Ppt Thermo 2.pdf

First Law of Thermodynamics Fadel Putra Wicaksono

(1506673372)

Dianah Salsha Dilla

(1706985703)

Yovita Wilona

(1706038550)

Achmad Rayhan

(1706985640)

Gilang Putra

(1706985722)

Figure 1 shows a gas contained in a vertical piston cylinder assembly. A vertical shaft whose cross-sectional area is 0.8 cm2 is attached to the top of the piston. The total mass of the piston and shaft is 25 kg. While the gas is slowly heated, the internal energy of the gas increase by 0.1 kJ, the potential energy of the piston-shaft combination increases by 0.2 kJ, and a force of 1334 N is exerted on the shaft as shown in the figure. The piston and cylinder are poor conductors, and friction between them is negligible. The local atmospheric pressure is 1 bar and g is 9.81 m/s 2.

1

Determine: (a) the work done by the shaft, (b) the work done in displacing the atmosphere, (c) the heat transfer to the gas, all in kJ. (d) Using calculated and given data, develop a detailed accounting of the transfer of energy to the gas.

2

(a) Kerja yang dilakukan oleh tangkai dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

Diketahui bahwa massa tangkai & piston adalah 25 kg, g sebesar 9.81 m/s2 dan perubahan energi potensial tangkai & piston sebesar 0,2 kJ

(subskrip p-s = piston - shaft).

Dengan diperolehnya nilai tersebut, maka kerja (dengan konvensi tanda sesuai para pakar termodinamika) dapat dicari dimana:

Tanda negatif menunjukkan bahwa kerja diterima oleh sistem dari lingkungan (sistem disini adalah tangkai & piston)

(b) Berdasarkan hukum kekekalan energi, kerja yang diterima oleh tangkai & piston sama dengan kerja yang diberikan oleh gas untuk “memindahkan atmosfer” sehingga:

Tanda positif menunjukkan bahwa kerja diberikan oleh sistem kepada lingkungan (sistem disini adalah gas dalam kontainer).

(c) Perpindahan panas yang terjadi pada gas dapat dicari dengan menggunakan kesetimbangan perubahan energi pada sistem tertutup.

Data yang diperoleh pada persoalan adalah energi internal sistem meningkat sebesar 0.1 kJ. Diasumsikan bahwa tidak terjadi perubahan energi kinetik yang besar pada pemanasan sistem, sehingga perubahannya 0 kJ. Berdasarkan hukum kekekalan energi, energi potensial sistem gas dianggap menurun sebesar 0.2 kJ (karena energi potensial piston - tangkai meningkat sebesar 0.2 kJ). Oleh karena itu, nilai panas yang berpindah ke sistem dapat dicari sebagai berikut:

Tanda positif menunjukkan bahwa panas diterima oleh sistem dari lingkungan (sistem disini adalah gas dalam kontainer).

(d) Perpindahan energi secara keseluruhan pada sistem gas dapat ditulis sebagai berikut:

Hal ini memperlihatkan bahwa sistem gas kehilangan energi sebesar 0.1 kJ kepada lingkungan.

Explain the following terms using your own words and apply your statement to the cylinder-piston system shown in the picture above : (a) system,

2

(b) steady-state process, (c) unsteady state (transient) process, (d) open system, (e) close system, (f) adiabatic process, (g) state function 9

a)

System ➢

Sistem adalah segala sesuatu yang ingin kita pelajari kondisinya yang dimana merupakan suatu wilayah yang yang berada di dalam system boundary. Jika pada sistem cylinder-piston maka sistemnya adalah gas yang berada di dalam cylinder-piston dengan dinding cylinder dan piston sebagai system boundarynya.

Gambar 1. Sistem Cylinder-piston (sumber : https://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node11.html)

b)

Steady state process ➢

Steady state process adalah keadaan dimana semua kondisinya (momentum, masa, suhu, dll) tidak dipengaruhi oleh waktu. Di dunia nyata, tidak ada kondisi yang benar-benar steady state, namun karena perubahan terhadap waktunya sangatlah kecil, maka perubahan tersebut dapat diabaikan dan dianggap steady state. Sistem cylinder-piston bukan merupakan steady state

10

a)

Unsteady state (transient) process ➢

Unsteady state process adalah kondisinya (momentum, massa, suhu, dll) akan berubah sering waktu, Pada sistem cylinder-piston, gas mengalami ekspansi yang menyebabkan adanya kemungkinan perubahan suhu dan tekanan sehingga akan menyebabkan adanya perubahan energi dalam pada sistem.

b)

