exergy analysis

1. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II
E X E R G I
Matakuliah : Termodinamika II
Kode / SKS : 20P03908 / 3 SKS
Semester/ TA : Genap / 2023 /2024
Program Studi : Teknik Mesin FT UNNES
Dosen Pengampu : Dr. Eng. Karnowo
Dr.Eng.Aldias Bahatmaka
Ukuran Potensial Kerja
ENERGI
Energi terdiri dari dua bagian, energi yang dapat
dikonversikan menjadi kerja (EXERGI) dan yang tidak
1
E X E R G I

2. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II
Tujuan pelajaran ini:
E X E R G I 2
• Menentukan performansi peralatan teknik berdasarkan hukum
kedua termodinamika.
• Definisi exergi, sebagai kerja guna maksimum (maximum useful
work) yang dapat diperoleh dari sebuah sistem pada keadaan
tertentu dalam suatu lingkungan.
• Definisi kerja reversibel , sebagai kerja guna maksimum (maximum
useful work) yang dapat diperoleh sewaktu sebuah sistem yang
mengalami sebuah proses antara dua keadaan tertentu.
• Definisi pemusnahan exergi (exergy destruction), sebagai potensial
kerja yang terbuang selama sebuah proses sebagai hasil dari
irreversibilitas.
• Definisi effisiensi hukum kedua.
• Pengembangan relasi balan exergi .
• Aplilkasi balan exergi untuk sistem tertutup dan volume kendali.

3. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II
Pokok Bahasan
E X E R G I 3
1 Exergi: Potensial Kerja dari Energi
2 Kerja Reversibel dan Irreversibilitas
3 Efifisiensi Hukum Kedua
4 Perubahan Exergi Sistem
• Exergi Massa Tetap: Nonflow Exergy ( Sistem Tertutup)
• Exergi Massa Alir : Flow Exergy
5 Perpindahan Exergi melalui Kalor, Kerja, dan Massa
6 Prinsip Pengurangan Exergi dan Pemusnahan Exergi
7 Balan Exergi : Sistem Tertutup
8 Balan Exergi : Volume Kendali
• Balan Exergi Sistem Aliran Stedi
• Kerja Reversibel, Wrev
• Effisiensi Hukum Kedua untuk Alat-Teknik Aliran Stedi

4. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 4
5. PERPINDAHAN EXERGI MELALUI KALOR, KERJA DAN MASSA
Q
T
T
Q
X
o
Carnot
th
heat













1
,
 






 Q
T
To
Xheat 
1
atau,
a. Perpindahan Energi melalui Kalor, Q
Berdasarkan hukum kedua kita tahu bahwa hanya sebagian kalor yang berpindah pada
suhu diatas suhu lingkungan (environment ) dapat dikonversikan menjadi kerja. Kerja
guna maksimum (maximum useful work ) dihasilkan dengan melewatkan kalor yang
berpindah melalui sebuah mesin kalor reversibel.
Perpindahan Exergi melalui kalor adalah:

5. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 5
PERPINDAHAN KALOR, ENERGI dan EXERGI
Notes:
 Pembangkitan entropi (Entropy
generation) adalah selalu oleh
pemusnahan exergi ( exergy destruction )
dan perpindahan kalor Q pada lokasi
suhu T yang selalu diikuti perpindahan
entropi sebesar Q/T dan perpindahan
exergi sebesar (1-T0/T)Q.
 Perpindahan exergi melalui kalor adalah
nol untuk sistem adiabatik

6. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 6
Perpindahan Exergi melalui Kerja, W
Exergi adalah potensial kerja guna (useful work potential), dan perpindahan exergi melalui
kerja dapat dinyatakan:
surr
work
(for boundary work)
(for other forms of work)
W W
X
W


 

Dimana:
P0 = tekanan atmosphere
V1 dan V2 = volume awal dan akhir sistem.
.
Notes:
 Perpindahan exergi melalui kerja poros dan elektrik
sama dengan kerja W itu sendiri.
 Perpindahan eergi melalui kerja adalah nol untuk sistem
yang tidak mempunyai kerja
 Tidak ada perpindahan kerja guna (useful) yang
ditimbulkan kerja batas (boundary work) bila tekanan
sistem dijaga konstan pada tekanan atmospher

7. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 7
Perpindahan Exergi melalui Aliran Massa, m
Massa mengandung energi, entropi, dan exergi , maka aliran massa adalah suatu
mekanisme transport/ perpindahan energi, entropi, dan exergi masuk/ keluar
sebuah sistem.
Perpindahan Exergi melalui massa:
X m
mass  
Note:
Perpindahan exergi melalui massa adalah nol
untuk sistem yang tidak melibatkan aliran.

8. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 8
6. PRINSIP PENGURANGAN EXERGI & PEMUSNAHAN EXERGI
Exergi sebuah sistem terisolasi selama suatu proses selalu menurun
atau pada kasus sebuah proses reversibel tetap konstan. Hal ini
dikenal sebagai “prinsip pengurangan exergi (decrease of exergy
principle ) yang dinyatakan sbb::
isolated 2 1 isolated
( ) 0
X X X
   
Prinsip Pengurangan Exergi

9. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 9
Pemusnahan Exergi (Exergy Destruction)
Perubahan exergi sistem
dapat negatif, tetapi
pemusnahan exergi tidak.
destroyed
0 Irreversible proces
0 Reversible process
0 Impossible process
X







Irreversibilitas (ditimbulkan oleh gesekan, pencampuran, reaksi kimia, perpindahan
kalor melalui beda suhu tertentu, ekspansi tak-terkendasli, kompressi/ ekspansi non-
quasi-equilibrium ) selalu membangkitkan entropi, dan segala sesuatu yang
membangkitkan entropi selalu memusnahkan exergi. Pemusnahan exergi sebanding
dengan pembangkitan entropi yang dinyatakan dengan:
destroyed 0 gen
X T S

Prinsip pengurangan exergi bukan berarti exergi sistem
tidak dapat bertambah. Eperubahan exergi sistem
dapat positif atau negatif selama sebuah proses , tetapi
pemusnahan exergi tidak dsapat negatif. Prinsip
pengurangan exergi dapat disimpulkan sbb:

10. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 10
7. BALAN EXERGI SISTEM TERTUTUP
Balan exergi untuk suatu sistem yang mengalami sustu proses dapat dinyatakan
sbb:
Total Total Total Change in the
exergy exergy exergy total exergy
entering leaving destroyed of the system
       
       
  
       
       
       
in out destroyed system
Net exergy transfer Exergy Change
by heat, work, and mass destruction in exergy
X X X X
   
in out destroyed system
Rate of net exergy transfer Rate of exergy Rate of change
by heat, work, and mass destruction of exergy
X X X X
   
rate form
in out destroyed system
( )
x x x x
    unit-mass basis
Untuk proses reversible, suku Xdestroyed, = 0.

11. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 11
Dimana:
Mekanisme perpindahan exergi.
By Heat:
By Work:
By Mass:
Q
T
To
Xheat

 






 1
useful
work W
X 
 

m
Xmass

 
in out destroyed system
Rate of net exergy transfer Rate of exergy Rate of change
by heat, work, and mass destruction of exergy
X X X X
   

12. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 12
system
destroyed
out
in x
x
x
x 



system
destroyed
out
in X
X
X
X 


 


Balans Exergi untuk Sistem Tertutup
In rate form
Unit mass
system
destroyed
out
in X
X
X
X 



 Q
T
T
X o
heat

 /

 1
useful
work W
X 
  dt
dX
X system
system 

gen
o
destroyed S
T
X 
 

13. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 13
 
  1
2
1
2
1 X
X
S
T
V
V
P
W
Q
T
T
gen
o
o
k
k
o
















  system
gen
o
system
o
k
k
o
X
S
T
V
P
W
Q
T
T 



 












 1
Pers balans exergi
Balans Exergi untuk sistem tertutup
Jika arah perpindahan kalor masuk ke sistem dan arah perpindahan kerja keluar
sistem

14. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 14
  system
gen
o
system
o
k
k
o
X
S
T
V
P
W
Q
T
T 



 












 1
Exergy destroyed di sisi-luar batas
sistem dapat dihitung dengan
menuliskan balans exergi untuk sistem
yang diperluas yaitu meliputi sistem dan
immediate surroundingnya.
Exergy destroyed, Ҳdestroyed = To Sgen

15. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 15
system
destroyed
out
in x
x
x
x 



system
destroyed
out
in X
X
X
X 


 


In rate form
Unit mass
system
destroyed
out
in X
X
X
X 



8. BALAN EXERGI VOLUME KENDALI
Perpindahan exergi masuk atau keluar volume kendali (sistem terbuka) dapat
melalui perpindahan massa, kalor (heat) dan kerja (work)
 Q
T
T
X o
heat

 /

 1
useful
work W
X 
  dt
dX
X system
system 

gen
o
destroyed S
T
X 
 

m
Xmass

 

16. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 16
 
0
k 0 2 1 destroyed 2 1
k
1 ( ) i i e e
T
Q W P V V m m X X X
T
 
 
        
 
 
  
0 CV CV
0 destroyed
k
1 k i i e e
T dV dX
Q W P m m X
T dt dt
 
   
      
   
 
 
  
