Istilah-istilah Termodinamika

Berikut adalah beberapa istilah-istilah yang digunakan di dunia termodinamika beserta penjelasan singkatnya:

1. Energi
Energi adalah sebuah properti yang tidak dapat dipisahkan dari suatu sistem. Setiap sistem dengan kondisi tertentu (seperti tekanan dan temperatur) di dalamnya terkandung energi. Konsep energi diciptakan untuk menggambarkan sejumlah proses, seperti konversi energi gerak ke panas. Satuan energi dalam SI adalah Joule (J).

2. Sensible Heat
Adalah energi panas yang tersimpan di suatu benda sebagai akibat dari kenaikan temperatur yang terjadi padanya. Satuan sensible heat dalam SI adalah kJ/kg.

3. Latent Heat
Panas laten adalah energi panas yang mengalir dari atau ke suatu material tanpa disertai perubahan temperatur di dalamnya. Satuan SI nya adalah kJ/kg.

4. Internal Energy (Energi Dalam)
Energi dalam dari suatu sistem adalah energi yang terkandung di dalam suatu sistem berdasarkan properti termodinamikanya, seperti tekanan dan temperatur. Perubahan nilai energi internal dari suatu sistem hanya bergantung pada kondisi awal dan akhir dari sistem tersebut, dan bukan dari perubahan yang terjadi selama proses yang terjadi pada sistem tersebut.

5. Entropy
Entropi adalah ukuran ketersediaan energi dari suatu sistem. Sebuah sistem dengan entropi yang tinggi, berarti semakin rendah fungsi kerjanya. Satuan entropi dalam SI adalah kJ/kg.K.

6. Enthalpy
Merupakan besaran energi total per satu satuan massa dari suatu sistem termodinamika. Satuan entalpi dalam SI adalah kJ/kg.

Sifat-sifat Uap Air

Air mendidih pada temperatur 100º Celcius jika dalam kondisi tekanan atmosfer (1013,25 milibar absolut). Apabila air dipanaskan di bawah kondisi tekanan yang lebih tinggi maka titik didihnya juga akan meningkat. Begitu pula sebaliknya, pada tekanan yang lebih rendah air akan mendidih pada temperatur yang lebih rendah.

Tiga Fase Air

Pembangkit Listrik Tenaga Uap menggunakan media air untuk mengkonversikan energi kimia yang dimiliki batubara, menjadi energi listrik pada akhir proses. Untuk menciptakan uap air kering dengan temperatur tinggi, panas harus terus diberikan ke air melewati tiga fase: fase cair, fase campuran cair dengan uap, dan fase uap saja.

Nilai energi panas di tiap-tiap nilai tekanan dan temperatur sudah dibuat oleh para ahli dan telah disusun menjadi tabel uap air (steam tables). Dengan menggunakan steam table ini kita dapat menentukan entalpi spesifik (jumlah energi panas yang dimiliki oleh uap air pada tiap kilogram nya), entropi spesifik (bilangan abstrak yang menunjukkan peningkatan atau penurunan dari panas yang diberikan atau ditolak pada suatu benda), dan volume spesifiknya.

Gambar berikut adalah contoh dari steam table:

20110627-042425.jpg

Apabila kita memberikan energi panas ke air, maka hal ini disebut "entalpi spesifik dari saturasi cair (the spesific enthalpy of the saturated liquid)", yang kita lebih mengenalnya dengan istilah panas sensibel. Jika kita terus menambahkan panas, temperatur akan terus naik (pada tekanan tertentu), dan apabila diteruskan temperatur akan berhenti naik dan air akan mulai menguap. Nilai entalpi pada titik ini ditunjukkan di steam table dengan simbol "hf".

Jika panas terus ditambahkan, air akan terus menguap, sampai semua air berubah fase menjadi uap air. Nilai energi panas pada proses ini dinamakan "kenaikan entalpi pada proses evaporasi (the increment of enthalpy for evaporation)", kita mengenalnya dengan istilah panas laten. Nilai dari entalpi ini ditunjukkan dengan simbol "hfg" pada steam table. Pada titik ini berarti kita telah memberikan energi panas melalui dua fase, nilainya dinamakan "entalpi spesifik pada uap saturasi (the spesific enthalpy of the saturated vapour)" dan ditunjukkan pada steam table dengan simbol "hg". Maka hf + hfg = hg dalam satuan kJ/kg.

