BAB 2. TERMODINAMIKA DAN PINDAH PANAS PADA PENDINGINAN

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan kaitan dan penerapan termodinamika pada perancangan proses dan instalasi refrigerasi. Cakupan dalam pokok bahasan ini adalah pengulangan azas-azas termodinamika dan pindah panas serta bagaimana penggunaannya untuk mempelajari sistem refrigerasi. Pindah panas dalam bentuk konduksi, konveksi dan radiasi merupakan proses yang berlangsung pada sistem refrigerasi. Sedangkan properti termodinamika dan siklus Carnot merupakan landasan pemikiran bagi mahasiswa dalam menganalisa berbagai siklus refrgerasi.

A. Pendahuluan

Proses pendinginan berarti memindahkan panas dari satu lingkungan ke lingkungan lainnya dengan cara-cara tertentu. Diperlukan analisa termodinamika serta nalisa pindah panas dan massa untuk mengetahui proses yang terjadi. Dalam analisa ini dibutuhkan satuan dan besaran tertentu yang umum dikenal sebagai properti termodinamika. Analisa juga dilakukan berdasarkan suatu pemikiran. Pada proses pendinginan, pemikiran yang melandasi adalah siklus Carnot.

1. Sistem dan Lingkungan

Termodinamika berhubungan dengan perubahan energi yang terjadi antara sistem dengan lingkungannya karena adanya suatu proses. Analisa dasar termodinamika diawali dengan pengertian sistem dan lingkungan. Sistem adalah kegiatan atau proses yang diperhatikan dalam suatu lingkungan. Lingkungan adalah semua hal di luar sistem. Lingkungan dan sistem dipisahkan oleh suatu batas sistem. Batas sistem ini dapat berupa batas nyata atau batas khayal. (Tambunan, 2007)

Sistem termodinamika dapat dibedakan menjadi tiga:

• Sistem terbuka (sistem dengan volume terkendali). Energi dan massa dapat berpindah melalui batas sistem
• Sistem tertutup (sistem dengan massa terkendali). Hanya energi yang dapat bepindah
• Sistem terisolasi adalah sistem tertutup yang tidak mengalami kontak, baik mekanik maupun termal, dengan lingkungannya, sehingga baik energi maupun materi tidak dapat berpindah melalui batas sistem. (Tambunan, 2007)

2. Hukum Termodinamika

• Analisa termodinamika berpedoman kepada Hukum Termodinamika, yaitu Hukum pertama dan Kedua Termodinamika. Hukum Termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tak dapat diciptakan atau dimusnahkan, yang berarti bahwa jumlah energi yang terkandung dalam suatu sistem dan lingkungannya selalu tetap selama proses berlangsung. Hukum ini juga dapat diartikan bahwa energi dapat diubah menjadi bentuk energi lain, namun energi yang diubah ini tidak bisa seluruhnya.

Hukum pertama ini memberikan konsep adanya energi dalam suatu sistem (u). Jumlah energi dalam suatu benda selalu tetap jika tidak ada panas (q) maupun kerja yang dilakukan padanya (w). Perubahan energi dalam ditulis sebagai:

....................................(2.1)

Semua energi yang masuk kedalam sistem (panas dan kerja) bertanda positif. Jika kerja dan panas yang terjadi dikur dalam jangka waktu yang singkat maka persamaan 1 dapat ditulis menjadi

......................................(2.2)

Kerja dalam proses termodinamika dinyatakan sebagai perkalian antara tekanan dan perubahan volume.

