ENTROPI

Sebuah sistem termodinamika

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.

Selagi berhadapan dengan proses di mana sistem bertukar wujud atau energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kecepatan suatu proses berlangsung, disebut kinetik. Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk ke termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.

Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecuali perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa sebuah kolam tidak membeku di musim panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan benda dingin, maka tak terjadi bahwa benda panas tersebut semakin panas dan benda dingin semakin dingin, meskipun proses-proses tersebut tidaklah melanggar hukum kekekalan energi yang dinyatakan sebagai hukum pertama termodinamika.

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, ?Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi".

Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".

Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.

Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T1 dan T2 berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T1 dan benda B bersesuaian dengan temperatur T2".

Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah, pers. (1):

S = k log w

dimana k adalah konstanta Boltzmann, S adalah entropi sistem, w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati.

Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2):

W1 = c V

dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volume V adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul berada di dalam volume V adalah, pers.(3):

w = w1N = (cV)N.

Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar.

Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa-peristiwa yang mungkin.

http://id.wikipedia.org/wiki/Entropi

Sistem Termodinamika dan Spesifikasi Keadaa

    Sejumlah tertentu dari bahan yang sedang diteliti disebut sistem. Sistem termodinamik adalah suatu sistem yang keadaannya diperikan oleh besaran-besaran termodinamik. Berdasarkan interaksi dengan lingkungannya, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terbuka, tertutup dan terisolasi.

    Keadaan suatu sistem ditentukan oleh beberapa syarat yang disebut sifat sistem, yang biasanya diamati secara kuantitatif yang disebut besaran. Besaran dibagi menjadi dua yaitu, besaran ekstensif dan besaran intensif. Terdapat tiga sifat sistem yang penting yaitu volume, tekanan, dan suhu.

    Perbandingan antara besaran ekstensif suatu sistem terhadap massa sistem disebut harga jenis rata-rata dari sistem. Harga jenis molal rata-rata didefinisikan sebagai perbandingan antara harga dari besaran ekstensif dengan jumlah mol dari sistem.

    Apabila suatu sistem memenuhi syarat-syarat kesetimbangan mekanis, termal, dan kimiawi maka sistem disebut dalam keadaan kesetimbangan termodinamik.

    Proses adalah perubahan suatu sistem dari satu keadaan ke keadaan lain. Dikenal dua jenis proses yaitu kuasistatis dan tidak kuasistatis. Proses kuasistatis dibedakan menjadi proses isotermal, isochoris, isobaris dan adiabatis. Bila dua sistem satu sama lain berada dalam kesetimbangan termal maka suhu kedua sistem tersebut sama. Alat untuk mengukur suhu disebut termometer. Termometer yang baik ditentukan oleh kepekaannya, ketelitiannya dan keterulangannya (dapat diperbanyak) serta kecepatannya mencapai kesetimbangan termal dengan sistem lainnya. Skala yang digunakan dalam keteknikan adalah Rankine dan Fahrenheit, sedangkan dalam satuan metris digunakan skala Kelvin dan Celcius.

    Perilaku gas pada tekanan rendah mempunyai hubungan dan disebut sebagai gas ideal.

    Terdapat dua model untuk menganalisis campuran beberapa gas yaitu model Dalton, dan model Amagat. Dalam model Dalton, sifat-sifat dari setiap komponen dianggap seolah-olah setiap komponen gas campuran berada pada tekanan terpisah dengan volume campuran. Sedangkan model Amagat, sifat-sifat dari setiap komponen dianggap seolah-olah setiap komponen gas campuran berada terpisah pada volume dengan tekanan campuran.

    Sumber : buku wajib.

Kumpulan Soal'' Termodinamika

1.      Kegiatan di bawah ini yang memanfaatkan proses perubahan wujud benda cair menjadi padat yaitu peristiwa...

a.       pemanasan air

b.      peleburan logam

c.       pembuatan es krim

d.      pembuatan es kering dari korbondioksida

Jawaban : C

Membeku merupakan peristiwa perubahan wujud benda dari cair menjadi padat. Kegiatan yang memanfaatkan proses perubahan wujud benda dari cair menjadi padat adalah proses pembuatan es krim.

2.      Contoh peristiwa yang menunjukkan proses penyubliman yaitu...

a.       gelas retak ketika diisi air panas

b.      baju di jemuran kering ketika cuaca panas

c.       balon pecah ketika terpapar panas matahari

d.      kampir habis karena berada di tempat terbuka

Jawaban : D

Menyublim adalah peristiwa perubahan zat padat menjadi gas atau sebaliknya (gas menjadi padat). Pada contoh di atas yang menunjukkan peristiwa penyubliman adalah kamper habis karena berada di tempat terbuka.

3.      Contoh perubahan wujud benda yang berupa mengembun yaitu pada peristiwa...

a.       es di dalam gelas

b.      mentega dipanaskan

c.       kamper dibiarkan dalam lemari

d.      terbentuknya butiran air pada tutup gelas

Jawaban : D

Mengembun adalah proses perubahan wujud zat dari gas menjadi cair. Contoh perubahan wujud benda yang berupa mengembun yaitu pada peristiwa terbentuknya butiran air pada tutup gelas.

4.      Proses menyebarnya bau harum dari minyak wangi yang diletakan di kamar merupakan contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari...

a.       padat menjadi cair

b.      padat menjadi gas

c.       cair menjadi gas

d.      cair menjadi padat

Jawaban : C

Menyebarnya bau harum dari minyak wangi yang diletakan di kamar merupakan contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari cair menjadi gas (menguap).

5.      Contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari padat menjadi cair terdapat pada...

a.       mentega dipanaskan di penggorengan

b.      air dimasukkan ke dalam freezer

c.       kamper diletakkan di dalam lemari

d.      air dipanaskan terus menerus

Jawaban : A

Pemanfaatan perubahan wujud benda dari padat menjadi cair (mencair) terdapat pada peristiwa mentega dipanaskan di penggorengan.

6.      Lahar panas yang mengalir dari letusan gunung berapi akan menjadi batu dan pasir jika telah dingin. Peristiwa ini merupakan contoh...

a.       peleburan

b.      pembekuan

c.       penyubliman

d.      pengembunan

Jawaban : B

Lahar panas yang mengalir dari letusan gunung berapi akan menjadi batu dan pasir jika telah dingin, peristiwa tersebut merupakan contoh peristiwa pembekuan (perubahan wujud dari cair menjadi padat).

7.      Peleburan perak merupakan salah satu contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari....

a.       cair menjadi gas

b.      cair menjadi padat

c.       padat menjadi cair

d.      padat menjadi gas

Jawaban : C

Pada proses peleburan perak terjadi perubahan wujud dari zat padat menjadi cair.

8.      Saat hujan deras Nani berada di dalam mobil. Meskpun kaca depan bagian luar selalu dibersihkan dari air, kaca bagian dalam tetap basah. Peristiwa tersebut menunjukkan...

a.       pencairan 

b.      penguapan

c.       pembekuan

d.      pengembunan

Jawaban : D

Pada peristiwa di atas terjadi proses perubahan wujud benda dari gas (uap air) menjadi titik-titik air, proses tersebut dinamakan proses pengembunan.

9.      Perubahan wujud zat dari cair menjadi padat dalam kehidupan sehari-hari terdapat pada peristiwa...

a.       pembuatan genting

b.      pengisian bahan bakar gas LPG

c.       pembakaran kayu untuk kayu bakar

d.      membekunya minyak kelapa pada saat udara dingin

Jawaban : D

Perubahan wujud zat dari cair menjadi padat (membeku) dalam kehidupan sehari-hari ditunjukkan oleh peristiwa membekunya minyak kelapa pada saat udara dingin.

10.  Minyak asiri diperoleh dengan melalui proses penyulingan dengan mendinginkan uapnya. Proses pembuatan minyak atsiri memanfaatkan perubahan wujud....

a.       gas menjadi cair

b.      cair menjadi padat

c.       padat menjadi gas

d.      gas menjadi padat

Jawaban : A

Proses pembuatan minyak atsiri (penyulingan) merupakan contoh perubahan wujud zat dari gas menjadi cair (pengembunan).

11.  Di bawah ini termasuk perubahan fisika, kecuali ….

a.       Penguapan

b.      Pengembunan

c.       Pembekuan

d.      Pembakaran

Jawaban : D

Perbahan wujud zat dalam fisika ada 6, yaitu Penguapan, Pengembunan, Pembekuan, Pencairan, Penyubliman, Pemadatan.

12.  Perhatikan bagan perubahan wujud zat berikut!

Perubahan wujud yang ditunjukkan nomor 2, 4, dan 6 berturut-turut dinamakan …

a.       mencair, menguap, menyublim

b.      menguap, menyublim, membeku

c.       menyublim, mengembun, membeku

d.      mengembun, menyublim, mencair

Jawaban : D

Gambar nomor 2, perubahan wujud gas menjadi cair yaitu mengembun.

Gambar nomor 4, perubahan wujud padat menjadi gas yaitu menyublim.

Gambar nomor 6, perubahan wujud padat menjadi cair yaitu mencair.

13.  Sebongkah es dimasukkan ke dalam suatu wadah, kemudian dipanasi. Perubahan wujud yang mungkin terjadi secara berurutan adalah .…

a.       zat cair menjadi zat padat

b.      zat cair menjadi gas

c.       zat padat menjadi zat cair

d.      zat padat menjadi gas

Jawaban : C

Sebongkah es yang dipanaskan akan mencair (zat padat menjadi zat cair).

14.  Grafik di bawah ini menyatakan hubungan antara suhu T dengan kalor Q yang diberikan pada 1 gram zat padat. Besar kalor uap zat padat tersebut adalah ...

a.       60 kalori/gram

b.      70 kalori/gram

c.       80 kalori/gram

d.      90 kalori/gram

e.       100 kalori/gram

Jawaban : C

Dik :    Q = 140 kalori – 60 kalori = 80 kalori

            m = 1 gram

Dit :     kalor uap zat padat (Ly) ?

