Termodinamika 1: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baru Kembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Hukum gas ideal

Hukum gas ideal: pV = nRT
Konstanta gas: R = 8,314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Suhu: T[K] = T[°C] + 273,15

Neraca energi

Kalor sensibel: Q = ṁ·c_p·ΔT
Kalor laten: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Mesin kalor & refrigerator

Efisiensi: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Efisiensi Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP mesin pendingin: COP_R = Q_C/W
COP pompa kalor: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Neraca energi: Q_H = W + Q_C

Siklus daya gas

Isentropik, rasio volume: T₂/T₁ = r^k−1
Isentropik, rasio tekanan: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Efisiensi Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Efisiensi Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Efisiensi Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Kalor yang ditambahkan: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Kerja netto Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Efisiensi isentropik: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Standar udara dingin: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Soal latihan

1.Hukum gas idealSedang

Tangki 20 L berisi 270 g He pada 10 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 270 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Hukum gas idealSulit

Sejumlah tetap O₂ berubah dari 400 kPa, 2 L, 20 °C menjadi 450 kPa dan 130 °C. Cari volume baru V₂.

P₁ = 400 kPaV₁ = 2 LT₁ = 20 °CP₂ = 450 kPaT₂ = 130 °C

V₂ = L

3.Neraca energiSedang

oli ringan panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air t_out.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

etanol panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 10% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 60 °Ct: 15 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Mesin kalor & refrigeratorSedang

Lemari pendingin reversibel menjaga ruang dingin pada 4 °C dengan mengambil 1 kW panas, dan membuang panas ke lingkungan bersuhu 25 °C. Cari laju Q̇_H panas yang dibuangnya.

T_L = 4 °CT_H = 25 °CQ̇_L = 1 kW

Q̇_H = kW

6.Mesin kalor & refrigeratorSulit

Pompa kalor menjaga rumah pada 20 °C saat di luar 5 °C, dengan memasok 11 kW panas ke rumah. Cari koefisien kinerja tertinggi yang mungkin COP_max.

T_H = 20 °CT_L = 5 °CQ̇_H = 11 kW

COP_max =

7.Siklus daya gasSedang

Sebuah siklus Diesel ideal memiliki rasio kompresi r = 18 dan rasio cutoff r_c = v₃/v₂ = 3. Gunakan asumsi standar udara dingin: udara adalah gas ideal dengan kalor jenis konstan, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) dan c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Cari efisiensi termalnya η dalam persen.

r = 18r_c = 3k = 1,4

η = %

8.Siklus daya gasSulit

Sebuah pembangkit turbin gas bekerja dengan siklus Brayton dengan rasio tekanan kompresor 8. Udara memasuki kompresor pada 300 K dan turbin pada 1300 K. Kompresor memiliki efisiensi isentropik 85% dan turbin 85%. Gunakan asumsi standar udara dingin: udara adalah gas ideal dengan kalor jenis konstan, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) dan c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Cari kerja keluaran netto w_net per kilogram udara, dalam kJ/kg.

r_p = 8T₁ = 300 KT₃ = 1300 Kη_c = 85%η_t = 85%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Larutan

1.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 7939 kPa

Hukum gas ideal: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = m/M = 270/4,003 = 67,45 mol

T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 67,45·8,314·283,1/0,02 = 7939 kPa

Jawaban

P = 7939 kPa

2.Hukum gas ideal

Jawaban: V₂ = 2,445 L

Hukum gas gabungan: untuk jumlah gas ideal yang tetap, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Suhu mutlak

T₁ = 293,1 K, T₂ = 403,1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(400/450)·(403,1/293,1) = 2,445 L

Jawaban

V₂ = 2,445 L

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 82,8 °C

Neraca energi penukar panas: tanpa kehilangan, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 2,5·2,1·(130 − 80) = 262,5 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 262,5/(1·4,18) = 82,8 °C

Jawaban

t_out = 82,8 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 3,502 kg/s

Neraca energi dengan kehilangan: panas dilepas = panas diserap + panas hilang.

Panas dilepas

Q_h = 2,5·2,44·(140 − 60) = 488 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·488 = 439,2 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 439,2/(4,18·30) = 3,502 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 3,502 kg/s

5.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: Q̇_H = 1,076 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

Suhu mutlak

T_H = 25 + 273,15 = 298,1 K

T_L = 4 + 273,15 = 277,1 K

Rasio panas reversibel

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 1·298,1/277,1 = 1,076 kW

Jawaban

Q̇_H = 1,076 kW

Daya masukan: Ẇ = 0,07577 kW.

6.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: COP_max = 19,54

Batas hukum kedua: tidak ada siklus yang bekerja di antara reservoir bersuhu mutlak T_H dan T_L yang dapat mengungguli siklus reversibel (Carnot): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L), dan COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energi selalu kekal: Q_H = W + Q_L.

Suhu mutlak

T_H = 20 + 273,15 = 293,1 K

T_L = 5 + 273,15 = 278,1 K

COP terbaik yang mungkin

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 293,1/(293,1 − 278,1) = 19,54

Jawaban

COP_max = 19,54

7.Siklus daya gas

Jawaban: η = 58,91 %

Siklus Diesel (motor diesel): 1→2 kompresi isentropik, 2→3 penambahan kalor pada tekanan konstan, 3→4 ekspansi isentropik, 4→1 pelepasan kalor pada volume konstan. Dengan rasio kompresi r = v₁/v₂ dan rasio penghentian (cutoff) r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) dan η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Suku cutoff

(3^1,4 − 1)/(1,4·(3 − 1)) = 1,306

Efisiensi termal

η = 1 − 0,3147·1,306 = 58,91%

Jawaban

η = 58,91%

8.Siklus daya gas

Jawaban: w_net = 209,6 kJ/kg

Siklus Brayton (turbin gas): 1→2 kompresi isentropik, 2→3 penambahan kalor pada tekanan konstan, 3→4 ekspansi isentropik di turbin, 4→1 pelepasan kalor pada tekanan konstan. Dengan rasio tekanan r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k dan η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Kerja netto w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Dengan efisiensi isentropik, kompresor memerlukan w_s/η_c dan turbin menghasilkan η_t·w_s.

Suhu isentropik

T_2s = 300·8^0,2857 = 543,4 K

T_4s = 1300/8^0,2857 = 717,7 K

Kerja kompresor dan turbin

w_c = 1,005·(543,4 − 300)/0,85 = 287,8 kJ/kg

w_t = 0,85·1,005·(1300 − 717,7) = 497,5 kJ/kg

Kerja netto

w_net = 497,5 − 287,8 = 209,6 kJ/kg

Jawaban

w_net = 209,6 kJ/kg

Rasio kerja balik: w_c/w_t = 57,86%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1