....................................(2.3)

Jika energi yang terlibat dalam proses hanya energi panas, maka persamaan (2.3) dapat ditulis sebagai

......................................(2.4)

Penjumlahan energi dalam dengan perkalian tekanan dan perubahan volume disebut sebagai entalpi (h, kJ/kg)

.......................................(2.5)

• Hukum kedua termodinamika menelaskan apa yang belum dijelaskan pada hukum pertama, arah terjadinya perubahan. Pada hukum kedua, diperkenalkan suatu besaran, entropi, yang menyatakan tingkat keacakan atau keteraturan. Hukum kedua menyatakan bahwa proses akan berlangsung spontan ke arah yang semakin acak atau ke arah yang mnyebabkan naiknya tingkat entropi sistem dan lingkungannya. Contohnya pada batang yang berbeda suhu yang didekatkan. Batang yang panas akan memindahkan energinya ke batang yang lebih dingin hingga suhu keduanya sama. Tingkat keacakan menjadi lebih tinggi daripada saat sebelum kedua batang disentuhkan.

Proses yang menuju entropi yang lebih tinggi adalah proses yang tak mampu balik, karena arah sebaliknya tidak dapat berlangsung secara spontan. Proses yang mampu balik adalah proses yang berlangsung tanpa perubahan entropi (Δs=0). Jika suatu proses dapat dikendalikan secara sempurna dan berlangsung secara mampu-balik maka akan menghasilkan jumlah maksimum energi yang dapat digunakan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang sesempurna ini karena setiap konversi energi selalu diikuti dengan kehilangan energi. Entropi suatu sistem secara termodinamik dinyatakan sebagai

……………………… (2.6)

Pada proses adiabatik, dimana tidak ada panas yang berpindah, tidak terjadi perubahan entropi. Jika pada sistem terjadi reaksi kimia yang mempunyai entalpi perubahan sebesar DH, maka perpindahan panas antara sistem dengan lingkungan pada tekanan tetap adalah q=DT.

Definisi entropi secara statistik memungkinkan kita menghitung ketidak-teraturan sistem secara nyata dengan Persamaan Ludwig Boltzman berikut:

.....................................(2.7)

dimana W adalah banyaknya variasi cara untuk mendapatkan energi sistem melalui penyusunan atom atau molekul diantara status yang tersedia, sedangkan k adalah tetapan Boltzman, yaitu (Tambunan, 2007)
Hukum kedua termodinamika menghasilkan konsep eksergi, yang didefinisikan sebagai energi minimum yang diperlukan oleh, atau energi maksimum yang dapat diambil dari, suatu proses tertentu. Melalui konsep eksergi, tingkat kegunaan dinyatakan sebagai bagian energi yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanis. Penggunaan kaidah eksergi dalam analisa pendinginan dijelaskan pada bagian lain.

3. Properti, Status dan Fase Zat

Properti adalah sifat materi yang dapat dikur secara kuantitatif. Kerja dan pindah panas dapat diukur dan dihitung, namun kedua hal tersebut bukan properti. Properti termodinamika diukur berdasarkan suatu datum. Terdapat dua datum yang umum digunakan 00C dan -400C yang diukur pada tekanan 1 atm. Nilai salah satu properti dapat ditentukan dari dua properti lainnya, misalnya tekanan sebagai fungsi volume spesifik dan suhu, atau p=p(v,T), dan seterusnya. Properti yang umum digunakan untuk menyatakan status suatu sistem sederhana (zat murni yang hanya terdiri atas satu komponen) adalah tekanan (p; satuan Pa), volume spesifik (v; satuan m3/kg), suhu (T; satuan K), energi dalam spesifik (u; satuan kJ/kg), entalpi spesifik (h; satuan kJ/kg), dan entropi spesifik (s; satuan kJ/kg). Untuk sistem yang terdiri atas lebih dari satu zat yang tidak saling bersenyawa, penentuan nilai properti tersebut dapat dilakukan jika komposisi masing-masing zat di dalam sistem diketahui. (Tambunan, 2007)

Properti dapat digolongkan menjadi properti ekstensif, yaitu jika nilainya berubah akibat pembagian/pembelahan (seperti massa, volume, dan energi), dan properti intensif, yaitu jika nilainya tetap meskipun terjadi pembagian/pembelahan (seperti volume jenis, tekanan dan suhu) (Tambunan, 2007).

