BAB 2. TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS 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-azas termodinamika 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. $. endahuluan roses pendinginan berarti memindahkan panas dari satu lingkungan ke lingkungan lainnya dengan cara-cara tertentu. %iperlukan analisa termodinamika serta na lisa pindah panas dan massa untuk mengetahui proses yang terjadi. %alam analisa ini dibutuhkan satuan dan besaran tertentu yang umum dikenal sebagai properti termodinamika.$nalisa juga dilakukan berdasarkan suatu pemikiran. ada proses pendinginan! pemikiran p emikiran yang melandasi adalah siklus Carnot. &. #istem dan 'ingkungan Termodinamika berhubungan dengan perubahan energi yang terjadi antara sistem dengan lingkungannya karena adanya adan ya 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 sistem dipisahkan oleh suatu batas sistem.(atas sistem ini dapat berupa batas n yata atau batas khayal. )Tambunan! )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 b epindah
•
#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! )Tambunan! *++,
*. 0ukum Termodinamika Termodinamika •
$nalisa termodinamika berpedoman kepada 0ukum Termodinamika! yaitu 0ukum pertama dan Kedua Termodinamika. Termodinamika. 0ukum Termodinamika 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
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 energi dalam 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 ditulis menjadi ......................................)*.* Kerja dalam proses termodinamika dinyatakan sebagai perkalian antara tekanan dan perubahan "olume. ....................................)*.3 1ika energi yang terlibat dalam proses hanya energi panas! mak a persamaan )*.3 dapat ditulis sebagai ......................................)*.4 enjumlahan energi dalam dengan perkalian tekanan dan perubahan "olume disebut sebagai entalpi )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 lebih tinggi 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
energi yang dapat digunakan. ada kenyataannya! tidak ada proses yang sesempurna ini karena setiap kon"ersi energi selalu diikuti dengan kehilangan energi. /ntropi suatu sistem secara termodinamik dinyatakan sebagai
999999999 )*.: ada proses adiabatik! dimana tidak ada panas yang berpindah! tidak terjadi perubahan entropi. 1ika pada sistem terjadi reaksi kimia yang mempunyai entalpi perubah an sebesar DH ! maka perpindahan panas antara sistem dengan lingkungan pada tekanan tetap adalah q=DT . %efinisi entropi secara statistik memungkinkan kita menghitung ketidak-teraturan sistem secara nyata dengan ersamaan 'udwig (oltzman berikut .....................................)*., dimana ; adalah banyaknya "ariasi cara untuk mendapatkan energi sistem melalui penyusunan atom atau molekul diantara status yang tersedia! sedangkan k adalah tetapan (oltzman! yaitu )Tambunan! *++, 0ukum kedua termodinamika menghasilkan konsep eksergi! yang didefinisikan sebagai energi minimum yang diperlukan oleh! atau energi maksimum yang dapat diambil dari! suatu proses tertentu. Melalui konsep eksergi! tingkat kegunaan dinyatakan sebagai bagian energi yang dapat dikon"ersi menjadi kerja mekanis. enggunaan kaidah eksergi dalam analisa pendinginan dijelaskan pada bagian lain. 3. roperti! #tatus dan
ilai salah satu properti dapat ditentukan dari dua properti lainnya! misalnya tekanan sebagai fungsi "olume spesifik dan suhu! atau p8p)"!T! dan seterusnya. roperti yang umum digunakan untuk menyatakan status suatu sistem sederhana )zat murni yang hanya terdiri atas satu komponen adalah tekanan )p? satuan a! "olume spesifik )"? satuan m35kg! suhu )T? satuan K! energi dalam spesifik )u? satuan k15kg! entalpi spesifik )h? satuan k15kg! dan entropi spesifik )s? satuan k15kg.@ntuk sistem yang terdiri atas lebih dari satu zat yang tidak saling bersenyawa! penentuan nilai properti tersebut dapat dilakukan jika komposisi masing-masing zat di dalam sistem diketahui. )Tambunan! *++, roperti dapat digolongkan menjadi properti ekstensif! yaitu jika nilainya b erubah akibat pembagian5pembelahan )seperti massa! "olume! dan energi! dan properti intensif! yaitu jika nilainya tetap meskipun terjadi pembagian5pembelahan )seperti "olume jenis! tekanan dan suhu )Tambunan! *++,.
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 pad a satu satuan massa zat 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 "olume tetap 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 idea l 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
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-cairgas yang sering juga disebut sebagai garis tripel. (idang-bidang tersebut memberi semua kemungkinan 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
)c Gambar *-*. %iagram p-T )a! diagram p-" )b! dan diagra m 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 dinyatakan dalam 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 maka diperoleh 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.
