Latihan soal evaluasi zat

Di bawah ini adalah sebuah tabel dengan dua besaran termodinamika yang diketahui. Lengkapilah cell yang kosong dengan menggunakan tabel termodinamika untuk mengetahui sifat zat yang ditanyakan.:

Berikut adalah jawaban dari soal diatas

Penukar Kalor (Heat Exchangers)

Oleh Tri Ayodha Ajiwiguna

File lengkap (dengan gambar dan persamaan) dalam pdf:  Penukar kalor

Penukar kalor (Heat exchanger) adalah suatu perangkat yang berfungsi untuk memindahkan kalor dari satu medium ke medium lainnya. Banyak sekali aplikasi dari penukar kalor yang digunakan pada industri dan domestik seperti radiator pada kendaraan bermotor dan evaporator pada AC.

Jika ditinjau dari jenis fluidanya, penukar kalor dapat dikelompokkan menjadi liquid-liquid, gas-liquid, dan liquid-gas. Pada penukar tidak terjadi pemindahaa/pencampuran massa, yang terjadi hanya pertukaran energi kalor. Semua heat exchanger mengalirakan setidaknya dua fluida yaitu panas dan dingin. Fluida dingin akan menyerap kalor dari dluida yang panas, sedangkan fluida yang panas akan melepaskan kalor ke fluida yang dingin seperti pada gambar 1.

Gambar 1. contoh penukar kalor sederhana.

Pada gambar terlihat bahwa fluida A mengalami pemanasan dengan menyerap kalor dari fluida B sehingga temperaturnya menjadi naik. Sebaliknya, fluida B melepaskan kalor ke fluida A sehingga temperaturnya turun. Hukum kekekalan energi dan massa tetap berlaku, sehingga dapat dituliskan menjadi

(1)

(2)

(3)

denganadalah massa, subskrip A dan B masing-masing menunjukkan fluida A dan A, dan subskrip i dan o masing-masing menunjukkan masuk dan keluar. Dengan mengabaikan energi potensial dan energi kinetik karena relatif sangat kecil nilainya maka persamaan kekekalan energi dapat dituliskan

(4)

dengan menggunakan persamaan 1 dan 2 maka persamaan 4 dapat ditulis menjadi:

(5)

(6)

Sifat termodinamika: Superheated Gas

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Keadaan superheated adalah keadaan ketika zat dalam fasa gas dengan temperatur di atas temperatur saturasinya atau dengan tekanan di bawah tekanan saturasinya. Contohnya adalah air pada tekanan 100 kPa memiliki temperatur saturasi sekitar 99.6 ^oC. Jika uap air pada tekanan tersebut memiliki temperatur lebih tinggi dari nilai tersebut, misalnya 105 ^oC, maka dinamakan superheated gas. Apabila yang ditinjau adalah tekanannya maka uap air dengan temperatur 99.6 ^oC dengan tekanan di bawah 100 kPa, misalnya 80 kPa, maka ini juga disebut dengan superheated gas. Hal ini dikarenakan pada tekanan 80 kPa air akan mendidih di temperatur sekitar 93 ^oC.

Untuk mengetahui besaran penting termodinamika untuk keadaan fasa superheated maka digunakan superheated gas.

Contoh:

Berapakan volume spesifik air jika tekanannya adalah 100 kPa dengan temperatur 400 ^oC?

Air dengan keadaan seperti di atas jelas superheated karena temperaturnya di atas temperatur saturasinya.

Gambar 1. Tabel Superheated gas

Tekanan 100 kPa sama dengan 0.1 MPa. Oleh karenanya dapat dilihat di tekanan tersebut pada gambar 1. Karena temperaturnya 400 ^oC maka didapatkan volume spesifiknya adalah 3.103 m³/kg.

Sifat termodinamika: Saturasi

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Keadaan saturasi dapat dikatakan keadaan mendidih, di mana temperatur suatu fluida akan tetap (tidak naik) jika dipanaskan. Pada saat air mendidih di tekanan 1 atm, walaupun kita panaskan maka air akan tetap pada temperatur sekitar 100 ^oC. Hal ini dikarenakan kalor yang diberikan pada air digunakan untuk mengubah fasanya dari fasa cair ke gas (uap).

Gambar 1 menunjukkan potongan tabel sifat zat air berdasarkan tekanannya. Pada tekanan 100 kPa, air (liquid) mendidih di temperatur 99.6 ^oC. Dengan fakta ini, dapat dikatakan bahwa pada tekanan 100 kPa maka temperatur saturasinya adalah 99.6 ^oC. Dalam tinjauan tekanan, maka dapat dikatakan bahwa air akan mendidih di 99.6 ^oC jika tekanannya di 100 kPa. Pada temperatur 99.6 ^oC air tidak akan medidih jika tekanannya lebih besar dari 100 kPa dimana keadaan ini merupakan compressed liquid.

