1. Dokumen tersebut membahas hukum-hukum termodinamika yang menerangkan aliran energi dalam sistem terbuka dan tertutup. 2. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa total energi yang masuk ke sistem harus sama dengan total energi yang keluar ditambah dengan perubahan energi dalam sistem. 3. Dokumen ini menggunakan hukum-hukum tersebut untuk menganalisis berbagai peralatan seperti nozzle, diffuser

1. H
U
KU
MPER
T
AMA
THERMODINAMIKA
(ANALISA ENERGI SISTEM TERBUKA)

2.  PEinitial  Q  W
 Ufinal  Uinitial KEfinal  KEinitial PEfinal
HUKUM PERTAMA THERMODYNAMICS
SISTEM TERTUTUP
Semua energi harus diperhitungkan dengan.
Energy can be neither created nor destroyed.
Energy In - Energy out = EnergyAccumulation
[Total Energy memasuki system]
- [ Total Energy meninggalkan system]
= [perubahan dalam total energy pada system]
Efinal  Einitial
jika KE2 – KE1 = 0 dan PE2 – PE1 = 0
U2  U1  ΔU  Q  W

3. U2  U1  ΔU  Q  W
Hukum Pertama Thermodynamics
Sistem Tertutup
3

4. Hukum pertama thermodinamika
Sistem terbuka
Energy dan Mass Balances for Control Volumes
4

5. pada aliran yang tetap, massa dan energy pada
control volume jumlahnya konstant.
5

6. MASS BALANCE
Saat opeasi tunak (steady state), jumlah aliran massa
yang masuk sama dengan jumah aliran massa yang
keluar. Massa tidak dapat disimpan atau dihancurkan
pada control volume.
m
in  m
out
0  m
out  m
in

7. ENERGY BALANCE (FIRST LAW)
Saat operasi tunak (steady-state) jumlah energi masuk sama dengan julah
energi yang meninggalkan control volume. Tidak ada energy yang di akumulasi
atau dihancurkan pada control volume.
Juml energy masuk– juml energy keluar = 0


u
m
inPin vin )  m
Q(W m
out Pout vout
ou
ν2


 in
gzin 


 
Pin vin
 

2
ν2
2
ν2
Pout
vout
 out
gzout m
in 
uin
QW  m
out uout





  
 in
 gzin 

2
ν2
2
ν2
Q W  mout 
hout  out
 gzout 
  min 
hin
7

8. MASSANDENER
G
YBALANC
ES
C
ONT
ROLV
OLUMEA
TST
EAD
YST
A
T
E
Mass Balance : 0  m
out  m
in


  
2
2
ν
gz2 m1h1  1
gz1 
2 2
ν
2h2  2
QWm
  
Energy Balance :
is positive for work by CV.
W
Qis positive for heat transferinto CV.
Subscript 1
Subscript 2
refers to input stream.
refers to output or exit stream.
8

9. Aplikasi untuk beberapa system tunak
(steady state)
• Mulai dengan yang mudah
– nozzles
– diffusers
– valves
• systems dengan kerja masuk/keluar
– turbines
– compressors/pumps
9
Sejumlah peralatan-peralatan keteknikan seperti turbin, kompresor dan
nosel dioperasikan untuk periode yang lama dan dalam kondisi yang sama.
Peralatan yang demikian disebut dengan peralatan steady state.

10. 10

11. BEBERAPA HAL YANG DIPERLUKAN
UNTUK MENGANALISA SISTEM
• Kekekalan massa
• Kekekalan energy
• Hubungan antar sifat (Property relationships)
• Persamaan keadan gas Ideal
• Property tables
• Pendekatan analisa secara sistematik
11

12. NOZZLES DAN DIFFUSERS
• Nozzle—alat unt mempercepat fluida sebagai ganti
turunnya tekanan.
V1, p1
V2, p2
• Diffuser—alat untuk memperlambat fluida dan
menaikkan tekanan.
V1, p1
V2, p2
12

13. ASUMSI UMUM UNTUK NOZZLES DAN
DIFFUSERS
• Tunak (Steady state, steady flow)
• Nozzles dan diffusers tidak melakukan dan dikenai kerja.
• Perubahan energi potensianya biasanya sangat kecil.
• Biasaya adalah proses adiabatic.
13

14. dmC
MEMULAI ANALISA DIFFUSERS DAN
NOZZLES DENGAN KEKEKALAN MASSA
Jika sistem tunak (steady state, steady flow),
maka :

dan
m
1 
14

15. DILANJUTKAN DENGAN
KEKEKALAN ENERGY

dt
dECV
2
Q WCV  m[(hi  he )  i e
 g(zi  ze )]  0
   V 2
V 2
2
1
2
 g(z2  z1 )
q  w  (h2  h1 ) 
V 2
V 2
Pakai definisi bahwa w=0 dan
gunakan asumsi yang lain...
0 0
Disederhanakan dengan membagi dengan
aliran massa (mass flow):
0
15

16. SEKARANG PERSAMAANNYA
MENJADI LEBIH SEDERHANA :
2
V 2
V 2
(h2  h1 )  1 2
untuk a nozzle atau diffuser, proses yang terjadi
adalah perubahan energi aliran dan energi
dalam, yang dinyatakan oleh dh menjadi energi
kinetic energy, atau kebalikannya.
Ingat pada constant specific heats berlaku:
dh  h2  h1  cp(T2 T1 )
du  u2  u1  cv(T2 T1 )
16

17. CONTOH SOAL
Sebuah diffuser adiabatik bekerja dengan
menurunkan kecepatan aliran udara dari 250
m/s ke 35 m/s. tekanan masuk 100 kPa dan
temperatur masuk 300°C. tentukan luasan
keluar dalam cm2 jika laju aliran masa (mass
flow rate) 7 kg/s dan tekanan keluar 167 kPa.
17