Open system ➢

Open system adalah sistem yang terbuka sehingga terdapat pertukaran massa dengan lingkungannya, dan juga dapat terjadi pertukaran kalor dan kerja. Pada sistem cylinder-piston ini bukan merupakan open system

c)

Closed system Closed system adalah sistem yang tertutup sehingga tidak terdapat pertukaran masa dengan lingkungannya, tetapi dapat terjadi pertukaran kalor dan kerja. Biasa juga dikenal dengan isolated system. Pada sistem cylinder-piston ini tidak ada massa sistem (gas) yang keluar ataupun masuk melewati boundary system, maka dapat dikatakan bahwa sistem ini adalah closed system. 11

a)

Adiabatic process Adiabatic process adalah sebuah proses yang tidak terjadi perpindahan kalor (sistem terinsulasi sempurna). Proses cylinder-piston bukan merupakan proses adiabatic karena adanya kalor yang masuk ke dalam sistem.

b)

State function State function adalah semua variabel (fungsi) yang nilainya bergantung hanya pada state dari sistem dan tidak bergantung pada kondisi sebelumnya (contoh : energi dalam, entalphi, entropi).

12

Discuss the relative importance of each mode of heat transfer (conduction, convection, radiation) present in the Figure 2. Hint use the appropriate equation for each heat transfer mode

3

13

a)

Conduction ➢

Konduksi merupakan perpindahan kalor dari partikel yang bergerak lebih cepat ke partikel yang lebih lambat karena adanya interaksi antar partikel. Perpindahan kalor oleh konduksi dapat didefinisikan oleh Hukum Fourier yaitu,

Keterangan, Q = Laju perpindahan kalor secara konduksi K = konduktivitas thermal A = luas area yang dilalui dT/dx=Perubahan Temperatur arah x

➢

Pada gambar di atas, terjadi perpindahan kalor secara konduksi melalui benda padat yaitu kalor yang berpindah dari ujung besi logam yang satu ke ujung lainnya.

14

a)

Convection ➢

Konveksi adalah perpindahan kalor dari permukaan solid pada suhu Tb dengan gas/liquid yang bersentuhan dengan permukaan solid pada suhu Tf. Jika Tb > Tf, maka besarnya dapat didefinisikan oleh persamaan hukum pendinginan newton, sebagai berikut Qc =h.A.(Tb-Tf) Keterangan, Qc = Laju perpindahan kalor secara konveksi h = koefisien perpindahan kalor secara konveksi A = luas area yang dilalui

➢

Peristiwa konveksi adalah perpindahan panas melalui aliran yang zat perantaranya ikut berpindah.

➢

Saat api unggun dinyalakan, maka api unggun akan turut serta memanaskan udara yang ada di sekitarnya dan kemudian perpindahan kalor terjadi melalui pergerakan udara panas yang naik atas.

15

a)

Radiation ➢

Radiasi adalah perpindahan kalor yang terjadi tanpa perantara, perpindahan kalor oleh radiasi ini diemisikan oleh material sebagai hasil dari konfigurasi elektron dari atom / molekul di dalamnya. Kalor dipindahkan oleh gelombang

elektromagnetik

(seperti

foton).

Radiasi

thermal

dapat

didefinisikan

melalui

Hukum

Stefan-Blotzmann

Keterangan, Qc = Laju perpindahan kalor secara radiasi = Emisivitas (01) = Konstanta Stefan-Boltzmann(= 5,67.10-8w/m2K4 = 0,1714.108 Btu/h.ft2R4) A = luas area yang dilalui

➢

sumber panas adalah api yang kalornya berpindah dalam bentuk cahaya, cahaya dapat merambat di dalam ruang hampa sekalipun. 16

List all kind of energy and give real-life example of each. 1.

Kerja (Work) Kerja merupakan suatu bentuk energi yang menunjukkan perpindahan(transfer) antara sistem dan sekitarnya.

Kerja tidak dapat disimpan. Kerja positif jika dikerjakan pada sistem. Untuk terjadinya kerja karena gaya mekanis, batasan dalam suatu sistem harus bergerak.

dengan F merupakan gaya eksternal dalam arah s yang bekerja pada sistem (atau gaya sistem yang bekerja pada

4

sekitarnya).Dalam keseharian, contoh kerja seperti lemari yang didorong dimana lemari merupakan sistem dan kerja yang dilakukan pada lemari bernilai positif.

2.

Kalor ( Heat) Didefinisikan sebagai bagian aliran energi total yang mengalir menyebrangi batasan sistem

disebabkan oleh perbedaan suhu antara sistem dan sekitarnya. Kalor tidak diciptakan atau disimpan. Kalor positif jika dipindahkan ke sistem yang mungkin dipindahkan secara konduksi, konveksi, atau radiasi.