Kapasitas panas (c) adalah properti ekstensif yang sering dinyatakan dalam per satuan massa sehingga disebut sebagai kapasitas panas jenis. Kapasitas panas jenis didefinisikan sebagai perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massa zat tertentu. Kapasitas panas jenis dapat berupa kapasitas panas jenis pada volume tetap (cv) dan pada tekanan tetap (cp), sesuai dengan kondisi yang ditetapkan.
cv dituliskan dalam persamaan:

..............................(2.8)

dan cp dapat dituliskan dengan persamaan:

.............................................................(2.9)

Hubungan antara kapasitas panas jenis suatu gas ideal pada tekanan tetap dengan pada volume tetap dapat ditentukan jika u, h, dan pV dinyatakan sebagai fungsi T. Bentuk diferensial persamaan [2-8] terhadap suhu adalah:

..................................................(2.10)

Sehingga, dengan memasukkan persamaan (8) dan (9), serta persamaan gas ideal pV=RT, akan diperoleh:

........................................(2.11)

Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada volume tetap (cp/cv) sering sangat bermanfaat untuk analisis sistem pendinginan. Untuk gas ideal nilai rasio kapasitas panas tersebut adalah:

[2.12]

Fasa suatu zat dapat diketahui berdasarkan dua sifat yang berbeda. Jika nilai salah satu properti berubah maka dikatakan zat tersebut mengalami proses. Sifat yang umum dipakai adalah tekanan, suhu, dan volume. Ketiga sifat ini dapat digambarkan dalam satu grafik untuk mengetahui perbedaan fasa suatu zat. Bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 2-1.

Gambar 2.1. Permukaan p-v-T untuk zat yang mengembang pada saat membeku untuk mengetahui fasa zat.

Gambar diatas dpat diuraikan menjadi grafik dua dimensi untuk kegunaan yang khusus. Grafik volume-tekanan Status zat dapat ditunjukkan melalui grafik hubungan p, v, dan T, seperti dapat dilihat pada Gambar 2-2 untuk zat yang mengembang pada saat membeku (seperti air). Pada diagram tersebut ditunjukkan bidang yang merupakan permukaan p-v-T dan terdiri atas tiga bidang satu fase (masing-masing: fase padat, fase cair, dan fase gas), tiga bidang dua fase (masing-masing: bidang padat-cair, cair-gas, dan padat gas), serta satu garis tiga fase (padat-cair-gas) yang sering juga disebut sebagai garis tripel. Bidang-bidang tersebut memberi semua kemungkinan keadaan seimbang yang dapat dicapai oleh suatu zat murni. Pada bidang dua fase, suhu dan tekanan saling terpaut, sehingga salah satu dapat berubah jika dan hanya jika yang lainnya berubah. Dengan demikian, pada wilayah ini status tidak dapat ditentukan hanya berdasarkan tekanan dan suhu, tetapi dapat ditentukan berdasarkan volume jenis dengan suhu atau tekanan.

(a)(b)
(c)
Gambar 2-2. Diagram p-T (a), diagram p-v (b), dan diagram T-v (c) untuk zat yang mengembang pada saat membeku

Proyeksi permukaan p-v-T terhadap bidang p-v, p-T, dan T-v untuk air ditunjukkan pada Gambar 2-2. Pertemuan kedua garis jenuh tersebut dikenal dengan titik kritis, dan sering dinyatakan dalam suhu kritis, tekanan kritis, dan volume jenis kritis. Suhu kritis suatu zat murni adalah suhu tertinggi pada mana fase cair dan gas dapat berada bersama-sama. Titik kritik berbagai zat diberikan pada Lampiran 1. Jika permukaan p-v-T diproyeksikan menjadi bidang p-T maka diperoleh diagram fase, seperti diagram (a) pada kedua gambar di atas. Pada diagram fase, wilayah dua fase berubah menjadi garis P-C, P-U, dan C-U. Pertemuan ketiga garis tersebut disebut titik tripel. Titik tripel air berada pada suhu 273.16 oC dan tekanan 0.6113 kPa. Permukaan p-v-T dapat pula diproyeksikan menjadi bidang p-v dan T-v untuk keperluan tertentu.