Kita dapat memanaskan uap air ini lebih lanjut, tetapi sekarang temperatur uap akan naik. Proses ini dinamakan superheat dan nilai panasnya dinamakan "kenaikan entalpi pada superheat (the increment of enthalpy for superheat)". Pada uap air superheat di titik manapun proses, entalpi spesifiknya sama dengan kenaikan entalpi pada saturated liquid ditambah kenaikan entalpi pada proses evaporasi dan kenaikan entalpi uap superheat pada titik tersebut. Entalpi total dari titik superheat ini ada di steam tabel, namun pada contoh di atas tidak disertakan.

Diagram Temperatur - Entropi

Diagram temperatur-entropi (T-S Diagram) digunakan untuk lebih mudah memahami proses titik mendidihnya air dan titik saturasi keringnya. Entropi merupakan sebuah properti yang sulit untuk dijelaskan. Uap air yang memiliki energi rendah berarti memiliki entropi yang rendah pula.

Jika temperatur absolut pada saat panas diberikan, dikalikan dengan perubahan entropi, maka hasilnya adalah sama dengan jumlah energi panas yang ditambahkan selama proses. Sebaliknya, jika temperatur absolut pada saat panas ditolak, dikalikan dengan perubahan entropi antara awal proses dengan akhir proses, hasilnya sama dengan jumlah energi yang ditolak.

20110524-020032.jpg

Bentuk dari kurva air menguap/saturasi kering saat pressure air yang disertakan lebih tinggi, maka entalpi yang dibutuhkan untuk evaporasi lebih rendah. Saat kita memberikan energi panas selama proses evaporasi, uap air basah akan bertahap mengering sampai ia mencapai titik saturasinya. Hal ini berarti ia mencapai 100% kering.

The Critical Point

Jika kita menaikkan tekanan air, kita akan menaikkan temperatur didih airnya, dan pada diagram T-S akan menaikkan garis proses lebih tinggi. Dengan melakukan hal ini, berarti kita lebih memendekkan garis evaporasi sampai kita mencapai titik sekitar 221,2 bar abs dimana garis air mendidih bertemu dengan garis saturasi kering dan dan tidak ada fase evaporasi lagi sama sekali. Inilah yang dinamakan critical point. Temperaturnya pada 374,15ºC, dan critical volumenya 3,17 dm3/kg.

Pada pressure lebih tinggi dari 221,2 bar abs dinamakan supercritical. Jika air pada kondisi supercritical pressure dipanaskan, temperatur air akan naik sampai ia akan mengalami "flashes", yaitu kondisi dimana air secara instan berubah menjadi uap dan mulai menjadi uap superheated. Spesific volume uap kering sama tidak ada perbedaan dengan spesific volume air. Nah, untuk temperatur kapan air mulai "flushing" pada supercritical pressure tidak dapat diketahui secara pasti.

Pembangkit listrik tenaga uap dengan boiler supercritical biasanya beroperasi pada tekanan kerja sekitar 250 bar abs. Dan transisi dari air menjadi steam terjadi pada temperatur sekitar 385ºC.

Related books:
1. ASME Steam Tables: Compact Edition (Crtd)
2. ASME Steam Tables - Compact Edition
3. Steam Tables : Thermodynamic Properties of Water Including Vapor, Liquid, and Solid Phases/With Charts (metric measurements)

Free e-book:
1. http://bit.ly/k2vbZj
2. http://bit.ly/iKyiGZ
3. http://bit.ly/l9noaD

HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning)

HVAC berfungsi menjaga kondisi udara sekitar untuk melindungi alat-alat, dan kenyamanan personal dengan cara mengatur ventilasi dan pengkondisian udara.

HVAC merupakan singkatan dari Heating, Ventilation, and Air Conditioning. Yang mana sistem pengkondisian udara ini merupakan aplikasi dari beberapa cabang ilmu Mechanical Engineering yaitu termodinamika, mekanika fluida, dan perpindahan panas.