Jawab :

Q = m Ly

Ly = 

Ly = 

Ly = 80 kalori/gram

15.  Di bawah ini adalah grafik kalor terhadap suhu dari 1 kg uap pada tekanan normal. Kalor didih air 2256 x 103 J/kg dan kalor jenis air 4,2 x 103 J/kg K, maka kalor yang dilepas pada perubahan dari uap menjadi air adalah ...

a.       4,50 x 103 Joule

b.      5,20 x 103 Joule

c.       2,00 x 106 Joule

d.      2,26 x 106 Joule

e.       4,40 x 106 Joule

Jawaban : D

Dik :    Ly = 2256 x 103 J/kg

            c = 4200 J/kg K

            m = 1 kg

Dit :     kalor yang dilepas (Q) ?

Jawab :

Q = m Ly

Q = 1 kg . 2256 x 103 J/kg

Q = 2,256 x 106 J

16.  Banyaknya kalor yang diserap untuk menaikkan suhu air bermassa 2 kg dari -20C sampai 100C adalah ... kalor jenis air 4200 J/kg 0C, kalor jenis es 2100 J/kg 0C, kalor lebur air (LF) = 334000 J/kg.

a.       760400 J

b.      750000 J

c.       668000 J

d.      600000 J

e.       540000 J

Jawaban : A

Dik :    mair = 2 kg

            Tawal = -2 0C

            Takhir = 10 0C

            ces = 2100 J/kg 0C

            cair = 4200 J/kg 0C

            LF = 334000 J/kg

Dit :     kalor yang diserap (Q) ?

Jawab :

Q1 = m.ces.ΔT = (2 kg)(2100 J/kg 0C)(0 0C – (-2 0C)) = 8400 J

Q2 = m.LF = (2 kg)(334000 J/kg) = 668000 J

Q3 = m.cair.ΔT = (2 kg)(4200 J/kg 0C)(10 0C – 0 0C) = 84000 J

Q = Q1 + Q2 + Q3 = 8400 J + 668000 J + 84000 J

Q = 760400 J

17.  Pemanfaatan perubahan wujud benda yang tepat terdapat pada ….

            Jawaban : D

Pemanfaatan perubahan wujud benda: 

ü  penyemprotan minyak wangi sehingga membasahi pakaian dan menyebar bau harum: merupakan perubahan wujud cair menjadi gas àmenguap 

ü  kapur barus diletakkan dalam lemari pakaian akan habis karena bereaksi dengan udara: merupakan perubahan dari padat menjadi gas àmenyublim 

ü  pembersihan butiran es yang menempel pada dinding freezer dalam lemari es dengan menaikkan suhu: perubahan wujud padat menjadi cair akibat pemanasan à mencair 

ü  pemisahan biji timah dari batuan dengan suhu tinggi sehingga timah meleleh: perubahan dari padat menjadi leleh (cair) mencair/meleleh 

18.  Perhatikan tabel!

Contoh perubahan wujud yang benar adalah ….

            Jawaban : B

a.       I – M, II – O, dan III – L

b.      I – M, II – K, dan IV – N

c.       III – K, I – L, dan V – O

d.      V – L, III – M, dan IV – N

Perubahan wujud benda sebagai berikut: 

       I.            Membeku: cair menjadi padatàmisalnya:air (cair) dimasukkan ke dalam lemari es akan membeku (padat) (M) 

    II.            Mencair: padat menjadi cair àmisalnya:mentega (padat) yang dipanaskan akan menjadi cair (K) 

 III.            Menguap: cair menjadi gas àmisalnya:bensin (cair) dibiarkan di ruang terbuka akan menguap (gas) (O) 

 IV.            Mengembun: gas menjadi cairàmisalnya:terbentuk titik air di daun ketika pagi hari (N) 

    V.            Menyublim: padat menjadi gas àmisalnya: kapur barus (padat) diletakkan di ruangterbuka (L)

19.  Sepotong es massanya 10 kg dan suhunya 0 0C (pada titik leburnya), kepada es itu diberikan kalor 800 K kal. Bila kalor lebur es 80 K kal kg-1. Bagaimana keadaan es itu setelah menerima kalor ?

a.       Seluruhnya melebur menjadi air dan suhunya lebih dari 0 0C.

b.      Sebagian melebur menjadi air dan sebagian tetap berupa es, suhu air dan es itu 0 0C.

c.       Sebagian melebur menjadi air dan suhu lebih besar dari 0 0C dan sebagian tetap berupa es dengan suhu 0 0C.

d.      Suhu es akan turun menjadi lebih kecil dari 0 0C.

e.       Seluruh es akan menjadi air dengan sushu tetap 0 0C.

Jawaban : E

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan es

Q = m L = 10.80 = 80 K kal

Karena kalor yang diberikan = kalor yang diperlukan untuk meleburkan es, maka seluruh es melebur menjadi air 0 0C.

20.  Suatu zat padat diberi sejumlah kalor, kemungkinan yang dapat terjadi adalah:

1.      Suhu zat naik

2.      Suhu zat tetap

3.      Zat mencair

4.      Zat menjadi gas

Pernyataan yang benar adalah ...

a.       1,2 dan 3

b.      2 dan 4

c.       1 dan 3

d.      4 saja

e.       2,3 dan 4

Jawaban : C

Suatu zat padat diberi sejumlah kalor yang akan terjadi adalah suhu zat naik dan zat mencair.

21.  Sebuah siklus standar udara Otto mempunyai temperatur maksimum 2200 K dan rasio kompressi 8. Kondisi pada awal proses kompressi adalah 1 bar, 290 K dan 400 cm3. Hitunglah:

a.       Massa udara di dalam sistem, [kg]

b.      Temperatur pada akhir langkah kompressi, [K]

c.       Kalor yang dimasukkan ke sistem, [kJ]

d.      Temperatur pada akhir langkah ekspansi, [K]

e.       Kalor yang dibuang dari sistem, [kJ]

f.       Efisiensi thermal siklus

Penyelesaian

Data yang diketahui :

r =  

T3 = 2200 K

P1 = 100 kPa           T1 = 290 K      V1 = 400 cm3

a.       Massa udara di dalam sistem tetap. Dengan persamaan gas ideal diperoleh :

m = 

m =  = 4,806 X 10-4 kg

b.      Temperatur pada akhir langkah kompressi (T2) diperoleh dengan melihat bahwa proses 1− 2 adalah kompressi isentropik.

T2 = 666,245 K

c.       Kalor yang dimasukkan ke dalam sistem Qin = m.cv .(T3 – T2)

= 4,806 x 10-4 kg x 0,7165kJ/(kg.K) (2200 – 666,245) K

= 0,5281 kJ

d.      Temperatur pada akhir langkah ekspansi (T4) diperoleh dengan melihat bahwa proses 3-4 adalah ekspansi isentropik.

T4 = 957,606 K

e.       Kalor yang dibuang dari sistem

Qout      = mcv (T4 – T1)

= 4,806 x 10-4 kg x 0,7165 kJ/(kg.K) (957,606 – 290) K

= 0,2299 kJ

f.       Efisiensi thermal siklus :

Ƞ          = 

            = 

            = 56,47 %

22.  Sebuah siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi 8. Kondisi udara pada awal proses kompresi adalah 95 kPa dan 27oC; kalor sebesar 750 kJ/kg dipindahkan selama proses pemasukan pada volume konstan. Dengan memperhitungkan variasi kalor spesifik sebagai fungsi waktu, hitunglah:

a.       Temperature  dan tekanan pada akhir proses pemasukan

The net work output

Efisiensi thermal siklus

Mean effective pressure

Bila temperatur sumber 2000 K dan temperture sink 300 K hitung total irreversibilitas proses, dan availability pada akhir langkah tenaga

Penyelesaian

Diketahui

Fluida : udara dengan Cp dan Cv bervariasi terhadap temperatur.

Meski Cp dan Cv bervariasi tetapi R = Cp – Cv  nilainya konstan. Untuk

r = 

P1 = 95 kPa

T1 = 300 K

Tsink = 300 K

Tsource = 2000 K

Qin = 750 kJ/kg

a.       Volume spesifik pada titik 1 adalah :

V1        = 

=  = 0,9063 m3/kg

Volume spesifik titik 2 :

 = 8

V2 = 0,1133 m3/kg

Dari tabel berdasarkan harga T1 = 27oC = 300K: u1 = 214,07 kJ/kg vr1 = 621,2

Untuk proses 1-2:

vr2 = 77,65

Berdasarkan harga vr2 = 77,65 dari tabel diperoleh: T2 = 673,09 K u2 = 491,22 kJ/kg Tekanan pada akhir langkah kompressi:

P2 = 1705,00 kPa

Jumlah kalor yang disuplai ke sistem: qin = u3 – u2

u3 = qin + u2

= (750 + 491,22) kJ/kg = 1241,22 kJ/kg

Berdasarkan u3 = 1241,22 kJ/kg dari tabel diperoleh:

T3 = 1538,70 K         vr3= 6,588

Tekanan pada akhir proses pemasukan kalor (P3)

P3 = 3897,68 kPa

b.      Proses 3-4 → ekspansi isentropik

vr4 = 52,704

Berdasarkan harga vr4 = 52,704dari tabel diperoleh: T4 = 774,54 K u4 = 571,72 kJ/kg

Besarnya kalor yang dibuang dari sistem: qout = u4 – u1

=  (571,72 – 214,07) kJ/kg

=   357,65 kJ/kg    

→ Kata in dan out telah menyatakan arah dari suatu proses. Jadi kalor yang keluar dari sistem yang harusnya bernilai negative tetapi karena sudah ada kata out berarti kalor keluar dari sistem.

