HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Transkripsi

1 MAKALAH TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA Disusun Oleh : Kelompok : 12 Nama Mahasiswa : Hari Purnama ( ) Hendrik ( ) Rahganda ( ) Siti Zunuraen ( ) Departemen Teknik Kimia FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, 2014

2 Jawaban Pemicu 2 : Hukum Pertama Termodinamika MA Teknik Kimia FTUI 4 Maret, Instruktur : Dr. Ir. Praswasti PDK Wulan, MT 1. Buatlah daftar semua jenis energi dan Berikan contoh dalam kehidupan nyata masingmasing. Tabel 1. Jenis-Jenis Energi dan Conrohnya Jenis Energi Contoh Dalam Kehidupan Nyata Sehari-hari 1 Mechanical energy Buah kelapa jatuh dari pohon dengan kecepatan 1 m/s 2 Kinetic energy Mobil melaju dengan kecepatan 40 Km/jam 3 Potential energy Apel berada diatas pohon 4 Sound energy Suara petir menggetarkan rumah 5 Thermal energy Telur direbus dengan air mendidih 6 Chemical energy Reaksi asam klorida dengan pita Mg 7 Electric energy Nyamuk yang tewas tersengat perangkap listrik 8 Electrostatic energy Balon yang digesek kain perca dapat menarik kertas 9 Magnetic energy Kutub magnet yang berlawanan saling tarik-menarik 10 light energy Matahari menyinari bumi 2. Menurut anda, ada berapa jeniskah kapasitas panas dalam termodinamika dan berikan definisinya berdasarkan gambar yang diberikan. Ada dua jenis kapasitas panas, yaitu kapasitas panas volume konstan dan tekanan konstan. Definisi untuk volume konstan : ( ) Definisi untuk tekanan konstan :

3 ( ) 3. Jelaskanlah mengapa kedua satuan yang diberikan dapat identik! Yang diperhitungkan dalam kapasitas panas hanyalah perbedaan temperatur awal dan temperatur akhir sistem. Misalkan adalah temperatur awal dan adalah temperatur akhir dalam o C, sehingga untuk satuan kj/kg. o C, perbedaan suhunya adalah: Untuk temperatur dalam kelvin, temperatur awalnya adalah dan temperatur akhirnya sehingga untuk satuan kj/kg. o K, perbedaan suhunya adalah: sehingga 4. Berikan penjelasan untuk satuan kapasitas panas yang menggunakan basis molar! Kapasitas panas menggunakan basis molar untuk menghadapi permasalahanpermasalahan di bidang kimia yang seringkali lebih mudah diselesaikan dalam basis molar. Bergantung pula dengan tetapan nilai R yang digunakan. 5. Jelaskan mengapa ada diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air! Hal ini terjadi karena adanya kekhususan yang terjadi pada nilai C p air fase cair. Pada fase tersebut, air akan memiliki kapasitas panas yang lebih besar. Diskontinuitas disebabkan adanya usaha pembengkokan ikatan hidrogen saat kenaikan suhu pada H 2 O fase cair. Sehingga dibutuhkan lebih banyak energi untuk menaikkan suhu H 2 O fase cair, karena

4 sebagian energi terpakai untuk membengkokkan iktan hidrogen tersebut. Hal tersebut tidak ditemui pada H 2 O fase padat dan gas. 6. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas metana K menggunakan data yang ditampilkan! Untuk mempermudah perhitungan, maka kurva kapasitas panas tekanan konstan pada rentang K adalah linier (kondisi awalnya memang hampir linier) dengan kapasitas kalornya adalah 8.1 cal/mol K pada 300 K, dan 15 cal/mol K pada 800 K, sehingga panas yang dibutuhkan adalah : ( ) Terjadi diskontinuitas pada kurva H2O dikarenakan terjadi perubahan fase dari solid menjadi liquid, dan liquid menjadi gas. Dapat dilihat bahwa Cp H2O melonjak sangat tinggi saat perubahan fase dari solid menjadi liquid, dan diskontinu turun saat berubah fase menjadi gas. 7. Apakah anda pikir masuk akal mengasumsikan kapasitas panas yang konstan untuk rentang suhu menyeluruh? Masuk akal selama selama substansinya adalah gas monoatomik seperti yang terlihat pada gambar 3(a) untuk gas helium. 8. Bagaimana pendapat anda untuk gambar 3 (b)? Untuk volume konstan : ( ) Dengan menerapkan hukum I termodinamika

