapai tekanan 2 bar. 5unakan

tabel uap untuk menentukan mutu uap akhir.

Jawab , ada p1 = 1' bar diperoleh T1 = 164.4 o7% h!1 = 682.+1 k)/k"% dan h"1 = 266+.1 k)/k"

ada p2 = 2 bar diperoleh T2 = 12'.2 o7% h!2 = ('9.6' k)/k"% dan h"2 = 26'8.6 k)/k"

Den"an pers. :1-2; diperoleh h1 = h!1


11/11

ada siklus Carnot asli! kerja dihasilkan dari berpindahnya panas dari suhu tinggi ke suhu

rendah. ); 8 Hh-Hl. ada mesin pendingin dibutuhkan kerja untuk memindahkan panas dari

suhu rendah ke suhu tinggi );8Hl-Hh. /fisiensi sutu mesin didefinisikan sebagai perbandinganhasil kerja dan usaha untuk mengasilkan kerja.

ada siklus mesin panas efisiensi selalu bernilai kurang dari & )efisiensi 8 ;5Hh 8 &-Hl5Hh.

0asil dari siklus pendinginan adalah efek pendinginan yang terjadi )Hl dan kerja yang

diperlukan adalah sebesar ; )Hh-Hl dan karenanya efisiensi mesin pendingin selalu lebih besardari satu )efisiensi8 Hl5;

Documents

Bab 2. Termodinamika Dan Pindah Panas Pada Pendinginan Ac