Akan tetapi:

qout = – q4−1

Sebab  q4−1 = u1 – u4 = – 357,65 kJ/kg

Kerja bersih siklus:

wnet = qin –  qout

= (750 – 357,65) kJ/kg

= 392,35 kJ/kg

c.       Efisiensi thermal siklus:

Ƞ          = 

            = 

            = 52,31 %

d.      Mean effective pressure:

Mep = 

Mep =  = 494,77  kPa

e.       Φ4 = (u4 – u0) – T0 (s4 – s0) + P0 (V4 – V0)

Φ4 = 357,65 kJ/kg – 300K [0,70799 kJ/(kg.K)] + 0

Φ4 = 145,253 kJ/kg

23.  Siklus otto udara standart memiliki perbandingan kompresi 8. Pada awal kompresi temperaturnya ialah 300 K dan tekanan 100 kPa. Jika tempetaur maksimum siklus ini adalah 1200 K, maka tentukan :

a.       kalor yang dipasok per kg udara

b.      kerja netto yang dilakukan per kg udara

Penyelesaian :

Temperatur pada tingkat 2 dan 4 ditentukan dari hubungan proses isentropic dengan perbandingan kalor spesifik = 1.4.

atau T2 = (300 K) (8)0.4 = 689,2 K

dan

atau T4 = (1200 K) (1/8)0.4 = 522,3 K

a.        Untuk temperature rata-rata (1200 + 689,2)/2 = 944,6, nilai spesifik pada volume konstan cv = 0.754 kJ/kg k. Kalor yang dipasok per kg udara (sepanjang proses 2-3) sama dengan perubahan energi dalam sehingga :

b.      Kerja yang dilakukan per kg udara dilakukan oleh :

W net = - q 4-1 – q 2-3

Selama proses pembuangan kalor, cv = 0,7165 kJ/kg K, sehingga :

q 4-1 = cv (T1 – T4) = (0,7165 kJ/kg K) [ (300 – 522,3) K ] = - 159,3 kJ/kg

Oleh sebab itu :

W net = 159,3 – 385,1 = - 25,8 kJ/kg

24.  Sebuah siklus diesel ideal dengan udara sebagai fluida kerja mempunyai perbandingan kompresi 18 dan cutoff ratio rc = 2. Pada awal proses kompresi tekanan dan temperatur 1 bar dan 27 oC serta volume awal V1= 1,9 liter. Jika harga k = 1,4  dan cp = 1005 J/kg K, hitunglah:

a.       Temperatur dan tekanan pada setiap  siklus

b.      Kerja bersih

c.       Efisiensi termal

d.      Tekanan efektip rata-rata

Penyelesaian :

a.       Temperatur dan tekanan pada setiap siklus

Pada titik 1:

Temperatur , T1 = 300 K

Tekanan, p1    = 1 bar =100 kPa

Pada titik 2:

Temperatur, T2 = T1 

T2 = 300 

T2 =  953,3 K

Tekanan, p2 = p1

p2 = 100 kPa 

p2 = 5719,8 kPa

Pada ttitk 3:

Temperatur , T3

Tekanan, p3 = p2 = 5719,8 kPa

Pada titik 4:

Temperartur, T4

T4  = T3 

cutoff ratio rc = 2

V3/V2 = 2

V3 = 2 x V2 = 2 x 0,106 = 0,212

T4  = 1906,6 

 T4 = 793,03 K

Tekanan, p4

P4 = p3

P4 =5719,8 kPa

P4 = 265, 46 kPa

b.      Kerja net

wnet = Qin - Qout

Qin = m cp (T3 – T2)

Qin = 0,002 kg x 1005 J/kg K (1906,6 – 953,3)

Qin = 1916,13 J

Qout = m cv (T4 – T1)

Qout = 0,002 kg x 718 kJ/kg K (793,03 – 300) K = 707,99 J

Maka: Wnet = 1916,13 – 707,99 = 1208,14 J

c.       Efisiensi termal

Atau :

d.      Tekanan efektip rata-rata, MEP

25.  Terletak dimanakah perbedaan mesin diesel dan mesin otto?

a.       pembuangan

b.      Permukaan

c.       Pendinginan

d.      Permulaan Pembakaran

Jawaban : D

Pembahasan :

Perbedaan mesin diesel dengan mesin otto terletak pada permulaan pembakarannya. Pada motor bensin, campuran udara-bensin dikompresi dibawah temperatur pembakaran bahan bakar dan proses pembakarannya dimulai dari percikan bunga api pada busi. Sedangkan pada mesin diesel, udara murni diisap dan dikompresi diatas temperatur pembakaran bahan bakar. Jadi, pada mesin diesel tidak terdapat karburator dan busi tetapi diganti oleh injektor bahan bakar.

26.  Pada mesin diesel apakah yang dikompresi?

a.       Udara

b.      Air

c.       Solar

d.      Bensin

Jawaban : A

Pembahasan :

Pada mesin diesel, yang dikompresi adalah udaranya saja sehingga mesin diesel dapat didesain pada perbandingan kompresi yang tinggi, antara 12 sampai 24.

27.  Apakah prinsip kerja motor diesel?

a.       Merubah energi kimia menjadi energi potensial

b.      Merubah energi mekanis menjadi energi kimia

c.       Merubah energi kimia menjadi energi mekanis

d.      Merubah energi Gerak menjadi energi listrik

Jawaban: C

Pembahasan :

Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reaksi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak  bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi.

28.  Apakah yang menyebabkan torak dapat bergerak  bolak-balik (reciprocating)?

Pembahasan :

Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak  bolak-balik (reciprocating).

29.  Terjadi proses apakah pada no 3-4 ?

a.       Awal Pembilasan

b.      Langkah kerja V bertambah, P turun (adiabatic)

c.       Pembakaran, P naik, V = c (isokhorik)

d.      Akhir Pembilasan

Jawaban : B

Pembahasan :

Keterangan:

1-2 = Langkah kompresi tekanan bertambah, Q = c (adiabatic)

2-3 = Pembakaran, P naik, V = c (isokhorik)

3-4 = Langkah kerja V bertambah, P turun (adiabatic)

4-5 = Awal Pembuangan

5-6 = Awal Pembilasan

6-7 = Akhir Pembilasan

30.  Terjadi proses apakah pada no 4-1?

a.       Langkah isap pada P = c (isobarik)

b.      Pengeluaran kalor sisa pada V = c (isokhorik)

c.       Langkah buang pada P = c

d.      Langkah kompresi , P bertambah, Q = c (adiabatik)

Jawaban : B

Pembahasan :

Keterangan:

0-1  = Langkah isap pada P = c (isobarik)

1-2  = Langkah kompresi , P bertambah, Q = c (adiabatik)

2-3  = Pembakaran, P naik, V = c (isokhorik)

3-4  = Langkah kerja P bertambah, V = c (adiabatik)

4-1  = Pengeluaran kalor sisa pada V = c (isokhorik)

1-0  = Langkah buang pada P = c

31.  Komponen yang manakah yang berfungsi untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar?

a.       Intercooler

b.      Supercharger

c.       Turbocharger

d.      Crankshaft

Jawaban : A

Pembahasan :

Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih banyak.

32.  Apakah fungsi dari komponen Turbocharger?

a.       Mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar

b.      Memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar

c.       Memompa bahan bakar

d.      Membuang uap

Jawaban : B

Pembahasan :

Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

33.  Siapakah yang pertama kali menyatakan tentang siklus diesel?

a.       Rudolph Diesel

b.      Richard Diesel

c.       David Diesel

d.      George Diesel

Jawaban: A

Pembahasan :

Siklus Diesel adalah siklus ideal untuk mesin torak pengapian-kompresi yang pertama kali dinyatakan oleh Rudolph Diesel tahun 1890.

34.  Yang mana dibawah ini yang bukan aplikasi mesin diesel?

a.       mesin kereta api

b.      unit pembangkit daya

c.       truk/trailer

d.      mesin pendingin

Jawaban : D

Pembahasan :

Mesin Diesel dipilih untuk aplikasi kendaraan berat (mesin yang membutuhkan daya yang besar) seperti mesin kereta api (locomotive), unit pembangkit daya (generator-set), kapal laut pengangkut, truk/trailer berat

35.  Proses apakah “Piston dari Titik Mati Bawah (TMB) silinder terisi udara dan kedua katup masuk dan keluar tertutup, udara terjebak dan dikompresi di dalam silinder” pada mesin diesel dua langkah?

a.       Adiabatis

b.      Ekspansi

c.       Kompresi

d.      Injeksi

Jawaban : C

Pembahasan :

Langkah  pada mesin diesel dua langkah:

1.      Kompresi

Piston dari Titik Mati Bawah (TMB) silinder terisi udara dan kedua katup masuk dan keluar tertutup, udara terjebak dan dikompresi di dalam silinder.

2.      Injeksi.

Pada akhir langkah kompresi, bahan bakar diinjeksikan dan pembakaran terjadi.

3.      Ekspansi.

Gas hasil pembakaran mengakibatkan ekspansi dan piston bergerak mundur, kira-kira pada akhir langkah katup keluar terbuka, dan gas buang keluar.

36.  Mengapa pada siklus diesel tidak perlu menggunakan busi?

a.       Suhu meningkat dan tekanan udara rendah

b.      Suhu rendah dan tekanan udara meningkat

c.       Suhu dan tekanan udara sudah sangat rendah

d.      Suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi

Jawaban : D

Pembahasan :

Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, solar langsung terbakar,sehingga tidak perlu menggunakan busi.

37.  Apa yang anda ketahui tentang siklus ericson ?

Jawab

Siklus ini ditemukan oleh Ericsson, yang terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses tekanan konstan. Diagram p-v dan T-s ditunjukkan oleh Gambar 6. Saat ini siklus Ericsson banyak digunakan dalam pembuatan turbin gas jenis siklus tertutup.

38.  Bahan bakar yang berbentuk gas yang biasanya digunakan untuk turbin gas adalah gas dapur tinggi, gas bumi dan gas yang diperoleh dari instalasi penguapan gas arang untuk industri. Gas dapur tinggi adalah barang sisa-sisa dan harganya murah, tetapi nilai kalornya rendah. Gas bumi adalah bahan bakar yang ideal untuk turbin gas yang mengandung Methan (CH4) dengan kadar 65 % sampai 92 %. 

a) Barapakan temperatur akhir t2 suatu proses kompresi presi tanpa kerugian (isentrop)dari 1 bar, 20°C menjadi 8 bar.

Jawab: t2 = 240oC.

b) Berapakah jumlah kalori yang harus diberikan, bila akan memanaskan udara kompresi dart 8 bar, 240oC menjadi 8 bar, 750°C.

Jawab:

Dari kondisi awal h2 = 235 KJ/Kg, pada 8 bar, 240°C pergi mengikuti garis p = 8 bar, sampai memotong garis datar t3 = 750°C. Maka dari sini didapat h3 = 835 KJ/Kg.