Contoh dalam kehidupan sehari-hari seperti energi panas matahari yang kita rasakan secara langsung tanpa perantara.

17

3.

Energi Kinetik (Kinetic Energy) Merupakan energi yang dimiliki oleh suatu sistem karena kecepatannya relatif terhadap sekitarnya.

Dengan subscript topi (^) menunjukkan energi persatuan massa dan bukan energi kinetik total, seperti pada persamaan umum. Contohnya seperti kendaraan yang bergerak karena memiliki kecepatan. 4.

Energi Potensial (Potential Energy) Didefinisikan sebagai energi yang dimiliki oleh suatu sistem karena gaya badan yang didesakkan pada massanya oleh medan gravitasi atau elektromagnetik relatif terhadap permukaan referensi.

untuk h adalah jarak dari permukaan referensi serta simbol (^) menandakan energi potensial persatuan massa. Pengukuran h dilakukan ke pusat massa dari suatu sistem. Adapun contoh pada keseharian seperti air terjun, ketika air masih berada pada tepi dan telah mencapai air terjun namun belum terjatuh .

18

5.

Energi Internal (Internal Energy) Merupakan pengukuran makroskopik dari energi molekuler, atomik, dan subatomik, yang semuanya mengikuti kaidah konservasi mikroskopik tertentu. Energi internal harus dihitung dari variabel tertentu lainnya yang dapat diukur secara makroskopik, seperti tekanan, volume, suhu, dan komposisi. Untuk komponen murni dapat dinyatakan dua variabel intensif saja sesuai dengan kaidah fase sehingga diperoleh bahwa U adalah fungsi dari T dan V,

Dalam menghitung energi internal relatif terhadap keadaan referensi, tetapi bukan nilai absolut dari energi internal. Adapun contoh dalam kehidupan sehari-hari seperti pergerakan molekul diantaranya translasi, rotasi, dan vibrasi pada skala mikro. 6.

Entalpi (Entalphy) Merupakan istilh yang menyatakan jumlah energi internal yang terdapat dalam sebuah sistem ditambah dengan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan aktivitas pada suatu materi. 19

Entalpi tidak memiliki nilai absolut, hanya perubahan dalam entalpi yang dapat dihitung. Contoh dalam kehidupan sehari-hari seperti panas yang diberikan suatu senyawa ke suatu senyawa lain ataupun sistem.

20

Explain the following mass and energy balance equations with your own words:

●

Pada persamaan sisi sebelah kiri atau

dengan satuan dalam SI kg/s, merupakan bentuk

persamaan neraca laju massa. Suku sebelah kiri menyatakan laju waktu perubahan massa pada sistem volume atur(dinyatakan dengan subscript cv) terhadap fungsi waktu. Kemudian pada suku sebelah kanan merupakan total laju aliran massa yang melintasi semua sisi masuk dan keluar. ●

Pada persamaan sisi sebelah kanan atau merupakan bentuk persamaan neraca laju energi dengan satuan dalam SI J/s. Suku disebelah kiri menyatakan laju perubahan energi terhadap waktu dalam sistem volume

5

atur. Kemudian untuk suku

menyatakan laju perpindahan energi neto melalui kalor dan kerja

yang melintasi batas volume atur pada waktu t. Lalu ṁmenyatakan laju alir massa pada kondisi masuk dan keluar, h sebagai entalpi suatu zat, v sebagai kecepatan zat, g merupakan percepatan gravitasi dan z merupakan ketinggian zat terhadap suatu titik dasar saat kondisi masuk dan keluar.

21

Convert the mass and energy balance equations given as differential equations into algebraic formulations.

6 And ignoring the effects of kinetic and potential energy changes

22

Persamaan neraca massa dirumuskan sebagai berikut:

Persamaan neraca massa di atas berbentuk persamaan diferensial, untuk mengubah bentuk tersebut menjadi bentuk aljabar agar memudahkan perhitungan dan analisis sistemnya, dilakukan beberapa tahapan berikut ini: Pertama, pindahkan ruas dt pada sisi kiri ke sisi kanan persamaan, sehingga menjadi:

23

24

Kemudian, ruas kiri diintegralkan dengan batas atas adalah massa control volume saat waktu t dan batas bawah adalah massa control volume saat waktu nol. Sementara itu sisi kanan, diintegralkan terhadap waktu dengan batas atas adalah t dan batas bawah adalah nol.

