1 - Termodinamika I

PENYELESAIAN SOAL UAS TERMODINAMIKA I
Semester Ganjil TA 2007/2008
Hari, Tanggal : Selasa, 4 Desember 2007
Waktu
: 120 menit
Sifat
: Open catatan 3 lembar hvs folio
1.
Suatu digester biogas menghasilkan gas bio yang berdasarkan analisis volumetri mempunyai
komposisi sebagai berikut :
Komponen
% volume
CH4
60
CO2
40
Gas bio yang dihasilkan ditampung pada sebuah tangki yang volumenya 4 m 3 . Manometer
yang terpasang di tangki menunjukkan 10 kPa sementara barometer menunjukkan tekanan 100
kPa. Temperatur gas bio terukur sebesar 17oC.
Tentukan : a. Komposisi gas bio berdasarkan analisa gravimetri
b. Massa gas bio
c. Massa gas methana (CH4)
M CO2  44 kg/kmol ; M CH 4  16 kg/kmol ; R U  8,314 kJ/kmol
Penyelesaian
a. Analisa Gravimetri
Untuk gas ideal berlaku
yi  vfi
Komponen
yi
Mi
(kg/kmol)
yiMi
(kg/kmol)
mfi=yiMi/Mbio
CH4
0,6
16
9,6
0,353
CO2
0,4
44
17,6
0,647
k
M bio   yi M i  27,2
i 1
b. Massa gas bio
Rbio 
Ru
8,314

 0,3057 kJ / kgK
M bio 27,2
mbio 
Pbio Vbio
Rbio Tbio
 Pbio  Pbar  Pmanometer  110 kPa
Tbio  17  273  290 K
mbio 
110 x 4
 4,96 kg
0,3057 x 290
c. Massa gas methana
mi  m fi mbio  mCH 4  mf CH 4 mbio  0,353 x 4,96 kg  1,75kg
2.
Gambar disamping adalah diagram
proses
pemanasan
air
yang
berlangsung dengan tekanan konstan
100 Kpa.
a. Tuliskan nama phase pada state
1, 2, 3, 4 dan 5.
b. Jelaskan ciri phase 2 dan 4
c. Tentukan temperatur saat proses
penguapan.
d. Hitunglah kalor yang dibutuhkan
untuk pemanasan 5 kg air sampai
tepat mulai mendidih. Panas
jenis air adalah 4,2 kJ/kgK
T
oC
P=100 kPa
150
5
2
Tsat
3
4
1
25
Diagram T-v Proses pemanasan air
V m3 /kg
Penyelesaian
a. Nama Phase
State 1 : Phase compressed liquid
State 2 : Phase saturated liquid (cairan jenuh).
State 3 : Phase Saturated liquid - vapor mixture (campuran uap - cairan jenuh).
State 4 : Phase saturated vapor (uap jenuh).
b.
State 5 : Phase superheated vapor (uap panas lanjut).
Ciri Phase
State 2 : Phase saturated liquid (cairan jenuh). Pada state ini fluida tepat akan berubah
fasenya. Penambahan panas sedikit saja akan menyebabkan terjadi penguapan
(about to vaporize).
State 4 : Phase saturated vapor (uap jenuh). Pada keadaan ini pengurangan panas akan
menyebabkan terjadi pengembunan (“about to condense”).
c.
d.
Temperatur saat terjadi penguapan = Tsat@P=100kPa
Kalor yang dibutuhkan untuk pemanasan 5 kg air sampai tepat mulai mendidih.
Q = m Cair ∆T = 5 x 4,2 x (Tsat@P=100kPa – 25)
3.
Refrigerant-12 akan didinginkan dengan air di dalam sebuah kondenser. Refrigerant masuk
kondenser dengan laju aliran masa 6 kg/menit pada tekanan 1MPa dan temperatur 80 oC
(v=0,02134 m3/kg ; u=211,57 kJ/kg ; h=232,91 kJ/kg) serta keluar kondenser dengan
temperatur 40 oC (v=0,0008 m3/kg ; u=73,82 kJ/kg ; h=74,59 kJ/kg). Air masuk kondenser
dengan laju aliran masa 24 kg/menit pada tekanan 300 kPa dengan temperatur 20 oC. Abaikan
penurunan tekanan. Panas jenis air adalah 4,2 kJ/kgK.
Hitunglah : a. Laju perpindahan panas dari refrigerant ke air.
b. Suhu air keluar dari kondensor.
Penyelesaian
State 1.
Air T=20 oC
P=300 kPa
m air =24 kg/menit
Cair = 4,2 kJ/kgK
State 3.
R-12 T=80 oC
P=1MPa
State 4.
R-12 T=40 oC
P=1MPa
m R12 =6 kg/menit
h=232,91 kJ/kg
 =6 kg/menit
m
QR
h=74,59 kJ/kg
State 2.
Air P=300 kPa
 =24 kg/menit
m
T= ?
Sistem Kondenser
Kekekalan massa
 m i  m e  m 1  m 3  m 2  m 4
1  m
2 m
 air dan m
3  m
4 m
 R12
Karena alirannya tidak campur maka m
Hk I :
0
 W
 =
Q
0
0

 m  h
e
e
m e h e  m i hi

0
0

V
 gz e  
2

2
e

 m  h
i
i

0

V
 gz i 
2

2
i
 2h 2  m
 4 h 4   m
 1h1  m
 3h 3 
 m
 air  h 2  h1   m
 R12 h 3  h 4 
Dari prinsip kekekalan massa  m
 airCair  T2  T1   m
 R12 h 3  h 4 
m

h  h 4   T
m
 T2  R12 3
1
 air Cair
m
 T2 
6 x 323,91  74,59
 20o C  34,84o C
24 x 4,2
 R12 h 4  h 3   0,674,59  323,91  149,6 kJ / s
Sistem R-12 QR12  m
a. Laju perpindahan panas dari refrigerant ke air QR12  149,6 kJ / s
b. Suhu air keluar dari kondensor T2  34,84 o C