AZAS TEKNIK KIMIA (NERACA ENERGI) PRODI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

Transkripsi

1 AZAS TEKNIK KIMIA (NERACA ENERGI) PRODI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2 KESETIMBANGAN ENERGI Konsep dan Satuan Perhitungan Perubahan Entalpi Penerapan Kesetimbangan Energi Umum tanpa terjadinya reaksi kimia Kesetimbangan Energi Mekanis Grafik Kelembapan dan Penggunaannya

3 KONSEP DAN SATUAN Menjelaskan konsep dari energi, sistem, lingkungan, jenis-jenis sistem, jenis-jenis energi Memilih sistem yang sesuai untuk memecahkan masalah baik sistem tertutup maupun terbuka, keadaan steady state, unsteady state, dan menetapkan batasan sistem Membedakan jenis energi potensial, kinetik, dan internal Menyatakan kesetimbangan energi dalam kata-kata dan enulis kesetimbangan tersebut dalam simbol matematis untuk sistem terbuka maupun tertutup

4 KONSEP POKOK Sistem merupakan sembarang massa materi atau bagian peralatan tertentu pada apa kita harus mencurahkan perhatian kita. Suatu sitem dipisahkan dengn lingkungan oleh suatu batas sistem Lingkungan adalah segala sesuatu yang berada di luar sistem Batas sistem merupakan suatu permukaan yang memisahkan antara sistem dengan lingkungan.

5 MACAM SISTEM Sistem Tertutup Sistem Terbuka

6 MACAM SISTEM Sistem terbuka (sistem aliran) merupakan sistem dimana memungkinkan terjadinya pertukaran massa maupun energi antara sistem dengan lingkungan Sistem tertutup (sistem non-aliran) Merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran massa antara sistem dan lingkungan namun masih memungkinkan terjadinya pertukaran energi

7 PROPERTY SYSTEM Property merupakan segala variabel/parameter yang dapat diamati maupun diukur dari suatu sistem. Misalnya: tekanan, temperatur, volume, dll Berdasarkan ukurannya dibagi menjadi dua yaitu sifat intensif (intensif property) dan sifat ekstensif (ekstensif property) Sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuran sistem sedangkan sifat ekstensif dipengaruhi oleh ukuran sistem Contoh sifat intensif: temperatur, tekanan, densitas, dll. Contoh sifat ekstensif: massa, volume, dll

8 Energi Dua jenis energi berpindah antara sistem dan lingkungan tanpa menyertai perpindahan massa yaitu Kerja dan Panas (kalor) Kerja (work) adalah suatu bentuk energi yang menunjukkan perpindahan (transfer) antara sistem dan lingkungannya. Kerja merupakan energi yang tidak dapat disimpan. Besarnya kerja oleh gaya mekanis: keadaan 2 W= F. ds keadaan 1 dimana F adalah gaya, ds adalah perpindahan Tanda W positif (+) kerja jika dilakukan pada sistem dan W negatif (-) jika sistem melakukan kerja

9 Kerja Karena kerja bergantung pada lintasan yang diambil maka kerja merupakan fungsi lintasan (path function) Contoh: kerja mekanis pada piston suatu gas ideal pada 300 K dan 200 Kpa berada didalam silinder tertutup dan tanpa gesekan. Gas tersebut menekan piston sehingga secara perlahan volume mengembang dari 0,1 m3 ke 0,2 m3. hitung kerja gas pada piston jika digunakan dua lintasan yang berbeda:

10 Jawab Lintasan A (tekanan konstan) : karena kerja dilakukan oleh sistem (gas) maka W bertanda negatif

11 GRAFIK P-V

12 Lintasan B (suhu konstan) kerja dalam proses isotermal (suhu konstan): Dengan n untuk gas ideal Sehingga kerja:

13 KALOR (HEAT) Kalor (Heat, panas) merupakan bagian dari energi yang mengalir melintasi batas sistem yang disebabkan oleh perbedaan suhu antara sistem dan sekitarnya Kalor merupakan energi yang tidak dpat disimpan Tanda untuk aliran kalor: positif (+) jika mengalir masuk ke dalam sistem dan negatif (-) jika mengalir keluar sistem Besarnya energi kalor yang mengalir: Q= U. A. ΔT U adalah koefisien heat transfer A adalah luas area perpindahan panas ΔT adalah beda temperatur

14 ENERGI KINETIK Energi kinetik (KE) adalah energi yang dimiliki oleh suatu sistem karena kecepatannya relatif terhadap sekitarnya Besarnya K dapat dihitung: atau energi persatuan massa (spesifik energi kinetik)

