Arsip

Archive for the ‘Thermodinamika’ Category

Usaha Batas Sistem Bergerak (Moving Boundary Work)

Bentuk usaha ini ditemui pada peralatan piston-silinder. Pada peralatan piston-silinder, piston akan bergerak maju mundur akibat adanya ekspansi dan kompresi gas didalam silinder.
Mari kita tinjau sistem piston-silinder berikut.

Usaha dan Bentuk-bentuk Mekanis Usaha

Dalam termodinamika, Usaha (work) adalah suatu bentuk energi yang disebabkan adanya gaya yang bekerja melalui suatu jarak tertentu. Artinya, dalam hal ini bisa dikatakan bahwa kalau ada sesuatu yang berpindah akibat aksi suatu gaya, maka ada usaha yang terjadi, bila tidak ada yang berpindah, maka sebesar apapun gaya yang diberikan tetap tidak ada usaha yang terjadi.
Dalam sistem termodinamika, usaha merupakan salah satu dari dua bentuk energi yang dapat melintasi batas sistem (system boundary), bentuk energi lainnya adalah kalor.
Usaha memiliki satuan kJ (kilo Joule). Usaha yang dilakukan selama terjadinya proses antara state 1 dan 2 di simbolkan dengan W12 atau dapat juga ditulis dengan hurup W saja.

Baca selengkapnya…

Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi terjadi tanpa adanya media yang menghubungkan antara pengirim radiasi (benda panas) ke penerima radiasi (benda tidak panas). Sebenarnya, semua benda yang suhunya di atas 0 K akan melepaskan panasnya secara radiasi ke benda di sekelilingnya, tinggal tergantung, benda mana yang paling panas, itulah yang akan menjadi pemberi radiasi panas, sementara yang lebih dingin akan menjadi penerima.

Karena semua benda diatas suhu o K meradiasikan panas, maka basis untuk melakukan penghitungan perpindahan panas secara radiasi adalah menggunakan suhu mutlak ( Kelvin).

Besarnya panas yang diradiasikan oleh suatu benda dirumuskan melalui hukum Stefan-Boltzmann.

dimana A adalah luas permukaan radiasi, Ts adalah suhu mutlak permukaan benda yang mengemisikan panas secara radiasi. Konstanta Stefan-Boltzmann dinyatakan dengan huruf yunani sigma dan besarnya adalah:

Sementara

adalah emisivitas permukaan (emissivity) yang nilai nya bervariasi antara 0 hingga 1. Benda dengan emisivitas 1 disebut dengan black body. Sementara emisivitas dari beberapa material pada suhu 300 K dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel Emisivitas Beberapa Material

Selisih antara laju perpindahan panas radiasi antara dua benda adalah menjadi ukuran untuk menentukan laju perpindahan panas radiasi dari kedua benda tersebut. Namun, harus kita ketahui, bahwa dari seluruh energi panas yang diradiasikan oleh suatu benda, tidak seluruhnya akan diterima oleh benda peneria radiasi. Ini tergantung pada nilai absorsivitas dari benda penerima tersebut. Benda blackbody, tidak hanya dapat mengirimkan seluruhnya energi panas yang diradiasikan, namun juga dapat menerima seluruh energi yang dipancarkan kepadanya.

Pada kasus khusus, dimana sebuah benda (surface, s) dengan luas permukaan yang relatif kecil dibandingkan permukaan benda yang mengelilinginya (surrounding, surr), laju perpindahan panas radiasi dapat dirumuskan dengan:

Perpindahan Panas Konveksi

September 12, 2011 Komentar dimatikan

Bila ada fluida yang bergerak terhadap suatu permukaan, dan kedua suhunya tidak sama, maka akan terjadi mekanisme perpindahan panas secara konveksi. Semakin cepat gerakan fluida tersebut, maka semakin besar laju perpindahan panas konveksinya. Bila fluida tidak bergerak, maka mekanisme perpindahan panas akan menjadi mekanisme perpindahan konduksi kembali.

Perpindahan panas konveksi

Karena konveksi terjadi akibat adanya gerakan fluida, maka dikenal istilah konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami (konveksi bebas) terjadi karena fluida bergerak secara alamiah dimana pergerakan fluida tersebut lebih disebabkan oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut. Logikanya, kalau suhu fluida tinggi, tentunya dia akan menjadi lebih ringan dan mulai bergerak keatas.

Sementara konveksi paksa trjadi karena bergeraknya fluida bukan karena faktor alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower dan sebagainya.

Laju perpindahan panas konveksi dirumuskan melalui hukum pendinginan Newton (Newton’s Law of Cooling) yang dinyatakan dengan:

h adalah koefisien konveksi, A luas permukaan konveksi, T adalah suhu permukaan sementara T  adalah suhu fluida. Satuan untuk koefisien konveksi h adalah W/(m2.K).