Gambar 1. Temperatarur saturasi air pada tekanan 100 kPa

Keadan saturasi (jenuh) dimulai dari saturasi cair kemudian campuran dan berakhir di saturasi gas. Pada tekanan 100 kPa air dalam fasa cair akan mulai mendidih pada 99.6 ^oC. Keadaan ini disebut dengan saturasi cair. Jika terus diberi kalor (dipanaskan), maka temperatur air diasumsikan tidak naik namun mulai ada sebagian air yang berubah fasa cari cair ke gas (menguap) sehingga ada dua fasa yaitu sebagian cair dan sebagian gas. Pada kondisi ini dinamakan campuran. Jika tetap diberikan kalor maka lama kelamaan fasa cairnya habis dan yang tersisa hanya fasa gas. Tepat pada keadaan ini (fasa gas, temperatur 99.6 ^oC) dinamakan saturasi gas. Jika air pada keadaan ini tetap dipanaskan maka mulai naik temperatur yang kemudian dinamakan keadaan superheated.

Dalam tabel saturasi air tekanan dan saturasi air simbol f dan g yang masing-masing menunjukkan sifat zat pada keadaan saturasi cair dan saturasi gas. Contoh: air dalam keadaan saturasi cair bertemperatur 100 ^oC memiliki volume spesifik vf=0.001044 m³/kg. Jika diuapkan sehingga menjadi saturasi gas maka volume spesifiknya vg menjadi 1.672 m³/kg (gambar 2). Begitu pula untuk variabel lain seperti entalpi, energi dalam, dan entropi. Dalam tabel ada juga subscript fg (contoh: h_fg), ini menunjukkan selisih antara nilai g dan nilai f atau dapat ditulis h_fg = h_g -h_f.

Gambar 2.

Di atas telah dibahas cara mencari variabel termodinamika untuk keadaan saturasi gas dan saturasi cair. Bagaimana mencari variabel untuk keadaan saturasi campuran?

Untuk kasus ini maka diperlukan nilai kualitas x, yaitu perbandingan massa uap (gas) dengan massa totalnya. Misalkan x=0.2, ini berarti 20% dari massa totalnya adalah dalam fasa gas. Sisanya yang 80% adalah fasa cair. Variabel termodinamika pada keadaan campuran merupakan rata-rata dari kedua variabelnya. Untuk lebih jelasnya dibawah ini adalah contoh mencari volume spesifik untuk zat berfasa campuran.

Misalkan ada sebuah zat berfasa satuasi campuran dengan kualitas x, maka volume spesifik keadaan ini dapat diturunkan dengan carar menghitung nilai rat-ratnya, yaitu:

Dengan persamaan ini maka volume spesifik dalam keadaan campuran dapat dihitung jika kualitas x diketahui. Hal ini juga dapat digunakan untuk variable lainnya sehingga:

Contoh:

Berapakah entalpi yang dimiliki oleh air pada keadaan saturasi campuran di temperatur 150 ^oC dengan kualitas sebesar 0.9?

Jawab:

Sifat termodinamika: Subcooled/Compressed Liquid

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Subcooled liquid adalah keadaaan fluida pada saat temperaturnya dibawah titik saturasinya (titik didihnya. Sedangkan compressed liquid adalah keadaan fluida pada saat tekanannya lebih besar dari pada tekanan saturasinya. Sebenarnya keduanya adalah sama hanya tinjauannya yang berbeda. Jadi compressed liquid sama dengan subcooled liquid.

Untuk dapat memperkirakan nilai dari besaran termodinamika pada keadaan ini maka tabel compressed liquid digunakan. Sebagai contoh jika air pada tekanan 5 MPa dan temperatur 40 ^oC. Dengan menggunakan tabel ini maka dapat dengan mudah didapatkan bahwa volume spesifiknya adalah 0,0010056 m³/kg (gambar 1). Dengan cara yang sama maka besaran lainnya pun bisa didapatkan. Namun tabel untuk compressed liquid ini sangat terbatas karena tekanan terendah yang ada pada tabel tesebut adalah 5 MPa sehingga untuk tekenan dibawah itu perlu cara lain.

 Gambar 1. Penggunaan tabel compressed liquid

Untuk tekanan yang tidak ada di tabel compresed liquid maka nilai sifat zatnya dapat diperkirakan melalui tabel temperatur saturasi air. Nilai sifat zatnya adalah mendekati nilai fasa saturasi cairnya pada temperatur terkait sehingga dapat dituliskan:

Contoh: berapa entalpi air pada tekanan 100 kPa dan temperatur 30 ^oC?