5 pada volume konstan sehingga dan persamaan menjadi: ( ) Untuk tekanan konstan : ( ) Dengan menerapkan hukum I termodinamika pada tekanan konstan sehingga dan persamaan menjadi: ( ) 9. Jelaskan energi internal molekul gas dalam hal mode yang berbeda gerak translasi,rotasi, dan mode getaran. Energi Translational : energi ini merupakan energi kinetik molekul gas karena mempunyai komponen kecepatan, semakin cepat pergerakan molekul, semakin besar energi dalamnya, karena itu kenaikan suhu dapat meningkatkan perubahan energi dalam yang diakibatkan oleh bertambah cepatnya molekul gas tersebut. Energi rotasional : energi ini juga merupakan energi kinetik molekul gas karena mempunyai komponen kecepatan. Namun energi tersebut hanya dimiliki oleh gas nonmonoatomik Energi vibrasional : energi tersebut juga berasal dari struktur molekul nonmonoatomik dalam bentuk getaran. 10. Gunakan diagram berikut untuk menunjukkan distribusi populasi boltzmann. Contoh sebaran populasi untuk getaran

6 Gambar. 1 sebaran Populasi Getaran Untuk rotasional, bentuknya seperti gelombang yang menuju kekanan seiring bertambahnya suhu, sedangkan pada tingkat electronic, sebarannya tidak teratur, tergantung apakah elektron tereksitasi atau tidak. 11. Untuk sistem tertutup, persamaan kesetimbangan energi diberikan,sangat menarik dan membantu unutk mengetahui bagaimana energi internal dan kapasitas panas yang ditentukan secara eksperimental,oleh karena itu, Jelaskanlah cara menerapkan persamaan untuk penentuan energi internal cairan menggunakan kalorimeter bom adiabatik ditunjukan dibawah ini! Neraca energi untuk sistem tertutup Karena pada kalorimeter bom adiabatik, W= 0 dan Q dari luar sistem juga bernilai 0. Sehingga 12. Salah satu kebutuhan untuk memahami konsep kekelan energi dan massa, dalam rangka unutk memahami bagaimana kalorimeter bekerja. Jelaskan sifat termodinamika yang disebutkan dalam pernyataan berikut dan menentukan nilai-nilai mereka untuk air sebagai bahan murni pada tekanan atmosfer.

7 Gambar. 2 Kurva Entalpi Air Sebagai Fungsi Temperatur 1. Kapasitas panas yang solid sebagai fungsi temperatur dari -10 sampai 0 dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan es dari -10 o C sampai 0 o C Tabel 2. Sifat Termodinamika Es Pada Suhu -10 o C samapi 0 o C No Sifat Keterangan Termodinamika 1 Temperatur Naik, 2 Tekanan Tetap, (101 kpa) 3 Energi dalam Meningkat seiring kenaikan suhu 4 Volume Meningkat seiring kenaikan suhu Spesifik 5 Entalpi Panas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkatseiringkenaikansuhu.

8 2. Panas mencairnya es pada 0 o C Tabel 3. Sifat Termodinamika mencairnya Es pada suhu 0 o C No Sifat Keterangan Termodinamika 1 Temperatur Tetap, yaitu 0 2 Tekanan Tetap,( 101 kpa) 4 Energi dalam Meningkat seiring kenaikan suhu 5 Volume Meningkat seiring kenaikan suhu Spesifik 6 Entalpi Panas tetap(kalor lebur), Tidak ada perubahan suhu,adanya perubahan Fase dari padat ke cair 7 Kapasitas Panas 8,712 J/(g mol) o C 3. Kapasitas panas cair sebagai fungsi temperature 0 o C sampai 100 o C dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air dari 0 o C sampai 100 o C. Tabel 4. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 0 o C sampai 100 o C No Sifat Keterangan Termodinamika 1 Temperatur Meningkat, 2 Tekanan Tetap,(101 kpa) 3 Energi dalam Meningkatseiringkenaikansuhu 4 Volume Spesifik Meningkatseiringkenaikansuhu 5 Entalpi Panas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkatseiringkenaikansuhu, 6 KapasitasPanas Meningkatkarenaterjadikenaikansuhu

9 4. Panaspenguapan air pada 100 o C Tabel 5. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 100 o C No Sifat Keterangan Termodinamika 1 Temperatur Tetap, yaitu Tekanan Tetap, (101 kpa) 3 Energidalam Meningkatseiringkenaikansuhu 4 Volume Spesifik Meningkatseiringkenaikansuhu 5 Entalpi.Panas tetap disebut kalor laten karena tidak ada perubahan fase 6 KapasitasPanas J/(g mol) o C 5. Kapasitas panas uap sebagai fungsi temperatur dari 100 o C 110 o C dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan uap jenuh pada 100 o C menjadi superheated steam pada 110 o C. Tabel 6. Sifat Termodinamika Uap Jenuh pada Suhu 100 o C menjadi steam pada suhu 110 o C. No Sifat Keterangan Termodinamika 1 Temperatur Meningkat, 2 Tekanan Tetap, (101kpa) 3 Energidalam Meningkat seiring kenaikan suhu 4 Volume Spesifik Meningkat seiring kenaikan suhu 5 Entalpi Panas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkat seiring kenaikan suhu 6 KapasitasPanas Meningkat seiring kenaikan suhu