Dengan demikian panas yang harus diberikan adalah h3 - h2 = 835 - 235 = 600 KJ/Kg.

c) Berapakah selisih entalpi (panas jatuh) yang bekerja didalam turbin gas,bila keadaan sebelum turbin 8 bar, 750oc dan berekspansi isentrop sampai 1 bar.

Jawab:

sebelum turbin h3 = 835 KJ/KG

sesudah turbin h4 = 362 KJ/Kg

h3 – h4 = 473 KJ/

d) Berapakan tingkat dari suatu turbin gas yang be kerja dengan panas jatuh rata-rata hst = 120 KJ / Kg.

Jawab: z = (h3 - h4) / hst = 473120 =3,94 jadi dibuat 4 tingkat.

e) Bagaimanakah keadaan gas bekas di sisi sebelah ke luar turbin, bila randemen dalam turbin adalah = 0,87.

Jawab:

Hi = ht . i = 473.0,87 = 410 KJ/Kg. Hal ini digambarkan pada diagram h - s , dengan 1 bar, 395oC , jadi h gas bekar = 425 KJ/Kg.

39.   Uap air berada pada silinder dengan kondisi awal 3.0 MPa dan 300 oC (status 1). Air tersebut didinginkan pada volume tetap hingga mencapai suhu 200 oC (status 2). Selanjutnya dikempa pada kondisi isotermal hingga tekanan mencapai 2.5 Mpa (status 3).

(a) Gambarkan proses tersebut pada diagram T-v dan diagram p-v.

(b) Tentukan volume jenis pada status 1,2,3, dan mutu uap pada status 2.

Jawab :

(a) Dengan menggunakan tabel uap diketahui bahwa Suhu T1 (300 oC) lebih besar dari suhu jenuh pada tekanan p1 (3.0 MPa) yaitu 233.9 oC, sehingga status 1 berada pada wilayah super panas. Pendinginan pada kondisi volume jenis tetap mengikuti proses yang tegak lurus dengan sumbu datar “v” diteruskan hingga mencapai garis suhu 200 oC untuk mendapatkan status 2. Pengempaan isotermal mengikuti proses di sepanjang garis suhu 200 oC. Pada wilayah dua fase (cair-uap) garis suhu berimpit dengan garis tekanan hingga mencapai garis jenuh cair. Kemudian dilanjutkan pada garis suhu yang sama hingga mencapai tekanan 2.5 MPa untuk mendapatkan status 3.

(b) Dari tabel uap super panas diperoleh bahwa volume jenis pada status 1 (v1) adalah 81.1 cm3/kg (dengan memasukkan nilai p=3.0 MPa dan T=300 oC) yang mana harus sama dengan v2 (volume jenis pada status 2). Dengan memasukkan nilai p=2.5 MPa dan T=200 oC ke tabel uap super dingin diperoleh nilai v3 = 1.1555 cm3/kg. Mutu uap pada status 2 (x2) dapat ditentukan melalui volume jenis yaitu dengan mengetahui volume jeni saat jenuh cair (vf) dan jenuh uap (vg) pada suhu status tersebut (200 oC) yaitu vv=1.1565 cm3/kg dan vg=124.4 cm3/kg. Diperoleh x2 = (81.1-1.156)/(124.4-1.1565)=0.633

40.  Jelaskan prinsip kerja turbin gas tertutup !

Jawab

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalahsebagai berikut:

1.      Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan.

2.      Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.

3.      Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).

4.      Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan

41. Sebutkan kerugian yang di alamin turbin gas tertutup ?

Jawab :

Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

1.      Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan(pressure losses) di ruang bakar.

2.      Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkanterjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

3.      Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahantemperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

4.      Adanya mechanical loss, dsb

42.  Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800°K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Berapakah suhu reservoir tinggi supaya efisiensinya naik menjadi 80%?

 Penyelesaian:

ρ=1-T2 T1

 0,4=1-T2 800

 T2 = 480°K

Berarti suhu reservoir suhu rendah = 480°K,  Agar efisiensi mesin menjadi 80%, maka suhu reservoir suhu tinggi (T1) harus dinaikkan menjadi:

 0,8=1 - 480 T1

 T1=2400

43.  Sebuah mesin menyerap kalor dari sumber kalor bersuhu 689°C dan membuang kalor pada sumber kalor bersuhu 397°C. Berapa efisiensi maksimum kalor itu?

 Penyelesaian:

 Dik:

T1 =689

 T2 =397

 Dit: η.......?

 Jawab: T1 =689+273=962 K

T2 =397+273=660 K

Efisiensi maksimum (efisiensi mesin Carnot) η=1-T2 T1 =1-670962.100% =30%

44.  Untuk menaikkan efisiensi menjadi 36%, berapakah suhu sumber tinggi harus dinaikkan? Penyelesaian:

 ρ = 1 – T2 T1 0,2 = 1 – T2 800 = 640 K

 Berarti suhu reservoir suhu rendah = 640°K

Agar efisiensi mesin menjadi 36%, maka suhu reservoir suhu tinggi (T1) harus dinaikkan menjadi: 0,36=1-640 T1

 T1 =1000K

45.  Sebuah mesin menyerap kalor dari sumber kalor bersuhu 689 0C dan membuang kalor pada sumber kalor bersuhu 397 0C. Berapa efisiensi maksimum mesin kalor itu?

 Penyelesaian:

T1 = 689 + 273 = 962 K

T2 = 397 + 273 = 660 K

Efisiensi maksimum (efisiensi mesin carnot ) = 30%

46.  Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi 40%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 50%, tentukanlah kenaikan suhu yang harus dilakukan pada reservoir suhu tinggi.

Jawab

Diketahui: T1 = 800 K,  ɳ1= 40%, dan η2 = 50%.

Cara umum

• Efisiensi mesin semula η1 = 40%

• Agar efisiensi menjadi η2 = 50% untuk T2 = 480 K

T1 = ɳ1 /  50% = 480/ K 0,5

T1 = 960 K

Jadi, temperatur suhu tinggi harus dinaikkan menjadi 960 K.

47.  Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga memuai, seperti terlihat pada gambar.

Tentukanlah usaha yang dilakukan gas. (1 atm = 105 N/m2)

Jawab

Diketahui: p = 2 atm, V1 = 0,3 L, dan V2 = 0,5 L.

1 liter = 1 dm3 = 10–3 m3

W = p ( ΔV) = p (V2 – V1)

= 2 × 105 N/m2 (0,5 L – 0,2 L) × 10–3 m3 = 60 Joule.

48.  Gambar berikut menunjukkan suatu siklus termodinamika dari suatu gas ideal. Tentukanlah usaha yang dilakukan gas:

a.       dari keadaan A ke B,

b.      dari B ke C,

c.       dari C ke D,

d.      dari D ke A, dan

e.       dari A kembali ke A melalui B, C, dan D

Jawab

Diketahui: p = pB = 2 N/m2, pD = pC = 1 N/m2, VA = VD = 2 m3, dan VB = VC = 3 m3.

a.       WAB = p (VB – VA) = (2 × 105 N/m2) (3 – 2) × 10–3 m3 = 200 joule

b.      WBC = p (VC – VB) = 0

c.       WCD= p (VD – VC) = (1 × 105 N/m2) (2 – 3) × 10–3 m3 = -100 joule

d.      WDA= p (VA – VD) = 0

e.       WABCDA = Wsiklus = 200 Joule + 0 – 100 Joule + 0 = 100 joule

selain itu, dapat ditentukan dengan cara

WABCDA = Wsiklus = luas arsiran

= (2 – 1) × 105 N/m2(3 – 2) × 10–3 m3

= 100 joule.

49.  Sepuluh mol gas helium memuai secara isotermal pada suhu 47°C sehingga volumenya menjadi dua kali volume mula-mula. Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas helium.

Jawab

Diketahui: T = 47°C = (47 + 273) K = 320 K dan V2 = 2V1.

Usaha yang dilakukan gas pada proses isotermal:

50.  Suatu gas yang volumenya 1,2 liter perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap 1,5 × 105N/m2 hingga volumenya menjadi 2 liter. Berapakah usaha yang dilakukan gas?

Jawab

Diketahui: V1 = 1,2 L, V2 = 2 L, dan p = 1,5 × 105 N/m2.

1 liter = 1 dm3 = 10–3 m3

Usaha yang dilakukan gas pada tekanan tetap (isobarik) adalah

W = p (V2 – V1) = (1,5 × 105 N/m2) (2 – 1,2) × 10–3 m3 = 120 joule

51.  Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti grafik p – V berikut.

Tentukanlah:

a.       usaha gas dari A ke B,

b.      usaha gas dari B ke C,

c.       usaha gas dari C ke A, dan

d.      usaha netto gas dalam satu siklus.

Jawab

Diketahui: pA = pB = 3 × 105 Pa, pC = 1 × 105 Pa, VA = 2 L, dan VB = VC = 6 L.

a. Proses A ke B adalah proses isobarik. Usaha dari A ke B dapat dihitung dengan persamaan WAB= p(VB – VA)

= 3 × 105 Pa (6 – 2) × 10–3 m3 = 1.200 joule

b. Prose B ke C adalah proses isokhorik. Oleh karena VC = VB, usaha yang dilakukan gas WBC = 0

c. Proses dari C ke A adalah isotermal. Oleh karena pC:VC = pA:VA, usaha dari C ke A adalah

WCA = (1 × 105 N/m2)(6 × 10–3 m3)ln 3/6 = – 415,8 joule

d. Usaha netto gas dalam satu siklus ABCA :

Wsiklus = WAB + WBC + WCA = 1.200 joule + 0 + (–415,8 joule) = 784,2 joule

52.  Usaha sebesar 2 × 103 J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal monoatomik sehingga suhu mutlaknya menjadi 2 kali semula. Jika konstanta umum gas R = 8,31 J/mol K, tentukanlah suhu awal gas.

Jawab

Diketahui: W = 2 × 103 J, T2 = 2T1, dan n = 0,5 mol.

Jadi, suhu awal gas adalah 321 K.

