HUKUM I TERMODINAMIKA: BAB 3 HUKUM I TERMODINAMIKA: SISTEM TERBUKA

SISTEM TERBUKA Control volume Control surface q = u A

NERACA MASSA PERSAMAAN KONTINYUITAS

STEADY STATE adalah keadaan sistem jika kondisi dalam control volume tidak berubah dengan waktu.

NERACA ENERGI

Aliran yang masuk ke / keluar dari control volume akan membawa energi (per satuan massa) berupa: Internal energi (U) Energi kinetik (½u2) Energi potensial (zg) Laju energi masuk = Laju energi keluar = Laju energi netto =

Laju akumulasi energi:

Jika perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan: (2.52) Jika perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan: (2.53)

CONTOH 2.5 Sebuah tangki diisi dengan gas yang berasal dari pipa pe-nyaluran yang tekanannya konstan. Bagaimana hubungan antara enthalpy gas di bagian pemasukan dengan internal energi gas di dalam tangki? Abaikan transfer energi dari gas ke badan tangki. PENYELESAIAN NERACA MASSA = 0 (a)

NERACA ENERGI Tidak ada ekspansi, pengadukan dan shaft work, maka: Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan, maka: (b) Jika persamaan (a) dan (b) digabung:

Jika dikalikan dengan dt dan diintegralkan: m2 U2 – m1 U1 = Hin (m2 – m1) Keadaan mula-mula m1 = 0 sehingga: U2 = Hin

CONTOH 2.6 Sebuah tangki yang diisolasi mula-mula berisi 190 kg air dengan temperatur 60C. Air dikeluarkan dari tangki dengan laju alir konstan 0,2 kg/s, dan pada waktu yang sama ke dalam tangki dialirkan air yang memiliki temperatur 10C dengan laju alir sama. Berapa waktu yang diperlukan agar temperatur air di dalam tangki menjadi 35C? Anggap CP = CV = C, tidak tergantung pada temperatur. PENYELESAIAN 0,2 kg/s 10C T0=60C Asumsi: Di dalam tangki terjadi pencampuran sempurna  sifat-sifat air yang keluar = di dalam tangki

Neraca massa:

Jika perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan, maka: Neraca energi: Jika perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan, maka: Dari definisi kapasitas panas:

H – Hin = C (T – Tin)

H – Hin = C (T – Tin)

Jadi waktu yang diperlukan = 658,3 s atau 11 menit

NERACA ENERGI UNTUK PROSES ALIR STEADY STATE Steady state berarti: d(mU)CV/dt = 0 Massa di dalam control volume (CV) = konstan Tidak ada perubahan sifat-sifat fluida di dalam CV, di jalur pemasukan dan pengeluaran sepanjang waktu Tidak ada ekspansi di dalam CV Satu-satunya usaha/kerja yang ada adalah shaft work

Sistem satuan SI Sistem satuan British Jika perubahan energi kinetik dan potensial dapat diabaikan, maka: H = Q + WS

Perlu adanya reference state dengan H = 0 perubahan energi kinetik dan potensial dapat diabaikan Tidak ada shaft work H = H2 – H1 = Q H2 = Q + H1 Nilai mutlak dari enthalpy tidak diketahui; yang dapat diketahui/terukur adalah perubahan enthalpy. Perlu adanya reference state dengan H = 0 arbitrary Misal reference state untuk air adalah cairan pada triple point (0,01C dan 0,611 kPa)

CONTOH 2.7 Udara pada 1 bar dan 25C masuk ke kompresor dengan kecepatan rendah, keluar pada tekanan 3 bar, dan masuk ke nozzle dan mengalami ekspansi sampai kecepatan akhirnya 600 m/s dengan T dan P sama dengan kondisi awal. Jika usaha untuk kompresi sebesar 240 kJ per kg udara, berapa panas yang harus diambil selama proses kompresi? PENYELESAIAN Proses kembali ke T dan P semula  H = 0 Perubahan energi potensial diabaikan Udara masuk kompresor pelan  u1 = 0

Energi kinetik per satuan massa yang mengalir: Q = 180 – 240 = – 60 kJ kg-1 Jadi panas yang harus diambil adalah 60 kJ untuk setiap kg udara yang dikompresi.

CONTOH 2.8 Air pada 200(F) dipompa dari tangki penyimpan dengan laju 50(gal)(min)-1. Motor pompa memasok usaha sebesar 2(hp). Air mengalir ke sebuah alat penukar panas dan melepaskan panas sebesar 40.000(Btu)(min)-1. Selanjutnya air mengalir menuju tangki penyimpan kedua yang berada 50(ft) di atas tangki pertama. Berapa temperatur air yang masuk ke tangki kedua? PENYELESAIAN 50 ft

Ini merupakan proses alir steady Beda kecepatan linier aliran air di kedua tangki diabaikan  u2/2gc = 0 -2 -2 = 0,06 (Btu)(lbm)-1

= – 99,50 + 0,21 – 0,06 = – 99,35 (Btu)(lbm)-1 Dari steam table, enthalpy air (cair) pada 200(F) adalah: H1 = 168,09 (Btu)(lbm)-1 Sehingga: H = H2 – H1 = H2 – 168,09 = – 99,35 H2 = 168,09 – 99,35 = 68,74 (Btu)(lbm)-1 Dari Steam Table diperoleh: T2 = 100,74 (F)

PENYELESAIAN T1 = 598,15 K T2 = 513,15 K P1 = 700 kPa P2 = 350 kPa H1 = 3112,5 kJ/kg H2 = 2945,7 kJ/kg V1 = 388,61 cm3/g V2 = 667,75 cm3/g D1 = 5 cm D2 = ? u1 = 30 m/s u2 = ? Persamaan neraca energi:

Persamaan kontinyuitas: Aliran steam ini sudah steady 