Dimana subskrip :
i = inlet,
e = exit,
1 = keadaan awal sistem
2 = keadaan akhir sistem
Untuk sistem tertutup, tidak ada massa melintasi batas sistem, maka suku exergi
massa alir masuk dan keluar sistem dihilangkan.
Balans Exergi untuk volume kendali
Jika diasumsikan perpindahan kalor ke sistem (positif), dan perpindahan kerja
keluar sistem (positif)
In rate form
“Laju perubahan exergi dalam VK, (dXCV/dt) = laju perpindahan exergi netto (by heat, work,
mass flow) - laju pemusnahan exergi (exergy destroyed) dalam VK”

17. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 17
Notes:
• Exergy destroyed hanya nol untuk proses reversibel.
• Kerja reversibel mengreprentasikan kerja output maksimum untuk sistem yang
menghasilkan kerja (misal: turbin) dan kerja input minimum untuk sistem yang
mengkonsumsi kerja (misal: kompressor).
Kerja reversibel, Wrev diperoleh dengan memasukkan Xdestroyed= 0 dalam pers balans
exergi
Kerja reversibel, Wrev
(kW)
)
(
1 2
1 
 










  m
Q
T
T
W k
k
o
rev



)
( 1
2 
 
 m
Wrev


Adiabatik, aliran tunggal :
Aliran tunggal :
0
bila, 
 destroyed
rev X
W
W
General :

18. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 18
“Perpindahan exergi masuk ke sebuah sistem
aliran-stedi sama dengan perpindahan exergi
keluar sistem ditambah pemusnahan exergi
dalam sistem”
Dimana :
Balans Exergi untuk sistem aliran-stedi
Peralatan teknik seperti turbin, kompressor, nozel, heat exchanger, dan pipa beroperasi
secara stedi; jadi tidak ada perubahan massa, energi, entropi, exergi dalam massa alir dan
sistem terhadap waktu..
0
1 












  
 destroyed
e
e
i
i
k
k
o
X
m
m
W
Q
T
T 



 

  0
1 













 destroyed
e
i
k
k
o
X
m
W
Q
T
T 


 

Untuk aliran tunggal:
  0
1 













 destroyed
e
i
k
k
o
x
w
q
T
T


 

Persatuan massa:
)
(
2
)
(
)
(
2
2
e
i
e
i
e
i
o
e
i
e
i z
z
g
V
V
s
s
T
h
h 








 








19. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 19
 
  CV
gen
o
e
e
i
i
o
k
k
o
)
X
X
(
S
T
m
m
V
V
P
W
Q
T
T
1
2
1
2
1 

















  

 
  CV
gen
o
e
e
i
i
CV
o
k
k
o
)
dt
/
dX
(
S
T
m
m
dt
/
dV
P
W
Q
T
T
















  
 




1
0
1 














  
 gen
o
e
e
i
i
k
k
o
S
T
m
m
W
Q
T
T 




0
1 















 gen
o
e
i
k
k
o
S
T
)
(
m
W
Q
T
T 



gz
V
s
s
T
h
h o
o
o 






2
2
)
(
)
(
)
(
)
(
)
( 2
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
z
z
g
V
V
s
s
T
h
h o 








 








0
1 













  gen
e
i
k
k
o
rev S
as
m
Q
T
T
W 


 ),
(
adiabatic
and
S
as
m
W gen
e
i
rev 0




 

 ),
(
Rangkuman
Balans exergi Volume Kendali
Kerja reversibel
Aliran tunggal
Aliran stedi
Adiabatik

20. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 20
Definisi effisiensi hukum kedua,
Turbin,
Kompressor,
Dimana:
Effisiensi Hukum Kedua Sistem Aliran Stedi
Asumsi: Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan, sistem adiabatik.
,
2
1
2
1
,







h
h
w
w
rev
turb
II
2
1
, 1






gen
o
turb
II
s
T
,
1
2
1
2
,
,
h
h
w
w in
rev
comp
II







1
2
, 1
h
h
s
T gen
o
comp
II




atau,
atau,
supplied
Exergy
recovered
Exergy

II


21. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 21
Heat exchanger
Mixing chamber
An adiabatic heat exchanger
with two unmixed fluid streams.
or
dimana
or
dimana
Effisiensi Hukum Kedua Sistem Aliran Stedi
,
)
(
)
(
2
1
3
4
,








hot
cold
exchanger
heat
II
m
m


)
(
1
2
1
,






hot
gen
o
HX
II
m
s
T


22. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 22
Analisis exergi proses Charging
Daya input reversibel selama proses :
Example 8-17

23. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 23
Analisis exergi sebuah Turbin Uap
Daya output reversibel turbin dapat ditentukan sbb::
Second-law efficiency,
Exergy destroyed,
Example 8-15

24. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 24
RINGKASAN
 Exergi merupakan potensial kerja guna dari energi.
 Exergi tidak kekal, sekali ia terbuang tidak akan pernah dapat
dikembalikan.
 Eergi adalah potensial kerja guna (useful work potential) dari
sebuah sistem pada keadaan tertentu
 Exergi adalah sebuah sifat termodinamika dan terkait dengan
keadaan sistem dan lingkungan
 Sebuah sistem yang dalam keadaan keseimbangan dengan
sekelilingnya mempunyai exergi nol dan dikatakan sistem pada
keadaan dead state
 Exergi dari kalor yang disupplai oleh reservoir termal equivalen
dengan kerja output sebuah mesin kalor Carnot yang beroperasi
antara reservoir dan llingkungan.

25. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 25
Kerja reversibel Wrev didefinisikan sebagai kerja guna maksimum
yang dapat dihasilkan (atau kerja minimum yang dibutuhkan
untuk disupplai) ketika sebuah sistem mengalami suatu proses
antara keadaan awal dan keadaan akhir tertentu. Ini dapat
tercapai bila prosesnya berlangsung reversibel secara total
Perbedaan antara kerja reversibel Wrev dan kerja guna Wu
disebabkan adanya ketidak-mampuan balik selama proses dan
dinamakan irreversibility I , dan equivalen dengan exergi yang
musnah (exergy destroyed), yang dinyatakan:
I = Xdestroyed = T0 Sgen = Wrev,out - Wu,out = Wu,in - Wrev,in
Dimana, Sgen adalah entropi yang dibangkitkan selama proses.
Untuk sebuah proses reversibel secara total, kerja guna dan kerja
reversibel identik jadi exergi musnah adalah nol. Exergi musnah
(Exergy destroyed) merupakan potensial kerja yang hilang dan
disebut juga keja yang terbuang atau kerja yang hilang.
RINGKASAN

26. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 26
Effisiensi hukum kedua adalah ukuran performansi sebuah sistem
relatif terhadap performansi pada kondisi reversibel untuk
keadaan akhir yang sama, yaitu:
RINGKASAN
for heat engines and other work-
producing devices
for refrigerators, heat pumps, and
other work-consuming devices.
 In general, the second-law efficiency

27. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 27
RINGKASAN
gz
V
s
s
T
h
h o
o
o 





2
)
(
)
(
2

 Exergi massa tetap (tak mengalir) :
 Exergi massa mengalir:
mgz
V
m
S
S
T
V
V
P
U
U
X o
o
o
o
o 







2
)
(
)
(
)
(
2
     
     
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
s
s
T
v
v
P
e
e
gz
V
s
s
T
v
v
P
u
u














2
2

....(kJ)
....(kJ/kg)
....(kJ/kg)

28. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 28
 Perubahan exergi massa yang mengalami proses dari keadaan (1)
ke (2):
RINGKASAN
-untuk massa tetap:
-untuk massa tetap:

29. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 29
RINGKASAN
 Perpindahan exergi
By Heat :
By Work :
By Mass :
 Prinsip pengurangan exergi

30. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 30
RINGKASAN
 Pers umum Balans Exergi sistem:
....(kJ)
....(kJ/s)
....(kJ/kg)
Dimana:

31. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 31
Notes:
• Untuk proses reversibel suku exergy destruction , Ҳdestroyed = 0
• Ҳdestroyed = To Sgen
RINGKASAN
 Pers umum Balans Exergi untuk sistem terbuka (Control Volume):
 
  1
2
1
2
1 X
X
S
T
m
m
V
V
P
W
Q
T
T
gen
o
e
e
i
i
o
k
k
o
















  
 

dt
dX
S
T
m
m
dt
dV
P
W
Q
T
T CV
gen
o
e
e
i
i
CV
o
k
k
o




















  
 



 

1

32. M. ZAHRI KADIR
Teknik Mesin FT Unsri TERMODINAMIKA II E X E R G I 32
Rangkuman
Perbedaan jenis Kerja:
1. Availability, Φ = (U –U0) - T0 (S – S0) + P0 (V – V0)
2. Reversible Work, Wrev = (Φ1 – Φ2)sys – QR (1 – T0/TR)
3. Actual Work (1st Law), W = Q - (U2 – U1) :
4. Surrounding Work, Wsurr = P0 (V2 – V1)
5. Useful Work, Wu = W – Wsurr
6. Lost Work (Irreversibility) I = Wrev – Wu
or I = T0 Sgen
dimana, Sgen = (S2 – S1)system + QR/TR + Qsurr/T0
Availability, Φ = Exergy, X
Irreversibility, I = Exergy Destroyed, Xdestroyed
Initial
state
Final
state
Dead
state