Status jenuh (saturation state) adalah status zat saat terjadinya perubahan fase (sejak mulai hingga berakhir). Fase merujuk kepada sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia dan struktur fisika yang serba-sama, baik dalam bentuk padatan, cairan, atau uap (gas). Untuk tujuan keteknikan, fase gas dapat dibagi lagi menjadi uap dan gas sebenarnya. Pembagian tersebut tidak terlalu tegas dan hanya didasarkan pada derajat kesesuaiannya pada kaidah gas ideal, dimana uap dianggap sebagai fase gas yang tidak sesuai dengan kaidah gas ideal. Pada sistem refrigerasi, refrigeran berada pada keadaan cair atau uap, atau keduanya pada saat yang sama dengan proporsi tertentu. Kebanyakan refrigeran yang bekerja pada fase gas berada pada kondisi yang sangat dekat dengan garis jenuh sehingga dapat digolongkan sebagai uap. Pada pembuatan dry-ice (karbon dioksida padat) ketiga fase tersebut dapat ditemukan secara bersama-sama.

B. Proses dan Siklus Termodinamika

Proses adalah perpindahan zat dari suatu status ke status lainnya yang masing-masing berada dalam keseimbangan. Sistem yang tidak mengalami perubahan properti terhadap waktu disebut dalam status mantap (steady state), sedangkan yang mengalami perubahan disebut status tak-mantap (unsteady-state/transient).

Keadaan seimbang adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan (bersih) dalam sistem, atau antara sistem dengan lingkungannya. Pada keadaan seimbang, suhu dan tekanan menjadi seragam dan tidak ada lagi gaya-gaya tak-seimbang yang bekerja di seluruh sistem. Keseimbangan (equilibrium) secara termodinamik sulit didefinisikan sehingga sering harus dikelompokkan menjadi beberapa jenis keseimbangan, seperti keseimbangan mekanik, panas, fase dan kimia. Jika suatu sistem tidak menunjukkan terjadinya perubahan, maka sistem tersebut dapat dikatakan berada pada status keseimbangan. Proses nyata umumnya terjadi dalam keadaan tak-seimbang, sehingga sering didekati dengan keadaan seimbang-semu. Proses seimbang-semu (quasi-equilibrium process) adalah suatu idealisasi yang menganggap terjadinya perpindahan sangat kecil dari status keseimbangan.

Uap super panas mempunyai sifat seperti gas jika berada di bawah suhu kritisnya. Beberapa proses yang dapat terjadi pada pemanasan dan ekspansi uap adalah sebagaimana yang dijelaskan berikut. Proses volume tetap (isometric) adalah proses yang bekerja pada satu garis volume sehingga volume akhir sama dengan volume awal proses. Proses tekanan tetap (isobaric) adalah proses yang bekerja pada satu garis tekanan sehingga tekanan akhir sama dengan tekanan awal proses. Pada tekanan tertentu terdapat suhu jenuh yang tertentu pula sehingga di dalam wilayah yang dibatasi oleh garis jenuh cair dan uap proses tekanan tetap adalah juga proses suhu tetap (isothermic), yaitu proses yang bekerja pada satu garis suhu. Proses cekik (throtling) terjadi jika terdapat penyempitan luas penampang aliran. Pada proses ini tekanan akan berkurang akibat adanya gesekan dalam aliran, dan tidak terjadi kerja maupun perpindahan kalor. Proses cekik dipergunakan untuk pendinginan dan pengeringan uap.