“

Persamaan neraca energi dirumuskan sebagai berikut:

Persamaan neraca energi di atas berbentuk persamaan diferensial, untuk mengubah bentuk tersebut menjadi bentuk aljabar agar memudahkan perhitungan dan analisis sistemnya, dilakukan beberapa tahapan berikut ini: Dengan mengetahui bahwa E = U + K + P, substitusikan ke dalam persamaan di atas:

25

Kemudian, dengan mengabaikan energi potensial dan energi kinetik pada sistem, dihasilkan persamaan berikut ini :

Setelah itu adalah memindahkan dt ke dalam ruas kanan

Kemudian, mengubahnya menjadi bentuk aljabar dengan mengintegralkan ruas kiri dengan batas atas adalah energi dalam saat waktu t dan batas bawahnya adalah energi internal saat waktu nol. Kemudian mengintegralkan sisi kanan terhadap t dengan batas adalah t dan batas bawah adalah nol. Dihasilkan persamaan berikut ini:

26

Apply the algebraic formulations to the following systems (figure 3-5): (b) water in the glass, (c) water in the pond, (d) water in stirred tank. Start your analysis by defining what constitutes your systems, boundary, and environment. Explain the physical meaning of each term present in the equarions, using your own words. Note that in absence of data you have to make assumption to be able to work on the problem further.

7

27

a)

Air dalam Gelas Boundary system : gelas System : air di dalam gelas Lingkungan : udara di luar gelas Asumsi ●

Open system (evaporasi dan kondensasi)

●

Unsteady state

●

Tidak ada energi kinetik, energi potensial, kerja, dan kalor

28

29

a)

Air pada Kolam Boundary system : pinggiran kolam System : air di dalam kolam Lingkungan : segala sesuatu yang berada di luar kolam Asumsi ○

Open system (evaporasi dan hujan)

○

Tidak ada energi kinetik, energi potensial, kerja

○

Terjadi perpindahan kalor secara konduksi, konveksi, dan radiasi

30

31

32

a)

Air pada tangki dengan pengaduk Boundary system : Tanki System : air di dalam tanki Lingkungan : segala sesuatu yang berada di luar tanki

33

34

35

Internal energy and enthalpy are two thermodynamics quantities or variables that are used in energy balance equations. Thermal energy added to a gas of polyatomic molecules can appears as rotational and vibrational (as well as translational) energies of the gas molecules. a.

Describe the internal energy of a gas molecule in terms of its different modes of motion and their energy levels: translational, rotational, and vibration modes in addition to electronic contribution. Energi internal suatu sistem adalah energi mikroskopis total yang terkait dengan partikel-partikel dalam sistem termasuk energi potensial dan energi kinetik.Energi internal terdiri dari energi kinetik, K, yang terletak pada pusat massa pergerakan molekul ; energi potensial,Pinter , yang

8

terkait dengan interaksi intermolekul; serta energi potensial ,Pintra,yang terkait dengan interaksi intramolekul seperti gerakan vibrasi.

Level Energi menjelaskan mengenai karakteristik pada molekul yang berkaitan dengan identitas molekul seperti struktur dan energi. Level energi terdiri atas translasi, rotasi, serta vibrasi. ●

Translasi : Gerak pusat massa dari suatu tempat ke tempat lain yang searah dengan sumbu x, y,z sehingga memiliki 3 derajat kebebasan untuk molekul poliatomik linear maupun non-linear.

36

●

Rotasi : Hanya berlaku untuk senyawa diatomik atau lebih yang mana atom bergerak secara perlahan dengan pergerakan translasi kemudian menjadi rotasi. Dalam keadaan linear pergerakan rotasi memiliki 2 derajat kebebasan , sedangkan pada keadaan non-linear memiliki 3 derajat kebebasan.

●

Vibrasi : Atom berputar terhadap sumbu z akan mengalami rotasi, sehingga sumbu z akan mengalami getaran akibat perputaran tersebut. Dalam keadaan linear, nilai derajat kebebasan sebesar (3n-5), sedangkan untuk non-linear sebesar (3n-6).

●

Kontribusi Elektronik :Saat elektron mengalami transisi elektronik maka elektron tersebut akan ditransfer dari satu orbit ke orbit lainnya.