HVAC termasuk vital penggunaannya di beberapa industri, terutama di gedung-gedung, perkantoran yang dipenuhi peralatan komputer yang perlu dijaga kelembaban udaranya, serta industri-industri besar yang memerlukan sistem ventilasi yang baik. Berikut akan saya jelaskan lebih mendetail mengenai HVAC.

1. Heating
Sistem ini banyak digunakan di daerah-daerah yang beriklim dingin, yang sepanjang musim didominasi dengan suhu yang dingin. Tersusun oleh beberapa bagian penting antara lain boiler, furnace, heat pump, radiator, dan hydronic.

Furnace berfungsi sebagai sumber panas yang ditransfer ke media air bernama hydronic di boiler. Hydronic tersirkulasi berkat kerja dari heat pump, yang selanjutnya setelah dari boiler, hydronic menuju ke radiator untuk memindahkan panas yang dikandungnya ke udara yang tersirkulasi. Udara inilah yang digunakan untuk memanaskan ruangan.

2. Ventilation
Ventilation adalah proses untuk mensirkulasikan udara di dalam suatu ruangan dengan udara luar, yang bertujuan untuk me-remove debu, kelembaban, bau-bauan yang tidak sedap, karbon dioksida, panas, bakteri di udara, serta meregenerasi oksigen di dalam ruangan. Ventilasi merupakan salah satu penerapan teori mekanika fluida.


Penggunaan Ventilation Fan pada Industri

20110622-113951.jpg

Ada dua jenis ventilation, yaitu forced ventilation dan natural ventilation. Forced ventilation adalah sistem ventilasi yang menggunakan bantuan fan atau kipas untuk mensirkulasikan udara di dalam ruangan. Sistem ini banyak digunakan di perindustrian besar, gedung-gedung, dan contoh yang paling dekat dengan kita adalah di dapur dan di kamar mandi. Di dapur biasanya dipasang fan untuk menghisap asap dari kompor dan dibuang keluar. Sedangkan di kamar mandi jelas digunakan untuk mengusir bau-bauan yang tidak sedap dari dalam kamar mandi.


Exhaust Fan untuk Rumah-rumah

20110622-113818.jpg

Sedangkan untuk natural ventilation tidak diperlukan bantuan kipas untuk mensirkulasikan udara. Biasanya hanya berupa jendela yang dibiarkan terbuka di suatu ruangan.

3. Air Conditioning
Air Conditioning (AC) menggunakan prinsip siklus mesin pendingin, yang terdiri dari beberapa bagian penting yaitu refrigerant, kompresor, heat exchanger, dan katup ekspansi.

Kalau Anda googling pasti sudah banyak yang menjelaskan bagaimana prinsip kerja dari AC. Di sini yang perlu saya tekankan adalah adanya sedikit perbedaan antara AC yang biasa Anda gunakan di rumah, dengan AC yang digunakan di perkantoran, gedung-gedung, atau perindustrian. Ada satu media bernama liquid chiller yang digunakan.


Kompresor AC pada salah satu kantor

20110622-114125.jpg

Jadi prosesnya menjadi seperti berikut. Udara yang tersirkulasi diserap panasnya melalui heat exchanger oleh liquid chiller di satu komponen bernama Air Handling Unit (AHU). Sedangkan panas dari liquid chiller diserap oleh refrigerant melalui heat exchanger yang lainnya. Jadi ada semacam proses pendinginan bertingkat di dalamnya.


Air Handling Unit

20110622-114234.jpg

Ada satu alasan yang kuat mengapa AC yang digunakan di gedung-gedung besar menggunakan liquid chiller. Karena udara yang bersirkulasi di dalam gedung bervolume besar, maka akan lebih jauh efisien jika menggunakan media liquid chiller sehingga energi yang dibutuhkan untuk operasional AC lebih rendah jika dibandingkan tanpa menggunakan liquid chiller.

Related books:
1. Audel HVAC Fundamentals, Heating Systems, Furnaces and Boilers,
2. HVAC - Heating, Ventilating, and Air Conditioning, Third Edition
3. Refrigeration and Air Conditioning Technology

Free Journal/e-books HVAC:
1. http://bit.ly/mMiCMs
2. http://bit.ly/j64RpL
3. http://bit.ly/kzJxxl
4. http://bit.ly/lCTJcx
5. http://bit.ly/lbSJ58
6. http://1.usa.gov/mgZj72