Termodinamika 1: paket kilat

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

Soal baruKembali 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·cp·ΔT
Kalor laten
Q = ṁ·hfg
Pencampuran
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Air
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Mesin kalor & refrigerator

Efisiensi
η = W/QH = 1 − QC/QH
Efisiensi Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP mesin pendingin
COPR = QC/W
COP pompa kalor
COPHP = QH/W = COPR + 1
Neraca energi
QH = W + QC

Siklus daya gas

Isentropik, rasio volume
T2/T1 = rk−1
Isentropik, rasio tekanan
T2/T1 = rp(k−1)/k
Efisiensi Otto
η = 1 − 1/rk−1
Efisiensi Diesel
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Efisiensi Brayton
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Kalor yang ditambahkan
Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
Kerja netto Brayton
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Efisiensi isentropik
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Standar udara dingin
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)

2Soal latihan

1.Hukum gas idealSedang
450 g HeV = 20 LT = 45 °CP = ?

Tangki 20 L berisi 450 g He pada 45 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 450 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
P = kPa
2.Hukum gas idealSulit
O₂, M = 32 g/molP = 450 kPaT = 10 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ O₂ pada 450 kPa dan 10 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 32 g/molP = 450 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dingincampuran glikol · 140 °C70 °Cair · 30 °Ct = ? °C

campuran glikol panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air tout.

ṁh = 3 kg/scp,h = 3,6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginoli ringan · 120 °C80 °Cair · 20 °C75 °C · ṁ = ?5% hilang

oli ringan panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 5% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁc yang diperlukan.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 120 → 80 °Ct: 20 → 75 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %
ṁc = kg/s
5.Mesin kalor & refrigeratorSedang
TH​ = 800 °CTL​ = ?EQH​ = 3900 kJQL​ = 1084 kJW

Sebuah mesin kalor reversibel (Carnot) menerima 3900 kJ panas dari reservoir bersuhu 800 °C dan membuang 1084 kJ per siklus. Cari suhu TL reservoir dingin dalam °C.

TH = 800 °CQH = 3900 kJQL = 1084 kJ
TL = °C
6.Mesin kalor & refrigeratorSulit
TH​ = 25 °CTL​ = 5 °CRQ̇H​Q̇L​ = 4,5 kWẆ = ?

Lemari es menjaga ruang dinginnya pada 5 °C di dapur bersuhu 25 °C, dengan mengambil panas dari ruang dingin sebesar 4,5 kW. Cari daya masukan minimum Ẇmin.

TH = 25 °CTL = 5 °CQ̇L = 4,5 kW
Ẇmin = kW
7.Siklus daya gasSedang
vP1234qin​qout​

Sebuah siklus Diesel ideal memiliki rasio kompresi r = 22 dan rasio cutoff rc = v₃/v₂ = 2,5. Pada awal kompresi udara bersuhu 290 K. Gunakan asumsi standar udara dingin: udara adalah gas ideal dengan kalor jenis konstan, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) dan cv = 0,718 kJ/(kg·K). Cari suhu T3 di akhir penambahan kalor, dalam K.

r = 22rc = 2,5T1 = 290 Kk = 1,4
T3 = K
8.Siklus daya gasSulit
vP1234qin​qout​

Sebuah pembangkit turbin gas bekerja dengan siklus Brayton dengan rasio tekanan kompresor 14. Udara memasuki kompresor pada 300 K dan turbin pada 1500 K. Kedua mesin isentropik. Gunakan asumsi standar udara dingin: udara adalah gas ideal dengan kalor jenis konstan, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) dan cv = 0,718 kJ/(kg·K). Cari kerja keluaran netto wnet per kilogram udara, dalam kJ/kg.

rp = 14T1 = 300 KT3 = 1500 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg

3Larutan

1.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 14868 kPa

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

Mol

n = m/M = 450/4,003 = 112,4 mol
T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 112,4·8,314·318,1/0,02 = 14868 kPa

Jawaban

P = 14868 kPa
2.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 6,117 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Massa jenis

ρ = 450·32/(8,314·283,1) = 6,117 kg/m³

Jawaban

ρ = 6,117 kg/m³
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 120,4 °C

Neraca energi penukar panas: tanpa kehilangan, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 3·3,6·(140 − 70) = 756 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 756/(2·4,18) = 120,4 °C

Jawaban

tout = 120,4 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 0,8678 kg/s

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

Panas dilepas

Qh = 2,5·2,1·(120 − 80) = 210 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,05)·210 = 199,5 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 199,5/(4,18·55) = 0,8678 kg/s

Jawaban

ṁc = 0,8678 kg/s
5.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: TL = 25,13 °C

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Suhu absolut sumber

TH = 800 + 273,15 = 1073 K

Rasio panas reversibel

TL = TH·QL/QH = 1073·1084/3900 = 298,3 K = 25,13 °C

Jawaban

TL = 25,13 °C
6.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: Ẇmin = 0,3236 kW

Batas hukum kedua: tidak ada siklus yang bekerja di antara reservoir bersuhu mutlak TH dan TL yang dapat mengungguli siklus reversibel (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Energi selalu kekal: QH = W + QL.

Suhu mutlak

TH = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = 5 + 273,15 = 278,1 K

COP terbaik yang mungkin

COPR,max = TL/(TH − TL) = 278,1/(298,1 − 278,1) = 13,91

Daya minimum

Usaha paling kecil dibutuhkan oleh mesin reversibel, yang COP-nya paling tinggi.

Ẇmin = Q̇L/COP = 4,5/13,91 = 0,3236 kW

Jawaban

Ẇmin = 0,3236 kW
7.Siklus daya gas

Jawaban: T3 = 2496 K

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) rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) dan η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).

Akhir kompresi

T2 = 290·220,4 = 998,5 K

Penambahan kalor pada tekanan konstan

T3 = rc·T2 = 2,5·998,5 = 2496 K

Jawaban

T3 = 2496 K
8.Siklus daya gas

Jawaban: wnet = 458,9 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 rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k dan η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Kerja netto w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Dengan efisiensi isentropik, kompresor memerlukan ws/ηc dan turbin menghasilkan ηt·ws.

Suhu isentropik

T2 = 300·140,2857 = 637,7 K
T4 = 1500/140,2857 = 705,7 K

Kerja kompresor dan turbin

wc = 1,005·(637,7 − 300) = 339,3 kJ/kg
wt = 1,005·(1500 − 705,7) = 798,3 kJ/kg

Kerja netto

wnet = 798,3 − 339,3 = 458,9 kJ/kg

Jawaban

wnet = 458,9 kJ/kg

Rasio kerja balik: wc/wt = 42,51%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1