37

Pemisahan tingkat energi untuk gerak translasi, rotasi, vibrasi, dan elektronik, yang dinyatakan dengan panjang gelombang (cm-1)

Pada gambar disamping merupakan ilustrasi pemisahan tingkat energi berdasarkan pergerakan molekul.Tingkat energi menjelaskan mengenai energi yang diizinkan dari atom, molekul atau partikel sub-atomik yang terbatas pada suatu ruangan serta dibatasi untuk nilai-nilai diskrit tertentu dimana simbol 𝜀 menunjukkan pemisahan tingkat energi. ● Pemisahan dalam tingkat energi rotasi sekitar 0.01 kJ/mol ● Pemisahan dalam tingkat energi vibrasi sekitar 10 kJ/mol ● Pemisahan dalam tingkat energi elektronik sekitar 1000 kJ/mol memiliki nilai terbesar. ● Pada energi translasi, sifat tingkat energinya adalah continuum, yaitu sifat dari molekul gas dalam suatu ruang untuk melakukan gerak acak adalah bervariasi terhadap kecepatan tanpa diskontinuitas.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa pemisahan tingkat energi (𝜀) dari besar ke kecil memiliki urutan sebagai berikut. 𝜀𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖𝑘>𝜀𝑣𝑖𝑏𝑟𝑎𝑠𝑖>𝜀𝑟𝑜𝑡𝑎𝑠𝑖. (sumber : Atkins and Paula, 2010)

38

b. Use the equipartition theorem to calculate the contribution to the total energy of a sample of 10 gram of carbon dioxide and methane at

,

take into account translation and rotation but no vibration. Which one is higher and why? ●

Untuk Senyawa Karbon Dioksida Karena gas karbon dioksida termasuk ke dalam gas diatomik yang melakukan gerak translasi, rotasi, serta vibrasi sehingga memiliki 5 derajat kebebasan.

●

Untuk Senyawa Metana Karena metana memiliki bentuk molekul non-linear, sehingga degree of freedom sebanyak 6 berdasarkan total dari pergerakan translasi dengan rotasi.

39

c.

For an ideal gas, derive the formula for the different of cp and cv. Determine the value of cp for water vapor at 600K using (e, f, g) ●

Kapasitas kalor saat kondisi isokhorik (Cv)

●

Kapasitas kalor pada kondisi isobarik(Cp)

●

Hubungan antara Cv dan Cp

Berdasarkan persamaan Termodinamika I

40

d.

The Cp(T) plot given below (see picture).

Berdasarkan grafik , Cp(T) air pada suhu 600k terlihat sebesar 8,5 cal/mol.k

e.

Equipartition principle.

41

f.

Ideal gas heat capacity equation and heat parameter given in the smith van ness and moran and saphiro books. Menggunakan persamaan serta parameter pada buku

Sehingga, berdasarkan tabel dibawah ini dapat diperoleh

(Moran,2011)

42

c.

Calculate the heat required to increase the temperature of 1 mole of methane gas from 300 to 800K using Cp values you obtain. Do you think it is reasonable to assume a constant heat capacity for large temperature range? Dalam menghitung kalor yang diperlukan dapat menggunakan persamaan kapasitas kalor yang berubah terhadap suhu, sebagai berikut

Berdasarkan parameter metana pada tabel sebelumnya, perhitungan menjadi

43

1 mole of methane is reacted with 20%-excess air. If the reactor feed gas temperature is 300°C, the methane conversion is 100%, and the reactor is operated adiabatically, calculate the temperature of the gas mixture coming out the reactor. Assume that the heat capacity values are constant and

9

equal to their values at 25°C and that methane combustion produce only CO2 and H2O. You can use the diagram shown below to decompose the calculation into several steps (see Figure 8).

44

Asumsi sistemnya adalah gas ideal, tekanan sistem konstan, dan sistem tunak. 45

Udara terdiri atas 21% oksigen dan 79% nitrogen, sehingga jumlah mol udara yang masuk jika tidak kelebihan sama sekali adalah:

Namun karena udara yang masuk kelebihan 20% maka jumlah udara sesungguhnya adalah

46

Tabel 1: Sifat gas ideal pada suhu 298 K. Sumber: https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/property_tables/gas/idealgas.html 47

Diketahui bahwa tidak terjadi perubahan elevasi ataupun kecepatan yang signifikan pada sistem, sehingga nilai PE = KE = 0. Tidak terjadi kerja, baik kerja aliran atau jenis lainnya sehingga W = 0. Karena proses adiabatik, nilai Q = 0. Sehingga, kesetimbangan energi sistem dapat ditulis sebagai:

Entalpi yang masuk ke dalam sistem:

Sehingga entalpi total yang masuk adalah 211.52 kJ. Entalpi yang keluar sistem:

Sehingga entalpi total yang masuk adalah 0.378 kJ * T

Jika dikembalikan pada persamaan kesetimbangan energi, maka suhu T dapat dicari dimana:

You need 1 ton of saturated water vapor at 1 bar. If you have 1 ton of ice, how much energy do you need (theoretically)

for

the

conversion?