53.  Udara memasuki kompresor turbin gas pada 100 kPa  dan 25˚C. Untuk rasio tekanan 5 dan temperatur maksimum 850˚C tentukan rasio usaha balik dan efisiensi termalnya dengan menggunakan siklus brayton

Jawab:

Untuk menentukan rasio usaha baliknya:

 =  =

Temperaturnya adalah T1 = 298 K

T2 = T1(  = (298)  = 472 K

T4 = T3  = (1123)(  = 701,1 K

Maka rasio usaha baliknya adalah:

 =  = 0,420 

Atau 42 %

Efisiensi termalnya: ɳ =1 -  = 0,369

SUMBER REFERENSI :

Perpustakaancyber. 2013. Usaha dan Proses dalam Termodinamika Hukum Termodinamika 1 2 3 Rumus Contoh Soal Kunci Jawaban. {terdapat di(http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/03/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika-hukum-termodinamika-1-2-dan-3-rumus-contoh-soal-kunci-jawabansoal termodinamika

1.      Kegiatan di bawah ini yang memanfaatkan proses perubahan wujud benda cair menjadi padat yaitu peristiwa...

a.       pemanasan air

b.      peleburan logam

c.       pembuatan es krim

d.      pembuatan es kering dari korbondioksida

Jawaban : C

Membeku merupakan peristiwa perubahan wujud benda dari cair menjadi padat. Kegiatan yang memanfaatkan proses perubahan wujud benda dari cair menjadi padat adalah proses pembuatan es krim.

2.      Contoh peristiwa yang menunjukkan proses penyubliman yaitu...

a.       gelas retak ketika diisi air panas

b.      baju di jemuran kering ketika cuaca panas

c.       balon pecah ketika terpapar panas matahari

d.      kampir habis karena berada di tempat terbuka

Jawaban : D

Menyublim adalah peristiwa perubahan zat padat menjadi gas atau sebaliknya (gas menjadi padat). Pada contoh di atas yang menunjukkan peristiwa penyubliman adalah kamper habis karena berada di tempat terbuka.

3.      Contoh perubahan wujud benda yang berupa mengembun yaitu pada peristiwa...

a.       es di dalam gelas

b.      mentega dipanaskan

c.       kamper dibiarkan dalam lemari

d.      terbentuknya butiran air pada tutup gelas

Jawaban : D

Mengembun adalah proses perubahan wujud zat dari gas menjadi cair. Contoh perubahan wujud benda yang berupa mengembun yaitu pada peristiwa terbentuknya butiran air pada tutup gelas.

4.      Proses menyebarnya bau harum dari minyak wangi yang diletakan di kamar merupakan contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari...

a.       padat menjadi cair

b.      padat menjadi gas

c.       cair menjadi gas

d.      cair menjadi padat

Jawaban : C

Menyebarnya bau harum dari minyak wangi yang diletakan di kamar merupakan contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari cair menjadi gas (menguap).

5.      Contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari padat menjadi cair terdapat pada...

a.       mentega dipanaskan di penggorengan

b.      air dimasukkan ke dalam freezer

c.       kamper diletakkan di dalam lemari

d.      air dipanaskan terus menerus

Jawaban : A

Pemanfaatan perubahan wujud benda dari padat menjadi cair (mencair) terdapat pada peristiwa mentega dipanaskan di penggorengan.

6.      Lahar panas yang mengalir dari letusan gunung berapi akan menjadi batu dan pasir jika telah dingin. Peristiwa ini merupakan contoh...

a.       peleburan

b.      pembekuan

c.       penyubliman

d.      pengembunan

Jawaban : B

Lahar panas yang mengalir dari letusan gunung berapi akan menjadi batu dan pasir jika telah dingin, peristiwa tersebut merupakan contoh peristiwa pembekuan (perubahan wujud dari cair menjadi padat).

7.      Peleburan perak merupakan salah satu contoh pemanfaatan perubahan wujud benda dari....

a.       cair menjadi gas

b.      cair menjadi padat

c.       padat menjadi cair

d.      padat menjadi gas

Jawaban : C

Pada proses peleburan perak terjadi perubahan wujud dari zat padat menjadi cair.

8.      Saat hujan deras Nani berada di dalam mobil. Meskpun kaca depan bagian luar selalu dibersihkan dari air, kaca bagian dalam tetap basah. Peristiwa tersebut menunjukkan...

a.       pencairan 

b.      penguapan

c.       pembekuan

d.      pengembunan

Jawaban : D

Pada peristiwa di atas terjadi proses perubahan wujud benda dari gas (uap air) menjadi titik-titik air, proses tersebut dinamakan proses pengembunan.

9.      Perubahan wujud zat dari cair menjadi padat dalam kehidupan sehari-hari terdapat pada peristiwa...

a.       pembuatan genting

b.      pengisian bahan bakar gas LPG

c.       pembakaran kayu untuk kayu bakar

d.      membekunya minyak kelapa pada saat udara dingin

Jawaban : D

Perubahan wujud zat dari cair menjadi padat (membeku) dalam kehidupan sehari-hari ditunjukkan oleh peristiwa membekunya minyak kelapa pada saat udara dingin.

10.  Minyak asiri diperoleh dengan melalui proses penyulingan dengan mendinginkan uapnya. Proses pembuatan minyak atsiri memanfaatkan perubahan wujud....

a.       gas menjadi cair

b.      cair menjadi padat

c.       padat menjadi gas

d.      gas menjadi padat

Jawaban : A

Proses pembuatan minyak atsiri (penyulingan) merupakan contoh perubahan wujud zat dari gas menjadi cair (pengembunan).

11.  Di bawah ini termasuk perubahan fisika, kecuali ….

a.       Penguapan

b.      Pengembunan

c.       Pembekuan

d.      Pembakaran

Jawaban : D

Perbahan wujud zat dalam fisika ada 6, yaitu Penguapan, Pengembunan, Pembekuan, Pencairan, Penyubliman, Pemadatan.

12.  Perhatikan bagan perubahan wujud zat berikut!

Perubahan wujud yang ditunjukkan nomor 2, 4, dan 6 berturut-turut dinamakan …

a.       mencair, menguap, menyublim

b.      menguap, menyublim, membeku

c.       menyublim, mengembun, membeku

d.      mengembun, menyublim, mencair

Jawaban : D

Gambar nomor 2, perubahan wujud gas menjadi cair yaitu mengembun.

Gambar nomor 4, perubahan wujud padat menjadi gas yaitu menyublim.

Gambar nomor 6, perubahan wujud padat menjadi cair yaitu mencair.

13.  Sebongkah es dimasukkan ke dalam suatu wadah, kemudian dipanasi. Perubahan wujud yang mungkin terjadi secara berurutan adalah .…

a.       zat cair menjadi zat padat

b.      zat cair menjadi gas

c.       zat padat menjadi zat cair

d.      zat padat menjadi gas

Jawaban : C

Sebongkah es yang dipanaskan akan mencair (zat padat menjadi zat cair).

14.  Grafik di bawah ini menyatakan hubungan antara suhu T dengan kalor Q yang diberikan pada 1 gram zat padat. Besar kalor uap zat padat tersebut adalah ...

a.       60 kalori/gram

b.      70 kalori/gram

c.       80 kalori/gram

d.      90 kalori/gram

e.       100 kalori/gram

Jawaban : C

Dik :    Q = 140 kalori – 60 kalori = 80 kalori

            m = 1 gram

Dit :     kalor uap zat padat (Ly) ?

Jawab :

Q = m Ly

Ly = 

Ly = 

Ly = 80 kalori/gram

15.  Di bawah ini adalah grafik kalor terhadap suhu dari 1 kg uap pada tekanan normal. Kalor didih air 2256 x 103 J/kg dan kalor jenis air 4,2 x 103 J/kg K, maka kalor yang dilepas pada perubahan dari uap menjadi air adalah ...

a.       4,50 x 103 Joule

b.      5,20 x 103 Joule

c.       2,00 x 106 Joule

d.      2,26 x 106 Joule

e.       4,40 x 106 Joule

Jawaban : D

Dik :    Ly = 2256 x 103 J/kg

            c = 4200 J/kg K

            m = 1 kg

Dit :     kalor yang dilepas (Q) ?

Jawab :

Q = m Ly

Q = 1 kg . 2256 x 103 J/kg

Q = 2,256 x 106 J

16.  Banyaknya kalor yang diserap untuk menaikkan suhu air bermassa 2 kg dari -20C sampai 100C adalah ... kalor jenis air 4200 J/kg 0C, kalor jenis es 2100 J/kg 0C, kalor lebur air (LF) = 334000 J/kg.

a.       760400 J

b.      750000 J

c.       668000 J

d.      600000 J

e.       540000 J

Jawaban : A

Dik :    mair = 2 kg

            Tawal = -2 0C

            Takhir = 10 0C

            ces = 2100 J/kg 0C

            cair = 4200 J/kg 0C

            LF = 334000 J/kg

Dit :     kalor yang diserap (Q) ?

Jawab :

Q1 = m.ces.ΔT = (2 kg)(2100 J/kg 0C)(0 0C – (-2 0C)) = 8400 J

Q2 = m.LF = (2 kg)(334000 J/kg) = 668000 J

Q3 = m.cair.ΔT = (2 kg)(4200 J/kg 0C)(10 0C – 0 0C) = 84000 J

Q = Q1 + Q2 + Q3 = 8400 J + 668000 J + 84000 J

Q = 760400 J

17.  Pemanfaatan perubahan wujud benda yang tepat terdapat pada ….

            Jawaban : D

Pemanfaatan perubahan wujud benda: 

ü  penyemprotan minyak wangi sehingga membasahi pakaian dan menyebar bau harum: merupakan perubahan wujud cair menjadi gas àmenguap 

ü  kapur barus diletakkan dalam lemari pakaian akan habis karena bereaksi dengan udara: merupakan perubahan dari padat menjadi gas àmenyublim 

ü  pembersihan butiran es yang menempel pada dinding freezer dalam lemari es dengan menaikkan suhu: perubahan wujud padat menjadi cair akibat pemanasan à mencair 

ü  pemisahan biji timah dari batuan dengan suhu tinggi sehingga timah meleleh: perubahan dari padat menjadi leleh (cair) mencair/meleleh 

18.  Perhatikan tabel!

Contoh perubahan wujud yang benar adalah ….