10 13. Kukus (steam) masuk nozzle dari steam turbine dengan kecepatan 10 ft/sec pada tekanan 500 psia suhu 1000 o F. Tekanan dan suhu pada keluaran nozzle adalah 300 o F dan 1 atm. Tentukanlah kecepatan keluaran nozzle dan luas penampangnya. V 1 = 10 ft/sec P 1 = 500 psia T 1 = 100 F Steam P 2 = 1 atm T 2 = 300 F V 2 =? A 2 =? h 1 = btu/lbm v 1 = 1699 ft 3 /lbm h 2 = btu/lbm v 2 = ft 3 /lbm Gambar 3. Nozzle ( ) ( ) ( ) ( ) Dengan menggunakan persamaan kontinuitas maka luas penampangnya dapat dihitung sebagai berikut :

11 ( ) ( ) ( ) 14. Tangki pejal mempunyai volume 0,5 m 3 diisi dengan refrigerant 134a pada 0,5 Mpa, 50 o C. Selanjutnya zat ini dipanaskan sampai mencapai keadaan uap jenuhnya. Hitunglah kalor proses ini. Diketahui : Gambar 4. Boiler State 1 : - P 1 = 0.4 Mpa - T 1 = 50 o C - Volume = 0,5 m 3 - h 1 = kj/kg - u 1 = kj/kg - v 1 = m 3 /kg - m = 8,53 kg State 2 : saturated steam volume 0.5 m 3 u 2 = ( )/ x = kj/kg h 2 = kj/kg

12 15. Kukus (steam) masuk alat penukar panas (HE) pada 1,4 Mpa dan 300 o C dimana kukus terkondensasi pada keluaran beberapa tube-tube. Kukus yang terkondensasi meninggalkan HE sebagai cairan pada 1,4 Mpa dan 150 o C dengan laju alir 5000 kg/hr. Kukus dikondensasi oleh air yang lewat tube-tube. Air masuk HE pada 20 o C dan menyebabkan kenaikan suhu 20 o C pada sisi keluaran. Asumsikan HE dalam keadaan adiabatis dan jelaskanlah laju alir yang diperlukan. Steam P = 1.4 Mpa T = 300 o C = 5000 kg/h 1 water T=20 o C=293 K 4 2 T o C = 313 K 3 Kondensat T = 150 o C P = 1.4 Mpa =?? Gambar 5. Aliran Fluida Pada alat Penukar Panas C p = 4.18 kj/kg o C

13 h 1 = kj/kg h 3 = 630 kj/kg ( ) 16. Nitrogen cair disimpan dalam tangki logam 0,5 m3 yang diinsulasi dengan baik. Perkirakanlah proes pengisian tangki kosong yang awalnya mempunyai suhu 295 K. Nitrogen cair dicapai pada titik didih normal 77,3 K dan pada tekanan beberapa bar. Pada kondisi ini, entalpinya adalah -120,8 kj/kg. Saat katup dibuka, nitrogen mengalir masuk tangki saat evaporasi pertama kali terjadi dalam proses pendinginan tangki. Jika tangki mempunyai massa 30 kg dan logam mempunyai kapasitas panas spesifik 0,43 kj/kg.k. Menurut anda berapakah massa nitrogen yang harus mengalir masuk ke dalam tangki hanya untuk mendinginkannya ke suhu yang membuat nitrogen cair mulai terakumulasi di dalam tangki? Asumsikan bahwa nitrogen dan tangki selalu pada suhu yang sama. Sifat-sifat uap jenuh nitrogen (a saturated nitrogen vapor) pada beberapa suhu diberikan sebagai berikut : Tabel 7. Sifat-Sifat Uap Jenuh Nitrogen

14 T/K P/bar V v /m 3 kg -1 H v / kjkg ,396 0, ,9 85 2,287 0, ,3 90 3,600 0, ,398 0, , ,775 0, , ,83 0, , ,67 0, ,6 Diketahui : Volum tangki = 0,5 m3 H in = -120,8 kj/kg C = 0,43 kj/kg.k T 1 = 295 K Massa tangki = 30 kg Data untuk uap jenuh nitrogen : 80 1,396 0, ,287 0,1017 T = 90 K P = 3,600 bar V = 0,06628 m 3 /kg 95 5,398 0, ,775 0, ,83 0, ,67 0,01598

