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

Berapa volume V yang ditempati 200 g N₂ pada 250 kPa dan 50 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 200 gM = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 350 kPa dan 80 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 350 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Neraca energiSedang

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

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 60 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °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 = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 70 °Ct: 20 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Mesin kalor & refrigeratorSedang

Sebuah mesin kalor bekerja di antara reservoir panas bersuhu 275 °C dan reservoir dingin bersuhu 5 °C. Cari efisiensi termal tertinggi yang mungkin η_max.

T_H = 275 °CT_L = 5 °C

η_max = %

6.Mesin kalor & refrigeratorSulit

Sebuah mesin kalor Carnot menerima 90 kW panas dari sumber bersuhu 400 °C dan membuang panas ke lingkungan bersuhu 27 °C. Seluruh usahanya menggerakkan lemari pendingin Carnot yang mengambil panas dari freezer bersuhu -10 °C dan juga membuang panas ke lingkungan bersuhu 27 °C. Cari laju Q̇_L panas yang diambil dari freezer.

T_H = 400 °CT₀ = 27 °CT_L = -10 °CQ̇_H = 90 kW

Q̇_L = kW

7.Siklus daya gasSedang

Sebuah siklus Diesel ideal memiliki rasio kompresi r = 20 dan rasio cutoff r_c = v₃/v₂ = 2,2. Pada awal kompresi udara bersuhu 295 K. 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 kalor yang ditambahkan q_in per kilogram udara, dalam kJ/kg.

r = 20r_c = 2,2T₁ = 295 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Siklus daya gasSulit

Sebuah pembangkit turbin gas bekerja dengan siklus Brayton dengan rasio tekanan kompresor 18. Udara memasuki kompresor pada 290 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, 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 = 18T₁ = 290 KT₃ = 1500 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Larutan

1.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 76,73 L

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

Mol

n = 200/28,01 = 7,14 mol

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Volume

V = nRT/P = 7,14·8,314·323,1/250 = 76,73 L

Jawaban

V = 76,73 L

2.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 5,246 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Massa jenis

ρ = 350·44,01/(8,314·353,1) = 5,246 kg/m³

Jawaban

ρ = 5,246 kg/m³

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 53,92 °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 = 2·2,44·(160 − 60) = 488 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 488/(3·4,18) = 53,92 °C

Jawaban

t_out = 53,92 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 0,8597 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 1,5·2,44·(130 − 70) = 219,6 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·219,6 = 197,6 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 197,6/(4,18·55) = 0,8597 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 0,8597 kg/s

5.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: η_max = 49,26 %

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 = 275 + 273,15 = 548,1 K

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

Efisiensi Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278,1/548,1 = 49,26 %

Jawaban

η_max = 49,26 %

6.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: Q̇_L = 354,7 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 = 400 + 273,15 = 673,1 K

T₀ = 27 + 273,15 = 300,1 K

T_L = -10 + 273,15 = 263,1 K

Usaha mesin

η = 1 − 300,1/673,1 = 0,5541

Ẇ = 0,5541·90 = 49,87 kW

Panas yang diambil oleh lemari pendingin

COP_R = 263,1/(300,1 − 263,1) = 7,112

Q̇_L = 7,112·49,87 = 354,7 kW

Jawaban

Q̇_L = 354,7 kW

7.Siklus daya gas

Jawaban: q_in = 1179 kJ/kg

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)).

Suhu

T₂ = 295·20^0,4 = 977,8 K

T₃ = 2,2·977,8 = 2151 K

Kalor yang ditambahkan pada tekanan konstan

q_in = 1,005·(2151 − 977,8) = 1179 kJ/kg

Jawaban

q_in = 1179 kJ/kg

8.Siklus daya gas

Jawaban: w_net = 473,3 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

T₂ = 290·18^0,2857 = 662,3 K

T₄ = 1500/18^0,2857 = 656,8 K

Kerja kompresor dan turbin

w_c = 1,005·(662,3 − 290) = 374,2 kJ/kg

w_t = 1,005·(1500 − 656,8) = 847,4 kJ/kg

Kerja netto

w_net = 847,4 − 374,2 = 473,3 kJ/kg

Jawaban

w_net = 473,3 kJ/kg

Rasio kerja balik: w_c/w_t = 44,15%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1