Koefisien konveksi bukan merupakan properti dari suatu fluida. Ia merupakan parameter yang diperoleh berdasarkan experimen yang mana nilainya bergantung kepada semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida.

Perpindahan Panas Konduksi

KONDUKSI

Laju perpindahan panas konduksi melalui suatu lapisan material  dengan ketebalan tetap adalah berbanding lurus dengan beda suhu di pangkal dan ujung lapisan tersebut, berbandung lurus dengan luas permukaan tegak lurus arah perpindahan panas dan berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan.  Ini dinyatakan dengan:

dimana k adalah koefisien perpindahan panas konduksi atau konduktivitas panas (thermal conductivity) dari material tersebut.

Persamaan ini dikenal dengan hukum Fourier untuk laju perpindahan panas konduksi.

Untuk tebal lapisan mendekati 0, persamaan diatas dapat ditulis kembali menjadi:

Panas dikonduksikan dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya rendah. Sebagai akibatnya gradien suhu (dT/dx) kearah x positif  menjadi negatif. Dengan adanya tanda negatif  pada persamaan diatas akan menyebabkan nilai laju perpindahan panas dari suhu tinggi ke suhu rendah ini akan menjadi positif.

Sebagai contoh, bila suhu bervariasi secara linear pada suatu benda dengan ketebalan L, dimana suhu T1 > T2, maka akan terjadi perpindahan panas dari permukaan dengan suhu T1 ke arah permukaan dengan suhu T2.

Gradien suhu menjadi :

Laju perpindahan panas dalam arah x positif menjadi:

Nilai konduktivitas panas dari beberapa material pada suhu ruang dapat dilihat pada tabel berikut:

Perpindahan Panas – Pengantar

Dalam terminologi keteknikan, panas (heat) dimaksudkan sebagai salah satu bentuk energi. Ini tentunya berbeda dengan terminologi secara umum, yakni panas adalah sesuatu yang suhunya diatas suhu normal, sebagai contoh pada kalimat “badannya panas”, “airnya panas” dll.

Misalkan, bila dua benda saling bersentuhan, benda pertama suhunya( -5°C)  dan benda kedua suhunya (-30°C). Bila kita menggunakan terminologi umum, maka antara keduanya tidak akan terjadi perpindahan panas karena kedua benda tersebut berada dalam keadaan dingin!. Tetapi karena kita menggunakan terminologi keteknikan, maka sudah pasti akan terjadi perpindahan panas dari benda pertama ke benda kedua. Mengapa ?, karena kedua benda tersebut suhunya berbeda, maka pasti akan terjadi perpindahan panas.

Materi perpindahan panas secara mendalam diajarkan di mata kuliah Perpindahan Panas. Dalam bahasan ini hanya akan membicarakan secara ringkas tentang berbagai mode perpindahan panas yang ada.

Dalam proses perpindahan panas dikenal istilah isotermal (isothermal)  dan adiabatis (adiabatic).

Proses isotermal adalah proses yang terjadi pada keadaan suhu yang tidak berubah selama berlangsungnya proses tersebut. Untuk menggambarkannya saya ambil contoh proses anda menyetrika pakaian anda. Pasti anda sepakat bila sedang menyeterika pakaian anda, anda harus mempertahankan suhu setrika agar selalu tetap menggunakan pengatur suhu. Bagaimana kalau anda membiarkan suhu ini terus bertambah tinggi selama proses anda menyetrika…saya kira, anda perlu membeli pakaian baru untuk mengganti pakaian yang anda setrika tersebut.  Inilah penyebab kenapa kita perlu yang namanya proses isotermal.

Bagaimana dengan proses adiabatis.

Proses adiabatis adalah proses dimana tidak terjadi interaksi panas antara sistem dengan lingkungan. Untuk menggambarkannya bayangkanlah ketika anda tidur didaerah yang dingin katakanlah di gunung. Sudah pasti anda akan menggunakan selimut, semakin tebal selimutnya maka semakin nyaman anda tidur. Kenapa menggunakan selimut?, agar suhu lingkungan yang dingin tidak bersentuhan dengan tubuh anda. Sekarang, apakah tubuh anda bisa menjadi hangat dengan menggunakan selimut tersebut?. Jawabannya pasti ya. Mengapa?, karena tubuh anda sendiri mengeluarkan panas, dan panas ini tidak dapat melewati selimut anda. Akibatnya, panas yang terus menerus dikeluarkan oleh tubuh akan semakin meningkatkan suhu didalam selimut anda hingga tercapai suatu saat anda akan merasa suhu tersebut sudah terlalu panas dan menyebabkan anda bahkan berkeringat.