Untuk menjawab contoh soal ini maka yang diperhatikan adalah temperaturnya, yaitu 30 ^oC pada tabel saturasi temperatur. Maka didapatkan h_f nya adalah 127.73 kJ/kg (gambar 2).

Gambar 2. penggunaan tabel saturasi temperatur

Apakah nilai yang didadapt ini tepat? Mencari nilai sifat zat dengan cara seperti ini cukup tepat dengan error kurang dari 2%. Untuk melihat perbedaannya maka dapat kita gunakan cara ini untuk mencari nilai volume spesifik pada contoh sebelumnya yaitu 5 MPa dan temperatur 40 ^oC. Dengan cara pendekatan saturasi cair maka kita dapatkan v_f nya adalah 0.001004 m³/kg. Jika kita bandingkan dengan menggunakan tabel compressed liquid maka didapatkan 0.0010057 m³/kg yang perbedaannya sangat kecil. Hal ini dikarenakan sifat termodinamika suatu zat hanya sedikit berubah terhadap tekanan.

Variabel termodinamika: Temperatur, Tekanan, volume spesifik, energi dalam, entalpi

Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika penerapannya cukup banyak seperti mesin otomotif, pendingin udara, lemari es, radiator dan lain sebagainya. Untuk menganalisis proses yang terjadi secara termodinamika ada beberapa variabel penting yang harus dipahami agar lebih mudah memahami konsep termodinamikanya. Dalam tabel sifat (properti) termodinamika yang berkaitan dengan fasa (subcooled, saturasi, dan superheated) ada beberapa variable penting yang ditunjukkan, yaitu: tekanan, temperatur, volume spesifik, energi dalam dan entalpi.

A. Temperatur

Panas dan dingin suatu benda dapat dirasakan dengan mudah dengan indra manusia. Namun, indra manusia sangatlah relatif dan terbatas. Sebagai contoh panasnya air mungkin dirasankan hangat oleh sebagian orang dan sangat panas bagi sebagian orang lainnya. Di sisi lain indra manusia tidak dapat digunakan untuk panas yang ekstrem contoh suhu api, knalpot, dll. Oleha karena itu variabel temperatur dibutuhkan agar memudahkan untuk menunjukkan seberapa panas atau dingin sustu benda.

Satuan temperatur ada beberapa jenis seperti farhenheit, celsius, reamur, dan kelvin. Farhenheit biasa digunakan di negara-negara eropa dan amerika. Celsius lebih umum digunakan oleh negara-negara lainnya. Reamur dahulu digunakan oleh negara perancis namun sekarang sudah beralih ke satuan lain. Kelvin adalah satuan yang mingkin lebih baru dikenal dibandingkan satuan lainnya. Satuan kelvin merupakan satuan absolut dari temperatur dan berkaitan langsung dengan energi kalor.

Temperatur (temperature) berbeda dengan kalor (heat). Kalor adalah variabel energi yang berkaitan dengan temperatur. Semakin tinggi temperatur belum tentu memiliki energi yang lebih tinggi. Sebaliknya temperatur yang rendah belum tentu memiliki kalor yang rendah. Sebagai contoh jika ada sebutir peluru yang temperaturnya sangat tinggi, anggaplah 200 ^oC dengan air kolam yang sangat besar yang temperaturnya 80 ^oC, manakah yang lebih tinggi kalornya?Tentu jawabannya adalah air kolam. Kalor tidak hanya bergantung dari temperatur tapi juga bergantung dengan massanya.

Seiring dengan berkembangnya pengetahuan secara mikroskopis zat maka temperatur dapat dianggap sebagai besarnya variabel energi kinetik suatu molekul. Secara teori jika benda atau zat yang memiliki temperatur lebih besar dari 0 K (- 273.15 ^oC) maka zat tersebut sebenarnya bergerak energi kinetik molekul inilah yang meyebabkan temperaturnya naik dan ditunjukkan dengan satuan Kelvin.

Untuk mengubah satuan temperatur dari satuan yang satu ke yang lain dapat menggunakan cara dibawah ini:

B. Tekanan

Tekanan didefinisikan sebagai besarnya perbandingan antara gaya yang bekerja dengan luas permukaan dimana gaya tersebut bekerja.

Tekanan pada fluida (cair atau gas) agak sulit digambarkan, namun banyak contoh yang menunjukkan nya tekanan pada fluida. Telinga manusia adalah alat indera manusia yang sangat peka terhadap tekanan. Suara yang diterima oleh gendang telinga pada dasarnya adalah perambatan gelombang tekanan. Pada saat berada dalam ketinggian tertentu seperti naik pesawat terbang, maka sering kali telinga manusia merasa tidak nyaman dikarenan tekanan udara di atas lebih kecil dibandingkan di dasar bumi..

