ANALISIS TERMODINAMIKA SISTEM TERBUKA
Dalam persoalan yang menyangkut adanya aliran massa ke/dari
sistem maka sistemnya adalah sistem terbuka(control volume). Contohnya : water
heater, radiator mobil, turbin, kompressor, nozle dll. Tidak ada aturan
mengenai bagaimana memilih sistem, tetapi yang penting adalah pemilihan
tersebut dapat memudahkan analisis. Misalkan akan dianalisis aliran udara
melalui nozle, maka pemilihan sistemnya adalah di dalam nozle. Lapis batas dari
control volume disebut control surface, dapat riil ataupun imajiner. Dalam
kasus nozle misalnya, maka permukaan dalam dari nozle adalah lapis batas yang
riil, sedangkan daerah masuk dan keluarnya aliran adalah lapis batas imajiner
karena tidak ada bentuk fisik sesungguhnya. Control volume dapat tetap (bentuk
dan ukurannya) maupun dapat mengandung moving boundary. Beberapa istilah Steady
: tidak berubah terhadap waktu, lawan katanya unsteady/transient. Uniform:
tidak berubah terhadap tempat.
Flow work
Flow work adalah energi yang diperlukan untuk mendorong
fluida masuk atau keluar dari control volume,merupakan bagian dari energi yang
dibawa oleh fluida.
Kita tinjau gambar di atas. Jika tekanan fluida P , luas
penampang saluran A, maka gaya yang bekerja pada elemen fluida oleh piston
imajiner adalah : F = P A Untuk memasukkan seluruh elemen fluida ke
dalam control volume maka gaya akan bekerja masuk ke dalam control volume
: Wflow = F L = P A L = P V (kJ) Dalam basis massa : wflow = P v
(kJ/kg)
STEADY FLOW PROCESS
Proses-proses yang dijumpai dalam sistem keteknikan sangat
bervariasi, mulai dari yang sangat sederhana sampai yang rumit. Dalam beberapa
hal, proses yang rumit dapat disederhanakan menjadi bagian yang
sederhana(dengan pengandaian-pengandaian). Turbin, kompresor dan nozle
beroperasi untuk waktu yang lama dengan kondisi yang sama. Peralatan seperti
itu diklasifikasikan sebagaisteady flow devices. Proses dari peralatan
steady dapat dianalisis dengan suatu idealisasi proses yang disebut “steady
flow process”. Steady flow process didefinisikan sebagai suatu proses di mana
fluida mengalir dalam control volume secara steady. Hal ini berarti bahwa
property dapat berubah dari titik ke titik di dalam control volume tetapi pada
setiap titik selalu konstan selama proses.
Karakteristik steady flow process 1. Selama proses tidak ada
property yang berubah terhadap waktu. Jadi volume V, massa m dan total energi E
konstan. Akibatnya boundary work nol dan total massa dan energi yang masuk
control volume sama dengan total massa dan energi yang keluar control volume.
Dengan kata lain selama proses kandungan enegi dan massa dari kontrol volume
tetap, tidak berubah terhadap waktu. 2. Selama proses sifat fluida di inlet dan
outlet tidak berubah terhadap waktu 3. Interaksi energi (berupa panas dan
kerja) antara sistem control volume dengan sekelilingnya tidak berubah terhadap
waktu Proses dengan perubahan sifat-sifat fluida secara periodik dapat
dianalisis sebagai steady flow process.
STEADY FLOW DEVICES 1.
Nozle dan diffuser
Nozle : menambah kecepatan fluida Difuser : menaikkan
tekanan fluida dengan menurunkan kecepatan. Beberapa hal yang perlu
diperhatikan
· Q ≅ 0.