Demikian pula dengan proses adiabatis secara engineering. Dalam proses adiabatis, walaupun tidak ada panas yang dapat melintasi batas sistem, tetapi suhu sistem tetap dapat berubah akibat adanya aktivitas interaksi energi didalam sistem itu sendiri.

Sebagai energi, panas memiliki satuan kJ (SI) atau Btu (British Thermal Unit). Besarnya Energi yang berpindah selama proses perpindahan panas disimbolkan dengan : Q. Bila besarnya energi ini dihitung atas dasar per satuan massa maka simbolnya ditulis dengan : q

Sementara laju perpindahan panas merupakan besarnya energi panas yang berpindah persatuan waktu yang satuannya adalah kJ/detik atau kW. Dalam selang waktu tertentu (dari t1 hingga t2), besarnya energi panas yang berpindah merupakan integral dari laju perpindahan panas pada selang waktu tersebut.

Bila laju perpindahan panas sepanjang selang waktu tersebut adalah konstan, maka rumusan diatas dapat disederhanakan menjadi:

Panas dapat berpindah melalui tiga mekanisme yakni: konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi akibat adanya interaksi partikel zat dari yang lebih berenergi ke yang kurang berenergi. Terjadi pada umumnya melalui media padat. Pada media cair yang diam, perpindahan panas konduksi juga dapat terjadi, tetapi bila media cair tersebut mulai bergerak, maka analisis yang digunakan adalah analisis konveksi.
Konveksi adalah perpindahan panas dari permukaan media padat ke fluida yang bergerak diatas permukaan media padat tersebut. Sementara radiasi adalah perpindahan panas sebagai akibat terjadinya emisi dari gelombang elektromagnetis.

Pengenalan Hukum Termodinamika Pertama

Pada bahasan ini kita akan membahas secara ringkas  jenis energi yang saling berinteraksi dan penggunaan rumusan dasar yang menghubungkan interaksi tersebut.  Jenis energi yang dibahas  antara lain adalah kalor (heat)  dan usaha (work). Hal ini disebabkan jenis energi tersebut dapat melintasi batas dari suatu sistem. Penjelasan yang lebih mendalam mengenai mekanisme dan rumusan dasar ini dibahas dalam matakuliah lain di program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu.

Terjadinya interaksi antara kalor dan usaha pastilah akan mempengaruhi kandungan energi yang dimiliki oleh sistem. Sebagaimana bila ada interaksi antara anda makan dan bekerja, anda pasti tahu yang namanya bertambah kuat ataupun menjadi letih. Kandungan energi yang dimiliki oleh sistem ini dikenal dengan nama energi internal (internal energy).

Untuk menganalisis energi internal ini kita perlu juga memahami tentang panas jenis (specific heat) dan enthalpy.

Pengetahuan terhadap jenis energi inilah yang akan kita gunakan untuk memahami lebih dalam tentang bagaimana energi tersebut saling berinteraksi dalam suatu neraca kesetimbangan yang disebut dengan Hukum Termodinamika Pertama.

Persamaan Keadaan Gas Ideal

Persamaan keadaan (Equation of State) adalah persamaan yang menghubungkan antara tekanan, suhu dan volum jenis (spesific volume) dari suatu zat. Pada tulisan sebelum ini, kita telah melihat bagaimana hubungan dari ketiga properti ini melalui tabel yang berlaku untuk air.

Ada banyak jenis persamaan keadaan, namun yang paling sederhana diantaranya adalah persamaan gas ideal.

R  adalah konstanta proporsionalitas yang disebut dengan  gas constant memiliki nilai yang berbeda-beda tergantung jenis gas nya.
Persamaan diatas biasa ditulis dengan:
Karena 
dimana Rmerupakan konstanta gas universal (universal gas constant) dan M adalah berat molekul. Dan, massa adalah jumlah molekul di kalikan dengan berat molekul, yakni m = N.M, persamaan keadaan gas ideal dapat ditulis menjadi:
PV = N Ru T

Nilai untuk Universal Gas Constant, Ru dalam berbagai jenis satuan adalah sebagai berikut:

8.314 kJ/(kmol×K)
8.314 kPa×m3/(kmol×K)
1.986 Btu/(lbmol×R)
1545 ft×lbf/(lbmol×R)
10.73 psia×ft3/(lbmol×R)
Jika suatu gas mengalami tekanan yang jauh lebih rendah dari tekanan kritisnya dan suhu yang jauh lebih tinggi dari suhu kritisnya maka gas tersebut dapat diperlakukan sebagai gas ideal.
Jika suatu gas diperlakukan sebagai gas ideal, maka rumusan berikut berlaku pada gas tersebut:
Persamaan keadaan gas ideal sangat sederhana, namun range penerapannya terbatas, sehingga diperlukan suatu persamaan keadaan yang akurat pada range yang lebar. Persamaan keadaan lain yang dikenal antara lain adalah:
  • Persamaan Van der Waals (salah satu persamaan keadaan yang terdahulu)
  • Persamaan Beattie-Bridgeman (terkenal dan cukup akurat)
  • Persamaan Benedict-Webb-Rubin (terbaru dan sangat akurat)
Persamaan Van der Waals:
dimana :
Persamaan Beattie-Bridgeman:
dimana
Persamaan Benedict-Webb-Rubin
Bahan presentasi bab ini: AMBIL DISINI

 

Tabel Properti Untuk Compressed Liquid dan Superheated Vapor

Properti untuk compressed liquid dan Superheated Vapor relatif lebih mudah untuk dipahami, karena pada kawasan ini hanya ada satu nilai untuk masing-masing properti. Ini berbeda dari properti pada uap yang memiliki dua nilai untuk tiap properti, yakni nilai pada keadaan cair (ditandai subscript f) dan nilai pada keadaan uap (ditandai subscript g).

Tabel Properti Untuk Compressed Liquid

Untuk compressed liquid (fasa cair) contoh tabel propertinya adalah sebagai berikut:

Contoh compressed liquid tabel

 

Pada bagian yang dilingkari di atas tertulis P=5MPa(263.94 °C). Angka  P=5Mpa adalah nilai tekanan yang ditentukan untuk semua suhu pada tabel P=5MPa tersebut. Sementara  angka suhu (263.94 °C) adalah suhu saturasi pada tekanan 5 Mpa. Suhu saturasi ini ditulis sebagai Sat di baris ke-4 dari tabel tersebut dari merupakan baris pertama data. Artinya baris pertama data berisi informasi tentang properti pada tekanan dan Tsat nya. Baris berikutnya baru dimulai dengan suhu 0 °C dan seterusnya.

Pada tabel data untuk compressed liquid, data tabel tekanan ini dimulai dari tabel data untuk tekanan 5MPa (50 Bar).  Tentunya akan timbul pertanyaan, bagaimana menentukan nilai data properti compressed liquid untuk tekanan yang nilainya dibawah 5 MPa karena tabel datanya tidak tersedia.

Untuk tekanan di bawah 5 MPa, anda dapat menggunakan data dari tabel uap (steam tabel) yang telah kita gunakan pada artikel terdahulu. Namun karena pada steam tabel ada 2 jenis keadaan yakni keadaan cair (subscript f) dan keadaan uap (subscript g), maka anda harus memilih data untuk keadaan cairnya saja. Logikanya, tidak mungkin anda menggunakan data keadaan uap untuk cairan compressed liquid. Walaupun ini merupakan nilai pendekatan (aproksimasi) namun pendekatan ini diterima untuk perhitungan engineering pada tekanan dibawah 5 MPa tersebut.

 

Tabel Properti Untuk Superheated Vapor
Untuk superheated vapor, bentuk tabelnya sama dengan compressed liquid, dan langsung dapat digunakan pada berbagai kondisi tekanan tanpa perlu bantuan dari tabel uap (steam table) sebagaimana pada compressed liquid.
Untuk superheated vapor (fasa uap panas) contoh tabel propertinya adalah sebagai berikut:

contoh tabel superheated vapor

 

 

 

 

Cara Mudah Untuk Menentukan Nilai Properti Uap

September 1, 2011 1 komentar

Menggunakan tool yang disediakan secara online oleh NIST (National Institute of Standards and Technology) Amerika menjadikan penentuan properti dari uap air (steam property) jauh lebih mudah dan tanpa perlu melakukan interpolasi.

Caranya, anda cukup membuka link NIST di http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/ kemudian ikuti langkah langkah berikut:

1. Menentukan parameter dan jenis data yang akan di generate

  • Pada point 1, anda pastikan bahwa yang di pilih adalah WATER
  • Pada point 2, klik pada bulatan untuk memilih unit yang dipakai
  • Pada point 3 pilih :
  • Saturation Properties – temperature increments : untuk menggenerate tabel suhu
  • Saturation Properties – pressure  increments : untuk menggenerate tabel tekanan
  • Pada point 4 pastikan default
  • Pada point lima klik untuk melanjutkan
2. Input data, masukan nilai T minimum, T maksimum dan kenaikan data (Increment)

3. Tabel output. Perlu ditekankan disini, data yang dihasilkan terdiri dari 2 tabel, tabel cair dan tabel uap. artinya properti seperti uf, hf, vf  mengacu pada tabel pertama, sementara properti seperti ug, hg, vg, sg dll mengacu pada tabel kedua.