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 tersebut dapat 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 perpindahan sangat 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 "olume sehingga "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 wilayah yang 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 akibat adanya 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 pipa kapiler 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 cara tertentu. 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 sistem tersebut adalah ; 8 luasan &-a-*-d-c - luasan *-b-&-c-d 8 luasan &-a-*-b-& )luasan terarsir! atau
*.&3D
Gambar *-3. #uatu siklus tertutup yang digambarkan pada diagram p-"
%engan demikian! siklus adalah suatu perubahan keadaan yang melingkupi suatu luasan tertutup di 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 pada siklus 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 dihasilkan dengan 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
digunakan sebagai analogi suatu pompa air yang digunakan untuk memperoleh air dari sumber pada lokasi yang lebih rendah. Kinerja kedua mesin tersebut umumnya dinyatakan dengan tetapan penampilan )coe!!icient o! per!ormance? C! yaitu Mesin pendingin
*.&:D
ompa panas
*.&,D
Koefisien penampilan di atas dapat digunakan sebagai pembanding standar untuk mesin pendingin dan pompa panas dalam keadaan nyata.
Gambar *.4. #iklus terbalik Contoh #oal *.&. Tentukan entalpi dan ener"i dalam #at karbondioksida yan" berada pada keadaan uap $enuh pada suhu dan tekanan seperti pada contoh soal 1.% $ika panas laten pen"uapannya adalah &2'%(2 k)/k" dan *olume $enis uap $enuh yan" dihasilkan adalah '%'&+2 m&/k". Jawab,
anas laten pen"uapan adalah selisih antara entalpi pada keadaan uap $enuh den"an en talpi pada keadaan cair $enuh% atau, arena Hl = '% maka H* = DH ' = &2'%(2 k)/k" 0ner"i dalam dapat ditentukan den"an men""unakan persamaan% * = H* - pV* = &2'%(2 - 1'& '%'&+23 = 2+2%&2 k)/k"
Contoh soal *.* ap pada tekanan 1' bar dan mutu uap '.4 dicekik hin""a mencapai tekanan 2 bar. 5unakan tabel uap untuk menentukan mutu uap akhir. Jawab ,
ada p1 = 1' bar diperoleh T1 = 164.4 o7% h!1 = 682.+1 k)/k"% dan h"1 = 266+.1 k)/k" ada p2 = 2 bar diperoleh T2 = 12'.2 o7% h!2 = ('9.6' k)/k"% dan h"2 = 26'8.6 k)/k" Den"an pers. :1-2; diperoleh h1 = h!1 <1 h"1 - h!13 = 682.+1 '.4 2'1(.243 = 2(68.(6 k)/k" roses cekik ter$adi secara adiabatik sehin""a h1 = h2 = 2(68.(6 k)/k" arena h2 h"2 maka mutu uap <2 = h2 - h!23/h"2 - h!23 = 2'61.+6/22'2.' = '.49 •
/ntalpi. 1ika suatu proses pada tekanan tetap dilakukan dengan tanpa adanya kerja yang dilakukan pada proses tersebut! maka panas yang dipindahkan per unit massa adalah entalpi zat tersebut. /ntalpi selalu ditetapkan berdasarkan satu datum.
•
/ntropi! adalah ukuran keteraturan benda atau lingkungan.
•
Kerapatan! adalah massa benda setiap unit "olume )kg5m3. Kebalikan dari kerpatan adalah "olume spesifik! "olume benda setiap unit massa )m35kg.
•
anas jenis )c! adalah jumlah energi yang digunakan untuk meningkatkan suhu & K setiap & kg zat )15kg.K. (esarnya panas jenis bergantung pada proses yang dilakukan karenanya dikenal dua macam panas jenis! yaitu panas jenis dalam tekanan konstan dan "olume konstan )cp dan c*.
•
anas laten! adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa & kg zat )15kg. ada pemanasan air! saat air mencapai suhu &+++C! proses kenaikan suhu akan berhenti dan terjadi perubahan fasa air dari cair menjadi gas. /nergi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa inilah yang disebut sebagai panas laten suatu zat.
#iklus carnot pertama kali diperkenalkan oleh #adi Carnot! ilmuwan rancis )&,B:-&A3* yang dikembangkan oleh Clayperon. #iklus Carnot merupakan siklus yang digunakan untuk analisa mesin panas! dimana untuk menghasilkan kerja! maka kalor dipindahkan dari suhu tinggi ke suhu rendah. ada siklus pendinginan! hal ini dibalik! dimana tujuan akhirnya adalah mendapatkan keadan yang lebih dingin. embalikan ini digambarkan pada gambar berikut
ada siklus Carnot asli! kerja dihasilkan dari berpindahnya pa nas 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 perbandingan hasil 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 besar dari satu )efisiensi8 Hl5;