15 78,9 82,3 H = 85 kj/kg 86,8 87,7 87,4 85,6 Pada titik dimana nitrogen cair mulai terakumulasi di tangki, tangki tersebut diisi dengan uap nitrogen jenuh pada suhu akhir dan memiliki sifat-sifat berikut : m vap, T vap, V vap, H vap, U vap Dengan persamaan 2.29 dikalikan dengan dt,d(n t.u t ) H.dm = dq T mewakili tangki. H dan m mewakili aliran masuk. Karena di awal tangki dievakuasi, maka integrasi akan menghasilkan m vap.u vap H in.m vap = m tangki.c. (T vap T1) dan m vap = V tangki / V vap Selanjutnya kita dapat menghitung energi dalam sebagai berikut (U = H - PV)

16 56,006 59,041 U = 61,139 kj/kg 62,579 63,395 63,325 62,157 Jika data dicocokkan dengan cubic spline : Us = Ispline (T,U) Vs = Ispline (T,V) Uvap (t) = interp (Us, T, U, t) Vvap (t) = interp (Vs, T, V, t) Tvap = 100 K Dengan menyambungkan persamaan 1 dan 2 akan dihasilkan : Uvap (Tvap) Hin = mtangki. C. (T1-T vap ). V vap. (T vap ) / V tangki Tvap = Find (Tvap) mvap = Vtangki / Vvap (Tvap) Tvap = 97,924 K mvap = 13,821 kg 17. Gas metana dibakar dibakar secara sempurna dengan 30% udara berlebih pada tekanan atmosfer. Metana dan udara masuk tungku pada suhu 30 0 C jenuh dengan uap air, dan gas buang meninggalkan tungku pada C. Kemudian gas buang melewati penukar panas dan keluar dari HE pada 50 0 C. Dengan basis 1 mol metana, Hitunglah banyak panas yang hilang dari tungku, dan banyak panas yang ditransfer dalam penukar panas. Jawaban: Proses di tungku Basis : 1 mol CH4 and 30% udara berlebih

17 Jumlah mol metana = 1 mol Jumlah mol oksigen = 130% x 2 x 1 mol = 2,6 mol Jumlah mol nitrogen = 79/21 x 2,6 mol = 9,78 mol Jumlah mol semua gas kering = n CH4 + n O2 + n N2 = 1+2,6+9,78 mol = 13,38 mol Tekanan uap air pada suhu 30 0 C = 4,241 kpa, maka jumlah uap air yang masuk ke sistem = n v = 4,241 / (101 4,241) x 13,38 mol = 0,585 mol Hasil Produk CO 2 = 1 mol H 2 O = 2 + 0,585 mol = 2,585 mol O 2 = 2,6 2 mol = 0,6 mol N 2 = 9,78 mol Neraca Energi di tungku : Q = H = H298 + Ahp 1 5,457 1,045-1,157 n = 2,585 A = 3,470 B = 1,450 x10-3 D = 0,121x10 5 0,6 3,639 0,506-0,227 9,78 3,280 0,593 0,040 i = 1,2,3,4 R = 8,314 J/K.mol Total nilai MCPH dari produk : MCPH (303,15, 1773,15, 48,692, 10, , 0,0, -0, ) = 59,89511

18 AHp = R. MCHP (1773,15 303,15) AH298 = (-393, x(-241,818) (-74,520) Joule = -802,625 Jolue Q = Hp + H298 = J Alat Penukar Panas Flue gas mengalami pendinginan dari C ke 50 0 C. Tekanan parsial dari air di flue gas yang meninggalkan tungku adalah : P = (n 2 ) / (n 1 + n 2 + n 3 + n 4 ). 101,325 = 18,754 kpa Tekanan uap air pada 50 0 C adalah 12,34 kpa dan air akan mencair untuk menurunkan tekanan parsialnya sampai titik ini Jumlah mol gas kering menjadi : n = n 1 +n 3 +n 4 n = 11,38 Jumlah mol uap air yang meninggalkan alat penukar panas : n 2 = 12,34 / (101,325 12,34). n n 2 = 1,578 Jumlah mol air berkondensasi : n = 2,585 1,578 Kalor laten air pada suhu 50 0 C adalah 2382,9 x 18,015 Panas sensible dari proses pendinginan flue gas ke suhu 50 0 C dengan semua air sebagai uap : MCPH (303,15, 1773,15, 48,692, 10, , 0,0, -0, ) = 59,89511 Q = R. MCHP (323, ,15) n. AH50 Q = Joule

19 DAFTAR PUSTAKA Boles, Michael, Cengel, Yunus. Thermodynamics an Engineering Approach. Fifth Edition Smith, J.M, Van Ness. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill Moran, Michael, Shapiro, Howard Fundamentals of Engineering Thermodynamics. US : John Wiley