Pada mesin-mesin refrigerasi, pencekikan refrigeran dilakukan dengan cara melewatkannya melalui suatu penampang saluran yang menyempit pada katup ekspansi atau melalui sebuah pipa kapiler yang panjang sehingga terjadi penurunan tekanan. Dengan proses cekik suhu uap akan turun diikuti dengan peningkatan mutu uap, sebagian panas sensibel diubah menjadi panas laten dan uap menjadi bersifat super panas.

a. Siklus dan mesin panas

Gambar 2-3 adalah diagram suatu siklus dimana satu satuan massa gas mengalami pengembangan (ekspansi) dari keadaan 1 ke keadaan 2. Pada saat tersebut kerja dilepas ke luar sebesar luasan 1-a-2-d-c-1. Pada mesin nyata proses tidak dapat berlangsung hanya satu arah akan tetapi gas yang berada pada keadaan 2 harus dikembalikan ke keadaan 1 dengan suatu cara tertentu. Proses dari keadaan 2 ke keadaan 1 disebut pengempaan (kompresi) dengan memberi kerja kepada gas. Lintasan yang dilalui pada proses tersebut adalah 2-b-1, dan kerja yang harus diberikan tersebut adalah sebesar luasan 2-b-1-c-d. Kerja bersih yang dilepaskan dari sistem tersebut adalah :

W = luasan 1-a-2-d-c - luasan 2-b-1-c-d = luasan 1-a-2-b-1 (luasan terarsir), atau :

[2.13]

Gambar 2-3. Suatu siklus tertutup yang digambarkan pada diagram p-v

Dengan demikian, siklus adalah suatu perubahan keadaan yang melingkupi suatu luasan tertutup di dalam suatu diagram keadaan (p-V, T-s, dll). Jika jumlah panas yang ditambahkan ke dalam suatu siklus adalah Qi dan jumlah panas yang dilepas adalah Qo maka kerja yang terjadi pada siklus tersebut dapat juga dituliskan sebagai :

[2.14]

Siklus yang ditunjukkan di atas bekerja searah gerakan jarum jam, panas Qi diterima dan kerja W dilepas ke luar. Dengan kata lain sebagian dari panas diubah menjadi kerja. Mesin-mesin panas menghasilkan panas dengan cara tersebut. Mesin panas diharapkan dapat mengubah sebanyak mungkin panas yang diterima menjadi kerja. Perbandingan kerja yang dihasilkan dengan panas yang diterima disebut dengan efisiensi termal, yaitu :

[2.15]

b. Siklus terbalik dan mesin pendingin

Jika siklus pada gambar 2.3 bekerja pada arah terbalik (berlawanan arah gerakan jarum jam) seperti ditunjukkan pada gambar 2.4 maka arah panas dan kerja juga adalah sebaliknya. Dengan cara demikian, kerja dari luar dikenakan pada gas, sedangkan panas dapat diambil dari sumber bersuhu rendah sebesar Qo dan dilepas pada sumber bersuhu tinggi sebesar Qi = W-Qo. Siklus demikian disebut dengan siklus terbalik.

Pada siklus terbalik, panas yang seharusnya mengalir secara alami dari sumber bersuhu tinggi ke sumber bersuhu rendah, dibalik sehingga panas dari sumber bersuhu rendah dialirkan ke sumber bersuhu tinggi dengan mengenakan kerja. Siklus terbalik merupakan dasar kerja suatu mesin pendingin (refrigerator) dan pompa panas (heat pump). Mesin pendingin adalah mesin yang digunakan untuk mendapatkan suhu dingin, sedangkan pompa panas adalah mesin yang digunakan untuk memperoleh panas dari sumber bersuhu rendah. Istilah pompa panas digunakan sebagai analogi suatu pompa air yang digunakan untuk memperoleh air dari sumber pada lokasi yang lebih rendah. Kinerja kedua mesin tersebut umumnya dinyatakan dengan tetapan penampilan (coefficient of performance; COP), yaitu :

Mesin pendingin :

[2.16]

Pompa panas :

[2.17]

Koefisien penampilan di atas dapat digunakan sebagai pembanding standar untuk mesin pendingin dan pompa panas dalam keadaan nyata.

Gambar 2.4. Siklus terbalik

Contoh Soal 2.1.