Laju perpindahan panas antara fluida yang mengalir di dalam nozle atau difuser
dengan sekeliling biasanya sangat kecil walaupun tidak diisolasi. Hal ini
karena kecepatan fluida cukup tinggi sehingga tidak cukup waktu untuk terjadi
transfer panas. Oleh sebab itu jika tidak ada data mengenai transfer panas,
prosesnya dianggap adiabatik
· W ≅ 0 Kerja
di dalam nozle dan difuser nol karena hanya berupa bentuk penampang saluran.
· Δke ≠
0. Pada waktu fluida melewati nozle aatau difuser terjadi perubahan kecepatan
yang besar sehingga perubahan energi kinetik harus diperhitungkan dalam
analisis.
· Δpe =
0. Biasanya tidak terdapat perbedaan elevasi, sehingga faktor energi potensial
dapat diabaikan.
Turbin dan kompresor
Di dalam steam power plants peralatan yang
menggerakkan generator adalah turbin. Fluida masuk kedalam turbin dan
menggerakkan sudu-sudu sehingga memutar poros. Kerja yang dihasilkan turbin
adalah positif karena dilakukan oleh fluida. Kompresor adalah alat untuk
menaikkan tekanan fluida, seperti juga pompa dan fan. Fan menaikkan tekanan
untuk menggerakkan udara sekitar. Kompresor untuk menaikkan tekanan gas menjadi
tekanan yang sangat tinggi. Pompa sama seperti kompresor tetapi untuk fluida
cair. Beberapa hal yang perlu diperhatikan
· Q ≅ 0.
Laju perpindahan panas kecil dibandingkan dengan kerja poros kecuali ada
pendinginan, sehingga dapat diabaikan kecuali ada pendinginan.
· W ≅ 0. Pada
persoalan ini pasti ada kerja poros. Pada turbin berupa daya output, pada pompa
dan kompresor berupa daya input.
· Δke ≅ 0.
Perubahan kecepatan fluida biasanya hanya menyebabkan perubahn energi kinetik
yang tidak signifikan kecuali pada turbin.
· Δpe =
0. Perubahan energi potensial biasanya kecil sehingga dapat diabaikan.
Throttling valves
Proses throttling terjadi bila aliran fluida mengalami
kehilangan tekanan sewaktu melewati hambatan. Throttling valve menyebabkan
penurunan tekanan (pressure drops) di dalam fluida. Pressure drops biasanya
diikuti penurunan temperatur yang besar. Pada throttling valve biasanya
diasumsikan adiabatik (q ≅0) karena tidak cukup waktu dan
daerah untuk terjadinya perpindahan panas. Faktor kerja juga tidak ada (w ≅ 0).
Perubahan energi potensial sangat kecil sehingga bisa diabaikan (Δpe ≅ 0).
Meskipun kecepatan keluar lebih besar dari kecepatan masuk tetapi dalam banyak
kasus perubahan energi kinetik tidak signifikan (Δke ≅ 0).
Sehingga persamaan kekekalan energi menjadi : h2 ≅ h1
(kJ/kg) (4.20) u2 + P2 v2 = u1 + P1 v1 atau energi dalam + flow enegi = konstan
Enthalpy pada inlet dan exit sama, disebut proses isenthalpic. Jika flow work
naik (P2v2 > P1v1) maka energi dalam akan turun dan diikuti turunnya
temperatur. Jika flow work turun (P2v2 < P1v1) maka energi dalam dan
temperatur naik.
Heat exchanger
Merupakan perlatan untuk menukar kalor. Di dalam heat
exchanger tidak ada interaksi kerja (w = 0) dan perubahan energi kinetik serta
energi potensial diabaikan (Δke ≅ 0, Δpe ≅ 0).
Perpindahan panas tergantung bagaimana memilih control volumenya. Jika seluruh
bagian dipilih sebagai control volume maka tidak terjadi perpindahan panas (Q ≅ 0).
Tetapi jika hanya satu fluida yang dipilih sebagai control volume maka ada
perpindahan panas dari satu fluida ke fluida yang lain (Q ≠ 0).
Tidak ada komentar:
Posting Komentar