            Jawaban : B

a.       I – M, II – O, dan III – L

b.      I – M, II – K, dan IV – N

c.       III – K, I – L, dan V – O

d.      V – L, III – M, dan IV – N

Perubahan wujud benda sebagai berikut: 

       I.            Membeku: cair menjadi padatàmisalnya:air (cair) dimasukkan ke dalam lemari es akan membeku (padat) (M) 

    II.            Mencair: padat menjadi cair àmisalnya:mentega (padat) yang dipanaskan akan menjadi cair (K) 

 III.            Menguap: cair menjadi gas àmisalnya:bensin (cair) dibiarkan di ruang terbuka akan menguap (gas) (O) 

 IV.            Mengembun: gas menjadi cairàmisalnya:terbentuk titik air di daun ketika pagi hari (N) 

    V.            Menyublim: padat menjadi gas àmisalnya: kapur barus (padat) diletakkan di ruangterbuka (L)

19.  Sepotong es massanya 10 kg dan suhunya 0 0C (pada titik leburnya), kepada es itu diberikan kalor 800 K kal. Bila kalor lebur es 80 K kal kg-1. Bagaimana keadaan es itu setelah menerima kalor ?

a.       Seluruhnya melebur menjadi air dan suhunya lebih dari 0 0C.

b.      Sebagian melebur menjadi air dan sebagian tetap berupa es, suhu air dan es itu 0 0C.

c.       Sebagian melebur menjadi air dan suhu lebih besar dari 0 0C dan sebagian tetap berupa es dengan suhu 0 0C.

d.      Suhu es akan turun menjadi lebih kecil dari 0 0C.

e.       Seluruh es akan menjadi air dengan sushu tetap 0 0C.

Jawaban : E

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan es

Q = m L = 10.80 = 80 K kal

Karena kalor yang diberikan = kalor yang diperlukan untuk meleburkan es, maka seluruh es melebur menjadi air 0 0C.

20.  Suatu zat padat diberi sejumlah kalor, kemungkinan yang dapat terjadi adalah:

1.      Suhu zat naik

2.      Suhu zat tetap

3.      Zat mencair

4.      Zat menjadi gas

Pernyataan yang benar adalah ...

a.       1,2 dan 3

b.      2 dan 4

c.       1 dan 3

d.      4 saja

e.       2,3 dan 4

Jawaban : C

Suatu zat padat diberi sejumlah kalor yang akan terjadi adalah suhu zat naik dan zat mencair.

21.  Sebuah siklus standar udara Otto mempunyai temperatur maksimum 2200 K dan rasio kompressi 8. Kondisi pada awal proses kompressi adalah 1 bar, 290 K dan 400 cm3. Hitunglah:

a.       Massa udara di dalam sistem, [kg]

b.      Temperatur pada akhir langkah kompressi, [K]

c.       Kalor yang dimasukkan ke sistem, [kJ]

d.      Temperatur pada akhir langkah ekspansi, [K]

e.       Kalor yang dibuang dari sistem, [kJ]

f.       Efisiensi thermal siklus

Penyelesaian

Data yang diketahui :

r =  

T3 = 2200 K

P1 = 100 kPa           T1 = 290 K      V1 = 400 cm3

a.       Massa udara di dalam sistem tetap. Dengan persamaan gas ideal diperoleh :

m = 

m =  = 4,806 X 10-4 kg

b.      Temperatur pada akhir langkah kompressi (T2) diperoleh dengan melihat bahwa proses 1− 2 adalah kompressi isentropik.

T2 = 666,245 K

c.       Kalor yang dimasukkan ke dalam sistem Qin = m.cv .(T3 – T2)

= 4,806 x 10-4 kg x 0,7165kJ/(kg.K) (2200 – 666,245) K

= 0,5281 kJ

d.      Temperatur pada akhir langkah ekspansi (T4) diperoleh dengan melihat bahwa proses 3-4 adalah ekspansi isentropik.

T4 = 957,606 K

e.       Kalor yang dibuang dari sistem

Qout      = mcv (T4 – T1)

= 4,806 x 10-4 kg x 0,7165 kJ/(kg.K) (957,606 – 290) K

= 0,2299 kJ

f.       Efisiensi thermal siklus :

Ƞ          = 

            = 

            = 56,47 %

22.  Sebuah siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi 8. Kondisi udara pada awal proses kompresi adalah 95 kPa dan 27oC; kalor sebesar 750 kJ/kg dipindahkan selama proses pemasukan pada volume konstan. Dengan memperhitungkan variasi kalor spesifik sebagai fungsi waktu, hitunglah:

a.       Temperature  dan tekanan pada akhir proses pemasukan

The net work output

Efisiensi thermal siklus

Mean effective pressure

Bila temperatur sumber 2000 K dan temperture sink 300 K hitung total irreversibilitas proses, dan availability pada akhir langkah tenaga

Penyelesaian

Diketahui

Fluida : udara dengan Cp dan Cv bervariasi terhadap temperatur.

Meski Cp dan Cv bervariasi tetapi R = Cp – Cv  nilainya konstan. Untuk

r = 

P1 = 95 kPa

T1 = 300 K

Tsink = 300 K

Tsource = 2000 K

Qin = 750 kJ/kg

a.       Volume spesifik pada titik 1 adalah :

V1        = 

=  = 0,9063 m3/kg

Volume spesifik titik 2 :

 = 8

V2 = 0,1133 m3/kg

Dari tabel berdasarkan harga T1 = 27oC = 300K: u1 = 214,07 kJ/kg vr1 = 621,2

Untuk proses 1-2:

vr2 = 77,65

Berdasarkan harga vr2 = 77,65 dari tabel diperoleh: T2 = 673,09 K u2 = 491,22 kJ/kg Tekanan pada akhir langkah kompressi:

P2 = 1705,00 kPa

Jumlah kalor yang disuplai ke sistem: qin = u3 – u2

u3 = qin + u2

= (750 + 491,22) kJ/kg = 1241,22 kJ/kg

Berdasarkan u3 = 1241,22 kJ/kg dari tabel diperoleh:

T3 = 1538,70 K         vr3= 6,588

Tekanan pada akhir proses pemasukan kalor (P3)

P3 = 3897,68 kPa

b.      Proses 3-4 → ekspansi isentropik

vr4 = 52,704

Berdasarkan harga vr4 = 52,704dari tabel diperoleh: T4 = 774,54 K u4 = 571,72 kJ/kg

Besarnya kalor yang dibuang dari sistem: qout = u4 – u1

=  (571,72 – 214,07) kJ/kg

=   357,65 kJ/kg    

→ Kata in dan out telah menyatakan arah dari suatu proses. Jadi kalor yang keluar dari sistem yang harusnya bernilai negative tetapi karena sudah ada kata out berarti kalor keluar dari sistem.

Akan tetapi:

qout = – q4−1

Sebab  q4−1 = u1 – u4 = – 357,65 kJ/kg

Kerja bersih siklus:

wnet = qin –  qout

= (750 – 357,65) kJ/kg

= 392,35 kJ/kg

c.       Efisiensi thermal siklus:

Ƞ          = 

            = 

            = 52,31 %

d.      Mean effective pressure:

Mep = 

Mep =  = 494,77  kPa

e.       Φ4 = (u4 – u0) – T0 (s4 – s0) + P0 (V4 – V0)

Φ4 = 357,65 kJ/kg – 300K [0,70799 kJ/(kg.K)] + 0

Φ4 = 145,253 kJ/kg

23.  Siklus otto udara standart memiliki perbandingan kompresi 8. Pada awal kompresi temperaturnya ialah 300 K dan tekanan 100 kPa. Jika tempetaur maksimum siklus ini adalah 1200 K, maka tentukan :

a.       kalor yang dipasok per kg udara

b.      kerja netto yang dilakukan per kg udara

Penyelesaian :

Temperatur pada tingkat 2 dan 4 ditentukan dari hubungan proses isentropic dengan perbandingan kalor spesifik = 1.4.

atau T2 = (300 K) (8)0.4 = 689,2 K

dan

atau T4 = (1200 K) (1/8)0.4 = 522,3 K

a.        Untuk temperature rata-rata (1200 + 689,2)/2 = 944,6, nilai spesifik pada volume konstan cv = 0.754 kJ/kg k. Kalor yang dipasok per kg udara (sepanjang proses 2-3) sama dengan perubahan energi dalam sehingga :

b.      Kerja yang dilakukan per kg udara dilakukan oleh :

W net = - q 4-1 – q 2-3

Selama proses pembuangan kalor, cv = 0,7165 kJ/kg K, sehingga :

q 4-1 = cv (T1 – T4) = (0,7165 kJ/kg K) [ (300 – 522,3) K ] = - 159,3 kJ/kg

Oleh sebab itu :

W net = 159,3 – 385,1 = - 25,8 kJ/kg

24.  Sebuah siklus diesel ideal dengan udara sebagai fluida kerja mempunyai perbandingan kompresi 18 dan cutoff ratio rc = 2. Pada awal proses kompresi tekanan dan temperatur 1 bar dan 27 oC serta volume awal V1= 1,9 liter. Jika harga k = 1,4  dan cp = 1005 J/kg K, hitunglah:

a.       Temperatur dan tekanan pada setiap  siklus

b.      Kerja bersih

c.       Efisiensi termal

d.      Tekanan efektip rata-rata

Penyelesaian :

a.       Temperatur dan tekanan pada setiap siklus

Pada titik 1:

Temperatur , T1 = 300 K

Tekanan, p1    = 1 bar =100 kPa

Pada titik 2:

Temperatur, T2 = T1 

T2 = 300 

T2 =  953,3 K

Tekanan, p2 = p1

p2 = 100 kPa 

p2 = 5719,8 kPa

Pada ttitk 3:

Temperatur , T3

Tekanan, p3 = p2 = 5719,8 kPa

Pada titik 4:

Temperartur, T4

T4  = T3 

cutoff ratio rc = 2

V3/V2 = 2

V3 = 2 x V2 = 2 x 0,106 = 0,212

T4  = 1906,6 

 T4 = 793,03 K

Tekanan, p4

P4 = p3

P4 =5719,8 kPa

P4 = 265, 46 kPa

b.      Kerja net

wnet = Qin - Qout

Qin = m cp (T3 – T2)

Qin = 0,002 kg x 1005 J/kg K (1906,6 – 953,3)

Qin = 1916,13 J

Qout = m cv (T4 – T1)

Qout = 0,002 kg x 718 kJ/kg K (793,03 – 300) K = 707,99 J

Maka: Wnet = 1916,13 – 707,99 = 1208,14 J

c.       Efisiensi termal

Atau :

d.      Tekanan efektip rata-rata, MEP

25.  Terletak dimanakah perbedaan mesin diesel dan mesin otto?

a.       pembuangan

b.      Permukaan

c.       Pendinginan

d.      Permulaan Pembakaran

Jawaban : D

Pembahasan :

Perbedaan mesin diesel dengan mesin otto terletak pada permulaan pembakarannya. Pada motor bensin, campuran udara-bensin dikompresi dibawah temperatur pembakaran bahan bakar dan proses pembakarannya dimulai dari percikan bunga api pada busi. Sedangkan pada mesin diesel, udara murni diisap dan dikompresi diatas temperatur pembakaran bahan bakar. Jadi, pada mesin diesel tidak terdapat karburator dan busi tetapi diganti oleh injektor bahan bakar.