Plot

the

temperature profle (T versus t) during the process. If

10

you have to choose the heating fluid to heat up the ice in a heat exchanger, would you rather use water as a saturated liquid at 150 oC or, as a saturated vapor at 150 oC as the heating fluid in the exchanger? Explain

51

Asumsi yang digunakan adalah suhu dan tekanan lingkungan pada keadaan stp, yaitu suhunya 25 ºC, dan tekanan 1 atm ·

Es pada tekanan 1 atm dan suhu 0ºC Energi entalpi es = 6,02 kj

·

Uap pada tekanan 1 bar, dan suhu 100ºC Energi entalpi uap = 2676,2 Untuk mendapatkan energi yang dibutuhkan maka dilakukan

pengurangan energi entalpi uap – energi entalpi es 2676,2 – 6,02 = 2670,18 kj

52

Grafik Temperature vs time

53

Manakah yang lebih baik digunakan saturated liquid 150ºC atau saturated vapor 150ºC? Yang lebih baik digunakan adalah saturated vapor 150 ºC. dikarenakan energi entalpi uap lebih

besar

dibandingkan

air.

Jadi

dalam

penggunaan energi entalpi, uap lebih efektif dan lebih optimal. 54

Refrigerant 134a enters the flash chamber operating at steady state and exits as saturated liquid and saturated vapor as bottom and top

11

products, respectively. Determine the flow rates of the exiting stream in kg/h if pressure (p) is equal to 1, 4, and 9 bar. State your assumptions!

55

Diketahui: · P1 = 10 bar = 1 MPa ·

T1 = 36 oC

·

M1 = 482 kg/h

Asumsi: · Sistem dalam keadaan Steady State (ΔE=0) ·

Proses adiabatik, tidak ada perpindahan panas (Q = 0)

·

Tidak ada gaya yang bekerja (W = 0)

·

Energi kinetik dan potensial jumlahnya sangat kecil sehingga dapat diabaikan (ΔK= ΔP=0)

Perubahan kecepatannya sangat kecil, sehingga dapat diabaikan (ΔV=0)

56

Diagram alir

57

1. Neraca massa pada sistem tunak

Σm = Σ m in

out

m1 = m2 + m3 m2= m1 – m3 m3 = m1 – m2 2. Neraca energi pada sistem tidak tunak

58

59

Pada tekanan 1 bar

Pada tekanan 4 bar

Pada tekanan 9 bar

60

You have a summer job with a company that designs cookware. Your group is assigned the task of designing a better pasta pot. You are very excited by a ney strong, light alloy the group has just produces, but will it make a good noodle pot? If it takes more than 10 minutes to boil water in noodle pot, it probably won’t sell. Calculate how long it would take water at room temperature to

12

reach boiling temperature in Depok in a pot made of the new alloy. Assume that a typical noodle pot holds about 2 liters of water, the pot made of the alliy have a mass of 550 grams and a spesific heat capacity of 860 J/(kg oC), the burners on your stove deliver 1000 Joules of heat per secongd and only about 20% of this heat is radiated away 61

Diketahui: ● Ti = 298 K ● Massa pot = 550 g ● Cp pot = 860 J/kg oC ● Cp air = 4179 J/kg oC ● Ρair = 1000 kg/m3 ● Qburne = 1000 J/s (20% radiated) =800J/s Ditanya: Waktu yang dibutuhkan untuk memasak air di Depok

62

Asumsi yang digunakan: 1)Open system 2)Tidak ada kerja yang dilakukan oleh atau pada sistem 3)Sistem ditinjau dari awal pemanasan sampai akhir pemanasan saja sehingga belum ada laju massa masuk atau keluar yang spesifik 4)Energi potensial dan energi kinetik diabaikan karena kecepatan dan ketinggian airnya sangat kecil

63

Neraca energi:

Mencari nilai kalor total yang dibutuhkan

64

Mencari nilai waktu yang dibutuhkan untuk mendidihkan air

Kesimpulan Karena dibutuhkan waktu > 10 menit untuk memanaskan air dengan new alloy pot maka kemungkinan pot tersebut tidak terjual

65

The first law of thermodynamics is about conservation of mass and energy. This law is the result of careful observations of physical and chemical processes that lead to the conclusion that mass and energy can not be created nor destroyed, and, they could only transform from one form to another. Read a paper on the development of a calorimeter to measure heat capacity and enthalpy of fluids (An automated flow calorimeter for the determination of liquid and vapor isobaric heat capacities: Test results for water and n-pentane, J.A. Sandarusi, K. Mulia, and V.F. Yesavage, Rev. Sci. Instrum., 63, 2, (1992), 1810:1821). Read the first two pages of the paper and then answer the following questions: (a) One need to understand the concept of conservation of energy and mass, in order to understand how a calorimeter works (see Figure 10), start from the general formula to simplify