Tentukan entalpi dan energi dalam zat karbondioksida yang berada pada keadaan uap jenuh pada suhu dan tekanan seperti pada contoh soal 1., jika panas laten penguapannya adalah 320,52 kJ/kg dan volume jenis uap jenuh yang dihasilkan adalah 0,0382 m3/kg.

Jawab:
Panas laten penguapan adalah selisih antara entalpi pada keadaan uap jenuh dengan entalpi pada keadaan cair jenuh, atau:

Karena Hl = 0, maka Hv = DH + 0 = 320,52 kJ/kg
Energi dalam dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan,
Uv = Hv - pVv = 320,52 - 103 (0,0382) = 282,32 kJ/kg

Contoh soal 2.2

Uap pada tekanan 10 bar dan mutu uap 0.9 dicekik hingga mencapai tekanan 2 bar. Gunakan tabel uap untuk menentukan mutu uap akhir.

Jawab :
Pada p1 = 10 bar diperoleh T1 = 179.9 oC, hf1 = 762.81 kJ/kg, dan hg1 = 2778.1 kJ/kg
Pada p2 = 2 bar diperoleh T2 = 120.2 oC, hf2 = 504.70 kJ/kg, dan hg2 = 2706.7 kJ/kg
Dengan pers. [1-2] diperoleh h1 = hf1 + x1 (hg1 - hf1) = 762.81 + 0.9 (2015.29) = 2576.57 kJ/kg
Proses cekik terjadi secara adiabatik sehingga h1 = h2 = 2576.57 kJ/kg
Karena h2 < x2 =" (h2" 0 =" 0.94

• Entalpi. Jika suatu proses pada tekanan tetap dilakukan dengan tanpa adanya kerja yang dilakukan pada proses tersebut, maka panas yang dipindahkan per unit massa adalah entalpi zat tersebut. Entalpi selalu ditetapkan berdasarkan satu datum.
• Entropi, adalah ukuran keteraturan benda atau lingkungan.
• Kerapatan, adalah massa benda setiap unit volume (kg/m3). Kebalikan dari kerpatan adalah volume spesifik, volume benda setiap unit massa (m3/kg).
• Panas jenis (c), adalah jumlah energi yang digunakan untuk meningkatkan suhu 1 K setiap 1 kg zat (J/kg.K). Besarnya panas jenis bergantung pada proses yang dilakukan karenanya dikenal dua macam panas jenis, yaitu panas jenis dalam tekanan konstan dan volume konstan (cp dan cv).
• Panas laten, adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa 1 kg zat (J/kg). Pada pemanasan air, saat air mencapai suhu 1000C, proses kenaikan suhu akan berhenti dan terjadi perubahan fasa air dari cair menjadi gas. Energi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa inilah yang disebut sebagai panas laten suatu zat.

Siklus carnot pertama kali diperkenalkan oleh Sadi Carnot, ilmuwan Prancis (1796-1832) yang dikembangkan oleh Clayperon. Siklus Carnot merupakan siklus yang digunakan untuk analisa mesin panas, dimana untuk menghasilkan kerja, maka kalor dipindahkan dari suhu tinggi ke suhu rendah. Pada siklus pendinginan, hal ini dibalik, dimana tujuan akhirnya adalah mendapatkan keadan yang lebih dingin. Pembalikan ini digambarkan pada gambar berikut

Pada siklus Carnot asli, kerja dihasilkan dari berpindahnya panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. (W = Qh-Ql). Pada mesin pendingin dibutuhkan kerja untuk memindahkan panas dari suhu rendah ke suhu tinggi (W=Ql-Qh). Efisiensi sutu mesin didefinisikan sebagai perbandingan hasil kerja dan usaha untuk mengasilkan kerja.

Pada siklus mesin panas efisiensi selalu bernilai kurang dari 1 (efisiensi = W/Qh = 1-Ql/Qh). Hasil dari siklus pendinginan adalah efek pendinginan yang terjadi (Ql) dan kerja yang diperlukan adalah sebesar W (Qh-Ql) dan karenanya efisiensi mesin pendingin selalu lebih besar dari satu (efisiensi= Ql/W)