26.  Pada mesin diesel apakah yang dikompresi?

a.       Udara

b.      Air

c.       Solar

d.      Bensin

Jawaban : A

Pembahasan :

Pada mesin diesel, yang dikompresi adalah udaranya saja sehingga mesin diesel dapat didesain pada perbandingan kompresi yang tinggi, antara 12 sampai 24.

27.  Apakah prinsip kerja motor diesel?

a.       Merubah energi kimia menjadi energi potensial

b.      Merubah energi mekanis menjadi energi kimia

c.       Merubah energi kimia menjadi energi mekanis

d.      Merubah energi Gerak menjadi energi listrik

Jawaban: C

Pembahasan :

Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reaksi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak  bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi.

28.  Apakah yang menyebabkan torak dapat bergerak  bolak-balik (reciprocating)?

Pembahasan :

Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakar dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak  bolak-balik (reciprocating).

29.  Terjadi proses apakah pada no 3-4 ?

a.       Awal Pembilasan

b.      Langkah kerja V bertambah, P turun (adiabatic)

c.       Pembakaran, P naik, V = c (isokhorik)

d.      Akhir Pembilasan

Jawaban : B

Pembahasan :

Keterangan:

1-2 = Langkah kompresi tekanan bertambah, Q = c (adiabatic)

2-3 = Pembakaran, P naik, V = c (isokhorik)

3-4 = Langkah kerja V bertambah, P turun (adiabatic)

4-5 = Awal Pembuangan

5-6 = Awal Pembilasan

6-7 = Akhir Pembilasan

30.  Terjadi proses apakah pada no 4-1?

a.       Langkah isap pada P = c (isobarik)

b.      Pengeluaran kalor sisa pada V = c (isokhorik)

c.       Langkah buang pada P = c

d.      Langkah kompresi , P bertambah, Q = c (adiabatik)

Jawaban : B

Pembahasan :

Keterangan:

0-1  = Langkah isap pada P = c (isobarik)

1-2  = Langkah kompresi , P bertambah, Q = c (adiabatik)

2-3  = Pembakaran, P naik, V = c (isokhorik)

3-4  = Langkah kerja P bertambah, V = c (adiabatik)

4-1  = Pengeluaran kalor sisa pada V = c (isokhorik)

1-0  = Langkah buang pada P = c

31.  Komponen yang manakah yang berfungsi untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar?

a.       Intercooler

b.      Supercharger

c.       Turbocharger

d.      Crankshaft

Jawaban : A

Pembahasan :

Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih banyak.

32.  Apakah fungsi dari komponen Turbocharger?

a.       Mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar

b.      Memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar

c.       Memompa bahan bakar

d.      Membuang uap

Jawaban : B

Pembahasan :

Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

33.  Siapakah yang pertama kali menyatakan tentang siklus diesel?

a.       Rudolph Diesel

b.      Richard Diesel

c.       David Diesel

d.      George Diesel

Jawaban: A

Pembahasan :

Siklus Diesel adalah siklus ideal untuk mesin torak pengapian-kompresi yang pertama kali dinyatakan oleh Rudolph Diesel tahun 1890.

34.  Yang mana dibawah ini yang bukan aplikasi mesin diesel?

a.       mesin kereta api

b.      unit pembangkit daya

c.       truk/trailer

d.      mesin pendingin

Jawaban : D

Pembahasan :

Mesin Diesel dipilih untuk aplikasi kendaraan berat (mesin yang membutuhkan daya yang besar) seperti mesin kereta api (locomotive), unit pembangkit daya (generator-set), kapal laut pengangkut, truk/trailer berat

35.  Proses apakah “Piston dari Titik Mati Bawah (TMB) silinder terisi udara dan kedua katup masuk dan keluar tertutup, udara terjebak dan dikompresi di dalam silinder” pada mesin diesel dua langkah?

a.       Adiabatis

b.      Ekspansi

c.       Kompresi

d.      Injeksi

Jawaban : C

Pembahasan :

Langkah  pada mesin diesel dua langkah:

1.      Kompresi

Piston dari Titik Mati Bawah (TMB) silinder terisi udara dan kedua katup masuk dan keluar tertutup, udara terjebak dan dikompresi di dalam silinder.

2.      Injeksi.

Pada akhir langkah kompresi, bahan bakar diinjeksikan dan pembakaran terjadi.

3.      Ekspansi.

Gas hasil pembakaran mengakibatkan ekspansi dan piston bergerak mundur, kira-kira pada akhir langkah katup keluar terbuka, dan gas buang keluar.

36.  Mengapa pada siklus diesel tidak perlu menggunakan busi?

a.       Suhu meningkat dan tekanan udara rendah

b.      Suhu rendah dan tekanan udara meningkat

c.       Suhu dan tekanan udara sudah sangat rendah

d.      Suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi

Jawaban : D

Pembahasan :

Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, solar langsung terbakar,sehingga tidak perlu menggunakan busi.

37.  Apa yang anda ketahui tentang siklus ericson ?

Jawab

Siklus ini ditemukan oleh Ericsson, yang terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses tekanan konstan. Diagram p-v dan T-s ditunjukkan oleh Gambar 6. Saat ini siklus Ericsson banyak digunakan dalam pembuatan turbin gas jenis siklus tertutup.

38.  Bahan bakar yang berbentuk gas yang biasanya digunakan untuk turbin gas adalah gas dapur tinggi, gas bumi dan gas yang diperoleh dari instalasi penguapan gas arang untuk industri. Gas dapur tinggi adalah barang sisa-sisa dan harganya murah, tetapi nilai kalornya rendah. Gas bumi adalah bahan bakar yang ideal untuk turbin gas yang mengandung Methan (CH4) dengan kadar 65 % sampai 92 %. 

a) Barapakan temperatur akhir t2 suatu proses kompresi presi tanpa kerugian (isentrop)dari 1 bar, 20°C menjadi 8 bar.

Jawab: t2 = 240oC.

b) Berapakah jumlah kalori yang harus diberikan, bila akan memanaskan udara kompresi dart 8 bar, 240oC menjadi 8 bar, 750°C.

Jawab:

Dari kondisi awal h2 = 235 KJ/Kg, pada 8 bar, 240°C pergi mengikuti garis p = 8 bar, sampai memotong garis datar t3 = 750°C. Maka dari sini didapat h3 = 835 KJ/Kg.

Dengan demikian panas yang harus diberikan adalah h3 - h2 = 835 - 235 = 600 KJ/Kg.

c) Berapakah selisih entalpi (panas jatuh) yang bekerja didalam turbin gas,bila keadaan sebelum turbin 8 bar, 750oc dan berekspansi isentrop sampai 1 bar.

Jawab:

sebelum turbin h3 = 835 KJ/KG

sesudah turbin h4 = 362 KJ/Kg

h3 – h4 = 473 KJ/

d) Berapakan tingkat dari suatu turbin gas yang be kerja dengan panas jatuh rata-rata hst = 120 KJ / Kg.

Jawab: z = (h3 - h4) / hst = 473120 =3,94 jadi dibuat 4 tingkat.

e) Bagaimanakah keadaan gas bekas di sisi sebelah ke luar turbin, bila randemen dalam turbin adalah = 0,87.

Jawab:

Hi = ht . i = 473.0,87 = 410 KJ/Kg. Hal ini digambarkan pada diagram h - s , dengan 1 bar, 395oC , jadi h gas bekar = 425 KJ/Kg.

39.   Uap air berada pada silinder dengan kondisi awal 3.0 MPa dan 300 oC (status 1). Air tersebut didinginkan pada volume tetap hingga mencapai suhu 200 oC (status 2). Selanjutnya dikempa pada kondisi isotermal hingga tekanan mencapai 2.5 Mpa (status 3).

(a) Gambarkan proses tersebut pada diagram T-v dan diagram p-v.

(b) Tentukan volume jenis pada status 1,2,3, dan mutu uap pada status 2.

Jawab :

(a) Dengan menggunakan tabel uap diketahui bahwa Suhu T1 (300 oC) lebih besar dari suhu jenuh pada tekanan p1 (3.0 MPa) yaitu 233.9 oC, sehingga status 1 berada pada wilayah super panas. Pendinginan pada kondisi volume jenis tetap mengikuti proses yang tegak lurus dengan sumbu datar “v” diteruskan hingga mencapai garis suhu 200 oC untuk mendapatkan status 2. Pengempaan isotermal mengikuti proses di sepanjang garis suhu 200 oC. Pada wilayah dua fase (cair-uap) garis suhu berimpit dengan garis tekanan hingga mencapai garis jenuh cair. Kemudian dilanjutkan pada garis suhu yang sama hingga mencapai tekanan 2.5 MPa untuk mendapatkan status 3.