13

the general mass and energy balances to obtain the first equation (equation 1) given in the paper. State all of your assumptions clearly; (b) Apparently, heat loss term Qlst is not included in the final working equation for heat capacity measurement (equation 3). Consider all kind of heat transfer modes that potentially contribute to this term and explain the reasons why they are taken into account; (c) What does the term (To - Ti)b represents? Why was this term included in the working equation?: (d) Steam table is very useful and is used extensively in many scientific or engineering calculations. The table gives values of volumetric property (v) and thermodynamic properties (u, h, and s). Both internal energy (u) and enthalpy (h) could be measured using a constant volume calorimeter and a constant pressure calorimeter, respectively. Instead of using two kind of calorimeters, a simpler way is to measure h and then calculate u. What is the relationship between u from h? What additional experiment do you need to carry out? 66

(a) Berdasarkan persamaan kesetimbangan energi dalam sistem kalorimeter (tunak dan aliran terbuka), serta tidak terjadinya perubahan KE ataupun PE, maka:

Diketahui bahwa entalpi memiliki hubungan dengan energi internal sebagai berikut, sehingga

Sehingga dalam tekanan konstan, bagian kedua pada ruas kanan diatas hilang sehingga persamaan diatas dapat ditulis sebagai

(b) Ketika fluida dialirkan dalam apparatus dan diberikan panas, terdapat kemungkinan bahwa perpindahan panas keluar sistem (Qlst) dapat terjadi karena adanya perbedaan gradien temperatur antara fluida dengan batasan sistem. Konduksi terjadi karena adanya perpindahan energi dari molekul dengan tingkatan energi lebih tinggi ke lebih rendah yang berinteraksi langsung. Konveksi terjadi ketika adanya kontak antara aliran gas / cairan dengan permukaan benda padat dimana aliran fluida mengangkat panas akibat gerakannya. Radiasi terjadi ketika adanya perubahan konfigurasi elektron yang menyebabkan gelombang elektromagnetik untuk keluar sebagai energi.

(c) Bagian (To - Ti)b merepresentasikan perbedaan suhu pada percobaan kosong. Bagian tersebut dimasukkan kedalam persamaan akhir sebagai pendekatan untuk koreksi teknis sederhana dimana tiap eksperimen kapasitas panas didahului oleh percobaan tanpa diberikan input panas untuk diukur pressure drop serta perbedaan suhunya. Hal ini dilakukan karena efek Joule - Thomson menjadi terlalu besar untuk diabaikan jika fluida yang dialirkan memiliki densitas yang terlalu rendah.

Efek Joule - Thomson adalah perubahan suhu yang muncul ketika suatu zat (umumnya gas) dimampatkan secara tiba - tiba dengan tekanan tinggi pada suatu benda yang adiabatik pada proses yang isentalpik.

Hal ini dikarenakan adanya perubahan gaya intramolekular yang terjadi pada zat ketika adanya konversi energi antara energi potensial termal dan energi kinetik termal.

(d) Hubungan antara u (energi internal) dan h (entalpi) dapat diperlihatkan dari hubungan derivatif antara kapasitas panas pada tekanan konstan (Cp) dan pada volume konstan (Cv). Berdasarkan relasi fundamental termodinamika, ditemukan bahwa hubungan Cp dan Cv adalah sebagai berikut:

Persamaan diatas dapat ditulis ulang menjadi persamaan yang lebih mudah, yaitu:

Dimana nilai α dan βT berturut - turut adalah koefisien ekspansi termal dan kompresibilitas isotermal.

Untuk gas ideal, hubungan Cp - Cv dapat diperlihatkan dengan relasi Mayer dimana:

Steam enters a nozzle at a low velocity so that it can be ignores (see Figure 11). The inlet pressure is 23,2 x 10^3torr and the inlet temperature is 371 C while the exit pressure is 5,2 x 10^3torr and the exit velocity is 488

14

m/sec. Mass flow rate of the steam is 181 kg/h. Calculate the exit temperature of the steam in Cand the cross sectional area of nozzle at the exit in m2.

73

74

Pada keadaan 1 : Superheated

Pada keadaan 2:

Dengan laju alir massa (ṁ) = 181 kg/h = 0,05 kg/s Asumsi : 1.

The control volume is steady state

2.

Heat Transfer sangat kecil dan Tidak ada kerja pada sistem

3.