Tekanan memiliki satuan internasional Pascal yaitu N/m². Dalam satuan lain yang biasa digunakan adalah psi dan kg/cm2.

C. Volume spesifik

Volume spesifik (v) adalah besaran yang menunjukkan volume setiap satu satuan massa. Besaran ini merupakan kebalikan dari rapat jenis (ρ).

Uap air memiliki volume spesifik yang jauh lebih besar dibandingkan dengan air dalam fasa cair karena uap berfasa gas yang memiliki jarak antar molekul jauh lebih besar dibandingkan dengan fasa cair. Akibatnya fasa gas memiliki kerapatan yang sangat rendah yang berarti memiliki volume spesifik yang tinggi.

D. Energi dalam spesifik

Energi dalam spesifik adalah besaran yang menunjukkan seberapa besar "energi dalam" suatu zat setiap satu satuan massanya. Energi dalam itu sendiri adalah besarnya energi kinetik molekul zat tersebut. Secara teori molekul zat akan selalu bergerak jika temperatunya di atas 0 K sehingga memiliki energi kinetik. Seperti halnya konsep energi secara umum, energi dalam memiliki sifat relatif pada acuan tertentu. Namun yang dapat diketahui adalah selisih energi antara dua keadaan yang berbeda.

E. Entalpi spesifik

Entalpi adalah besaran yang menunjukkan energi kalor total yang dimiliki suatu zat pada keadaan tertentu. Besarnya entalpi merupakan penjumlahan dari energi dalam dalam dan perkalian tekanan dan volumenya. Sedangkan entalpi spesifik adalah besarnya entalpi setiap satu satuan massanya.

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Fasa Subcooled, Saturasi, dan Superheated

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Video penjelasan fasa zat: Subcooled liquid , saturasi, dan superheated gas:

Dalam fluida, fasa zat dapat dibagi menjadi tiga fasa, yaitu: subcooled/compressed liquid, saturasi (jenuh), dan superheated. Untuk membedakan ketiga fasa tersebut, perhatikan penjelasan dibawah ini:

Subcooled atau compressed liquid adalah keadaan fluida pada fasa cair namun temperaturnya dibawah titik didih. Sebagai contoh: pada tekanan 1 atm, air (fasa cair) akan memiliki titik didih di sekitar 100 ^oC. Jika pada tekanan yang sama namun temperaturnya dibawah 100 ^oC maka fasa air tersebut adalah subcooled. Misalkan ada segelas air diletakkan disebuah ruangan dan temperatur air tersebut 27 ^oC, maka air tersebut dalam keadaan subcooled atau compressed liquid.

Subcooled dan compresed liquid adalah hal yang sama. Jika ada air dengan temperatur 100 ^oC tapi tekanannya diatas 1 atm maka air tersebut tidak mendidih. Hal ini disebut dengan compressed liquid, yaitu tekanannya lebih besar dari pada tekanan saturasinya.

Saturasi (jenuh) adalah keadaan fasa suatu zat fluida pada temperatur didihnya sesuai degan tekanannya. Pada keadaan saturasi, jika zat fluida itu diberikan kalor (dipanaskan) maka temperaturnya tidak naik namun terjadi perubahan fasa zat. Oleh karenanya ada istilah saturasi cair, campuran cair-gas dan saturasi gas.

Contohnya: air (fasa cair) pada tekanan 1 atm maka titik didihnya 100 ^oC, pada keadaan ini dinamakan saturasi cair (cair jenuh). Jika air ini dipanaskan maka temperaturnya diasumsikan tidak naik namun sebagian air akan menguap menjadi fasa gas (uap air) sehingga terjadi fasa campuran cair-gas karena ada bagian air yang masih cair dan ada bagian air yang sudah menguap.Jika terus diberikan kalor maka suatu saat air dalam bentuk cair akan habis, dengan kata lain semuanya berbentuk gas dengan temperatur 100 ^oC. Ini dinamakan saturasi gas.

Superheated adalah fasa fluida dalam bentuk gas dimana temperaturnya lebih tinggi dari pada temperatur saturasinya. Uap atau gas superheated terjadi jika suatu zat sudah dalam keadaan gas jenuh namun masih menerima kalor (dipanaskan) sehingga temperaturnya mulai naik. Gas superheated juga dapat terjadi jika sutu gas pada tekanan dibawah tekanan saturasinya.

Sebagai contoh pada uap air tekanan 1 atm dengan temperatur lebih dari 100 ^oC atau uap air yang bertemperatur 100 ^oC dengan tekanan dibawah 1 atm.

keyword: saturasi, subcooled/compressed liquid, superheated gas, fasa fluida