(b) Dari tabel uap super panas diperoleh bahwa volume jenis pada status 1 (v1) adalah 81.1 cm3/kg (dengan memasukkan nilai p=3.0 MPa dan T=300 oC) yang mana harus sama dengan v2 (volume jenis pada status 2). Dengan memasukkan nilai p=2.5 MPa dan T=200 oC ke tabel uap super dingin diperoleh nilai v3 = 1.1555 cm3/kg. Mutu uap pada status 2 (x2) dapat ditentukan melalui volume jenis yaitu dengan mengetahui volume jeni saat jenuh cair (vf) dan jenuh uap (vg) pada suhu status tersebut (200 oC) yaitu vv=1.1565 cm3/kg dan vg=124.4 cm3/kg. Diperoleh x2 = (81.1-1.156)/(124.4-1.1565)=0.633

40.  Jelaskan prinsip kerja turbin gas tertutup !

Jawab

Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistem turbin gas adalahsebagai berikut:

1.      Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan.

2.      Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.

3.      Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle).

4.      Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan

41. Sebutkan kerugian yang di alamin turbin gas tertutup ?

Jawab :

Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain:

1.      Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan(pressure losses) di ruang bakar.

2.      Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkanterjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin.

3.      Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahantemperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja.

4.      Adanya mechanical loss, dsb

42.  Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800°K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Berapakah suhu reservoir tinggi supaya efisiensinya naik menjadi 80%?

 Penyelesaian:

ρ=1-T2 T1

 0,4=1-T2 800

 T2 = 480°K

Berarti suhu reservoir suhu rendah = 480°K,  Agar efisiensi mesin menjadi 80%, maka suhu reservoir suhu tinggi (T1) harus dinaikkan menjadi:

 0,8=1 - 480 T1

 T1=2400

43.  Sebuah mesin menyerap kalor dari sumber kalor bersuhu 689°C dan membuang kalor pada sumber kalor bersuhu 397°C. Berapa efisiensi maksimum kalor itu?

 Penyelesaian:

 Dik:

T1 =689

 T2 =397

 Dit: η.......?

 Jawab: T1 =689+273=962 K

T2 =397+273=660 K

Efisiensi maksimum (efisiensi mesin Carnot) η=1-T2 T1 =1-670962.100% =30%

44.  Untuk menaikkan efisiensi menjadi 36%, berapakah suhu sumber tinggi harus dinaikkan? Penyelesaian:

 ρ = 1 – T2 T1 0,2 = 1 – T2 800 = 640 K

 Berarti suhu reservoir suhu rendah = 640°K

Agar efisiensi mesin menjadi 36%, maka suhu reservoir suhu tinggi (T1) harus dinaikkan menjadi: 0,36=1-640 T1

 T1 =1000K

45.  Sebuah mesin menyerap kalor dari sumber kalor bersuhu 689 0C dan membuang kalor pada sumber kalor bersuhu 397 0C. Berapa efisiensi maksimum mesin kalor itu?

 Penyelesaian:

T1 = 689 + 273 = 962 K

T2 = 397 + 273 = 660 K

Efisiensi maksimum (efisiensi mesin carnot ) = 30%

46.  Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi 40%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 50%, tentukanlah kenaikan suhu yang harus dilakukan pada reservoir suhu tinggi.

Jawab

Diketahui: T1 = 800 K,  ɳ1= 40%, dan η2 = 50%.

Cara umum

• Efisiensi mesin semula η1 = 40%

• Agar efisiensi menjadi η2 = 50% untuk T2 = 480 K

T1 = ɳ1 /  50% = 480/ K 0,5

T1 = 960 K

Jadi, temperatur suhu tinggi harus dinaikkan menjadi 960 K.

47.  Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga memuai, seperti terlihat pada gambar.

Tentukanlah usaha yang dilakukan gas. (1 atm = 105 N/m2)

Jawab

Diketahui: p = 2 atm, V1 = 0,3 L, dan V2 = 0,5 L.

1 liter = 1 dm3 = 10–3 m3

W = p ( ΔV) = p (V2 – V1)

= 2 × 105 N/m2 (0,5 L – 0,2 L) × 10–3 m3 = 60 Joule.

48.  Gambar berikut menunjukkan suatu siklus termodinamika dari suatu gas ideal. Tentukanlah usaha yang dilakukan gas:

a.       dari keadaan A ke B,

b.      dari B ke C,

c.       dari C ke D,

d.      dari D ke A, dan

e.       dari A kembali ke A melalui B, C, dan D

Jawab

Diketahui: p = pB = 2 N/m2, pD = pC = 1 N/m2, VA = VD = 2 m3, dan VB = VC = 3 m3.

a.       WAB = p (VB – VA) = (2 × 105 N/m2) (3 – 2) × 10–3 m3 = 200 joule

b.      WBC = p (VC – VB) = 0

c.       WCD= p (VD – VC) = (1 × 105 N/m2) (2 – 3) × 10–3 m3 = -100 joule

d.      WDA= p (VA – VD) = 0

e.       WABCDA = Wsiklus = 200 Joule + 0 – 100 Joule + 0 = 100 joule

selain itu, dapat ditentukan dengan cara

WABCDA = Wsiklus = luas arsiran

= (2 – 1) × 105 N/m2(3 – 2) × 10–3 m3

= 100 joule.

49.  Sepuluh mol gas helium memuai secara isotermal pada suhu 47°C sehingga volumenya menjadi dua kali volume mula-mula. Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas helium.

Jawab

Diketahui: T = 47°C = (47 + 273) K = 320 K dan V2 = 2V1.

Usaha yang dilakukan gas pada proses isotermal:

50.  Suatu gas yang volumenya 1,2 liter perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap 1,5 × 105N/m2 hingga volumenya menjadi 2 liter. Berapakah usaha yang dilakukan gas?

Jawab

Diketahui: V1 = 1,2 L, V2 = 2 L, dan p = 1,5 × 105 N/m2.

1 liter = 1 dm3 = 10–3 m3

Usaha yang dilakukan gas pada tekanan tetap (isobarik) adalah

W = p (V2 – V1) = (1,5 × 105 N/m2) (2 – 1,2) × 10–3 m3 = 120 joule

51.  Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti grafik p – V berikut.

Tentukanlah:

a.       usaha gas dari A ke B,

b.      usaha gas dari B ke C,

c.       usaha gas dari C ke A, dan

d.      usaha netto gas dalam satu siklus.

Jawab

Diketahui: pA = pB = 3 × 105 Pa, pC = 1 × 105 Pa, VA = 2 L, dan VB = VC = 6 L.

a. Proses A ke B adalah proses isobarik. Usaha dari A ke B dapat dihitung dengan persamaan WAB= p(VB – VA)

= 3 × 105 Pa (6 – 2) × 10–3 m3 = 1.200 joule

b. Prose B ke C adalah proses isokhorik. Oleh karena VC = VB, usaha yang dilakukan gas WBC = 0

c. Proses dari C ke A adalah isotermal. Oleh karena pC:VC = pA:VA, usaha dari C ke A adalah

WCA = (1 × 105 N/m2)(6 × 10–3 m3)ln 3/6 = – 415,8 joule

d. Usaha netto gas dalam satu siklus ABCA :

Wsiklus = WAB + WBC + WCA = 1.200 joule + 0 + (–415,8 joule) = 784,2 joule

52.  Usaha sebesar 2 × 103 J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal monoatomik sehingga suhu mutlaknya menjadi 2 kali semula. Jika konstanta umum gas R = 8,31 J/mol K, tentukanlah suhu awal gas.

Jawab

Diketahui: W = 2 × 103 J, T2 = 2T1, dan n = 0,5 mol.

Jadi, suhu awal gas adalah 321 K.

53.  Udara memasuki kompresor turbin gas pada 100 kPa  dan 25˚C. Untuk rasio tekanan 5 dan temperatur maksimum 850˚C tentukan rasio usaha balik dan efisiensi termalnya dengan menggunakan siklus brayton

Jawab:

Untuk menentukan rasio usaha baliknya:

 =  =

Temperaturnya adalah T1 = 298 K

T2 = T1(  = (298)  = 472 K

T4 = T3  = (1123)(  = 701,1 K

Maka rasio usaha baliknya adalah:

 =  = 0,420 

Atau 42 %

Efisiensi termalnya: ɳ =1 -  = 0,369

SUMBER REFERENSI :

Perpustakaancyber. 2013. Usaha dan Proses dalam Termodinamika Hukum Termodinamika 1 2 3 Rumus Contoh Soal Kunci Jawaban. {terdapat di(http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/03/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika-hukum-termodinamika-1-2-dan-3-rumus-contoh-soal-kunci-jawaban.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Tutorialteknik. 2011. Siklus Diesel Ideal. {terdapat di(http://tutorialteknik.blogspot.com/2011/05/siklus-diesel-ideal.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Kisikisiuan. 2013. Menentukan Besaran Kalor dalam Proses. {terdapat di (http://kisi-kisiuan.blogspot.com/2013/02/menentukan-besaran-kalor-dalam-proses.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Arieskuncoro. 2010. Soal dan Pembahasan UH Zat Wujudnya. {terdapat di(http://arieskuncoro.wordpress.com/2010/09/07/soal-pembahasan-uh-zat-wujudnya/) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Guruipapati. 2012. Soal dan Pembahasan Zat dan Wujudnya. {terdapat di (http://guru-ipa-pati.blogspot.com/2012/08/soal-dan-pembahasan-zat-dan-wujdunya.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

 .html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Tutorialteknik. 2011. Siklus Diesel Ideal. {terdapat di(http://tutorialteknik.blogspot.com/2011/05/siklus-diesel-ideal.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Kisikisiuan. 2013. Menentukan Besaran Kalor dalam Proses. {terdapat di (http://kisi-kisiuan.blogspot.com/2013/02/menentukan-besaran-kalor-dalam-proses.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Arieskuncoro. 2010. Soal dan Pembahasan UH Zat Wujudnya. {terdapat di(http://arieskuncoro.wordpress.com/2010/09/07/soal-pembahasan-uh-zat-wujudnya/) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}

Guruipapati. 2012. Soal dan Pembahasan Zat dan Wujudnya. {terdapat di (http://guru-ipa-pati.blogspot.com/2012/08/soal-dan-pembahasan-zat-dan-wujdunya.html) yang diakses tanggal 31 Mei 2013}