18. ASSUMSI
• Tunak(Steady state, steady flow)
• adiabatic
• Tidak ada kerja
• Perubahan energi potensial sama dengan nol
• Udara adalah gas ideal
• constant specific heats
Diffuser
INLET
T1=300C
P1=100 kPa
V1=250 m/s
m = 7 kg/s
OUTLET
P2=167 kPa
V2=35 m/s
18

19. TERAPKAN PERSAMAAN DASAR
Kekekalan Massa
m1 m
2  m
m  V1 A1
 V
Penyelesaian untuk A2
2
2
2
V
mν
A 
19

20. BAGAIMANA UNTUK MENDAPATKAN
SPECIFIC VOLUMES?
Ingat persamaan keadaan gas ideal gas?
P RT
atau
1
1
1
P
RT
 
2
2
2
P
RT
 
dan
Yang diketahui T1 dan P1, jadi v1 mudah.
Juga diketahui P2, tapi bagaimana dgn T2?
DIBUTUHKAN PERSAMAAN ENERGI!!!!
20

21. PERSAMAAN ENERGI
Energy
2
V 2
V 2
(h2  h1 )  1 2
V1 dan V2 diketahui.
gunakan assumed constant specific heats, dimana Cp = 1003,5
J/(kg.K)
2
V 2
V 2
T1 )  1 2
cp(T2  V 2
cp 2

 
 V 2
T2   1 2
 T1
2502
 352

T2  
1,0035 2
  573
 
T2  603,5 K
21

22. 22
SEKARANG DAPAT DISELESAIKAN DENGAN.
kg
m3
1.0352
P2
2
 
RT
2


35

  
m3
kg 
7
s
1.0352
m
and
2
A2  2070cm
2
2
2
V
m
ν
A 

23. ALAT THROTTLING (KATUP/VALVES)
23

24. ASSUMSI UMUM UNT ALAT THROTTLING
• Tidak ada kerja
• Perubahan energi potensial nol
• Perubahan energi kinetik biasanya sangat kecil
• Perpindahan kalor biasanya sangat kecil
Menggunakan persamaan energi :
Terapkan asumsi :
 g(z2  z1 )
1
V 2
2
2
V 2
didapatkan: (h2  h1)0 atau
0 0
q  w  (h2  h1 ) 
0
0
Perhatikan implikasinya:
Jika fluidanya adalah gas ideal:
(h2  h1) cp (T2
cp selalu bernilai positif, sehingga:
T1 ) 0
T2  T1
24

25. Refrigerant 134a enters a valve as a saturated liquid at 200 psia
and leaves at 50 psia. What is the quality of the refrigerant at the
exit of the valve?
25

29. TURBIN DAN KOMPRESOR
Dalam pembangkit listrik tenaga uap, gas dan air, alat yang menggerakkan generator listrik adalah
turbin. Ketika fluida mengalir melalui turbin maka kerja akan melawan sudu yang tertempel pada
poros. Sebagai hasilnya, poros berputar dan turbin menghasilkan kerja. Kerja yang dihasilkan turbin
adalah positif karena dilakukan oleh fluida.
• turbine adalah alat yang menghasilkan kerja dari gas yang
melaluinya dan melewati serangkaian sudu yang terpasang pada
poros sehingga menggerakan poros bebas berputar.
29

30. 30

31. 31
TURBINES
Dengan asumsi tunak (steady state),
V 2
V 2
q  w  (h2  h1 ) 2 1
q  w  (h2  h1)
terkadang
diabaikan
Hampir selalu diabaikan
inlet
outlet
w
mungkin q
• Secara skematik turbine dapat
digambarkan :

32. COMPRESSORS, POMPA, DAN KIPAS
(FANS)
Perbedaan utamanya
• Compressor – digunakan untuk menaikkan
tekanan pada fluida termampatkan
(compressible fluid)
• Pompa – digunakan untuk menaikkan
tekanan atau potenstial pada fluida tak
termampatkan (incompressible fluid)
• Kipas (Fan) – penggunaan utamanya untuk
memindahkan sejumlah besar gas, tetapi
biasanya kenaikan tekanannya sangat kecil
32

33. COMPRESSORS, PUMPS, AND
FANS
Axial flow
Compressor
Side view End view
Centrifugal pump
33

34. 34

35. 35

36. SAMPLE PROBLEM
Udara mula-mula pada 15 psia dan 60°F ditekan
sehingga 75 psia dan 400°F. daya yang diberikan
ke udara adalah 5 hp dan kalor yang terbuang 4
Btu/lb selama proses berlangsung. Tentukan
aliran massa (mass flow) dalam lbm/min.
36

37. ASSUMPTIONS
• Tunak (Steady state steady flow)
• Perubahan energi potensial diabaikan
• Perubahan energi kinetik diabaikan
• Udara sebagai gas ideal
• constant specific heats
Cp = 0.240 Btu/lbm.R
37

38. TERAPKAN HUKUM PERTAMA THERMO:
1

 V 2
0
QW
sh  m
h1 
disederhanakan:
0
0 0
1
2
 m
h  h 
sh
m
q W
2 1
m sh
q  h  h 
W
sehingga:
W s
h
q  cp T2 T1 
m
gunakan assumed constant specific heats,
38

39. Ubah dahulu temperature dari fahrenheit ke rankine
T2  400  460
T2  860
T1  60  460
T1  520
Sehingga penyelesainnya adalah



Btu
 4  0

5hp 550 
hps
ft  lbf  60s 
m  
min
m  2.6
lbm
39

45. RINGKASAN

46. RINGKASAN

47. RINGKASAN

48. RINGKASAN

49. “T
ERIMAKASIH” Selamat Belajar