Potensial energi diabaikan

Basis : 1 sekon

“

75

Analisis neraca energi pada sistem :

Disederhanakan menjadi :

Pada persamaan di atas, nilai hi (entalpi saat keadaan 1) didapat dari steam table dengan keadaan superheated dan Ti=371C

“

76

Pada steam table di atas, untuk mendapatkan nilai entalpi pada keadaan 1 dengan T1=371oC diperlukan polarisasi didapatkan nilai y adalah 3164,61 kj/kg Maka nilai hi= 3164,61 kj/kg Kemudian substitusi ke persamaan neraca energi untuk mendapatkan nilai he

“

77

Kemudian mencari nilai Tedengan menggunakan steam table saat h = 3045,53 kJ/kg dan P = 0.7 mPa.

Untuk mendapatkan nilai Te, digunakan polarisasi sebagai berikut

didapatkan nilai y adalah 293,3 Maka nilai Te=293,3 C

“

78

Untuk menentukan cross sectional area pada keadaan 2 menggunakan persamaan berikut ini (dengan V adalah Volume spesifik yang didapat dari steam table)

Jadi nilai temperatur pada keadaan 2 adalah 293,3 C dan cross sectional area pada keadaan 2 adalah sebesar 3,75x10^-5 m/s

“

A tank with 0,1m3capacity contains 9 kg of pure refrigerant R-134a at a pressue of 1 bar. The vessel is connected to a feed line that can supply saturated R-134a vapor at 4 bar and 160oC. The valve is opened to let R-134 a flows into the tank until pressure in the tank is equal to the

15

pressure of the feed line. Calculate the final amount of R-134a inside the tank using two differenr assumptions: a) filling is slow such that temperature of the fluid inside the tank is constant, and b) filling is quick such that there is no heat transfer between the tank and its sorrounding. Use the R-134a table in the Smith and van Ness book.

79

Kondisi Awal

Kondisi Akhir

80

Diketahui : V = 0.1m3 M = 9 kg Asumsi pertama : Proses Isotermal ( Suhu tetap) Asumsi kedua : Proses Adiabatik ( No heat Transfer) Sistem : Open System Penyelesaian : -

Pada Kondisi Awak

Dengan Asumsi bahwa seluruh tangki dipenuhi R-134a Mencari Volume Specific

81

Pada P = 1 bar, didapatkan Volume specific liquid dan vapor pada tabel saturated refrigerant berikut ini:

82

Didapatkan bahwa Vv=0.1917m3/kg

Vl=0.0007258m3/kg

Selanjutnya adalah mencari nilai quality (fraksi uap)

Berdasarkan tabel di atas, didapatkan juga data entalpi liquid dan vapor, yaitu hv= 231,35 kj/kg dan hl=16,29 kj/kg, maka entalpi pada keadaan awal adalah

83

Penentuan Kondisi Umpan

Pada P = 4 bar = 0.4 MPa, dan T = 160 C, didapatkan menggunakan ekstrapolasi pada tabel di atas, yaitu hf = 404,46 kj/kg.

84

-

Penyelesaian untuk kondisi akhir Pada bagian kondisi akhir, terdapat dua asumsi, yang pertama adalah T

konstan dan yang kedua adalah T tidak konstan. -

Asumsi pertama : Diinginkan T1=T2= -26,34 C pada P = 4 bar. Berdasarkan tabel Properties of

Saturated Refrigerant 134-a, didapatkan bahwa entalpi saat saturated liquid adalah h2 = 62 kj/kg Neraca Energi :

Sehingga massa R134 a setelah pencampuran adalah 9,89 kg

85

b. Kondisi Kedua Untuk kondisi dimana pengisian dilakukan secara cepat sehingga tidak ada perpindahan panas, dari sistem ke lingkungan adalah sebagai berikut: Pada tekanan 1 bar saturated, suhunya adalah -26,34 C, maka diperoleh dari tabel properties :

Massa uap awal dapat dicari dengan rumus :

Pada kondisi kedua, diketahui suhu T = 160oCpada tekanan 4 bar, memiliki data sebagai berikut:

86

Sehingga dapat dihitung massa uap keseluruhan

Massa uap yang masuk melalui umpan, dapat diketahui dengan menggunakan rumus:

Sehingga, total massa R-134a dalam tangki setelah pencampuran adalah

87

Thanks! Any questions ? ◉ ◉

Daftar Pustaka : Moran, M. J., & Shapiro, H. N. (1998). Fundamentals of Engineering Thermodynamics: SI version. Chichester, John Wiley.

◉

Smith, J. M., & Van Ness, H. C. (1959). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. New York, McGraw-Hill. 88