15 Contoh soal: air dipompa dari sebuah tangki penyimpanan ke dalam pipa berdiameter dalam 3 cm pada laju 0,001 m3/s. berapa energi kinetik spesifiknya? Jawab: Asumsi bahwa ρ air = 1000 kg/m3 ; r pipa = 1,5 cm

16 ENERGI POTENSIAL Energi potensial (PE) adalah energi yang dimiliki oleh suatu sistem karena kedudukannya (ketinggian) dari suatu permukaan (referensi) Besarnya energi potensial dapat dihitung: PE = m. g. h atau spesifik energi potensial:

17 Contoh soal: Air dipompa dari sebuah reservoir ke yang lainny sejauh 300 ft. permukaan air dalam reservoir kedua adalah 40 ft. berapa kenaikan energi potensial spesifik dari air tersebut dalam Btu/lbm?

18 ENERGI INTERNAL Energi internal (U) merupakan pengukuran dari melekuler, atomik, dan subatomik, yang semuanya mengikuti kaidah konservasi mikroskopik tertentu Energi internal merupakan fungsi dari T dan V, sehingga: U = U(T,V) Dimana merupakan kapasitas panas Cv

19 ENTALPI Entalpi merupakan kombinasi dari dua variabel energi yang dapat diformulasikan: H = U + PV dengan P adalah tekanan, dan V adalah volume Entalpi persatuan massa merupakan fungsi suhu dan tekanan Entalpi (H) dan internal energi (U) merupakan fungsi keadaan

20 NERACA ENERGI CLOSED SISTEM (TANPA REAKSI KIMIA)

21 NERACA ENERGI SISTEM TERBUKA (TANPA REAKSI KIMIA)

22 contoh soal: 1. Berapakah perubahan energi internal bila 10 kgmol udara didinginkan dari suhu 60 C hingga 30 C pada volume konstan? Cv=2,1 x 10 4 j/mol.k 2. Lihat gambar berikut pada lintasan (A atau B) manakah yang memiliki U terbesar?

23 3. Lihat gambar berikut: manakah yang memiliki ABD atau ACP? terbesar, lintasan 4. Berapakah perubahan entalpi bila 10 kgmol udara didinginkan dari suhu 60 C hingga 30 C pada tekanan konstan? Cp gas ideal =Cv +R

24 Gas N2 di dalam silinder pada P 200 kpa dan T 80 C. Gas didinginkan hingga P 190 kpa dan T 30 C. Berapa besar kerja yang telah dilakukan oleh gas Hitung besarnya kerja untuk masing-masing stage: Selesaikan:

25 ENERGI BALANCE, OPEN SISTEM (UNSTEADY STATE)

26 ENERGI BALANCE, OPEN SISTEM (STEADY STATE)

27 ENTALPI Entalpi suatu unsur dalam fase tunggal (tidak terjadi perubahan fase) dapat dihitung menggunakan kapasitas kalor: ΔH = T2 T1 C p dt satuan Cp adalah Kj/kg mol.k atau BTU/lb mol. 0 F besarnya Cp padat, cair, maupun gas merupakan fungsi dari temperatur: Cp = a + bt + ct 2 - dimana T suhu dalam C, K, R, F bila diintegralkan persamaan entalpi menjadi:

28 KAPASITAS KALOR GAS IDEAL Kapasitas panas campuran gas ideal:

29 GRAFIK Cp GAS kurva kapasitas panas gas hasil pembakaran

30 CONTOH SOAL Diketahui data kapasitas kalor untuk CO2: a = x 10 4 b = c = x Susunlah pers. Cp (j/kg mol.δk) dari data diatas? -konversikan pers. Cp tersebut dalam satuan (Btu/Lb mole. 0 F) Jawab - Persamaan Cp: - J/kmol.K

31 Untuk mengkonversi dari satuan j/kg mole.k ke satuan J/lb mole.f dengan mengalikan rus kiri : kemudian subtitusikan hub. Antara T kelvin dan T fahrenheit pada suku T pada Cp: sehingga Cp dalam Btu/Lb mole. F:

32 Contoh: konversi buangan padat menjadi gas yang tidak berbahaya dapat dikerjakan melalui pembakaran sampah. Namun gas buangan harus di dinginkan atau diencerkan dengan udara. Studi kelayakan ekomomi menunjukkan bahwa sampah padat kota dapat dibakar menjadi gas dengan komposisi berikut: CO2 9.2% CO 1.5% O2 7.3% N2 82% berapa perubahan entalpi untuk gas ini per lb mol antara bagian atas dan bawah cerobong jika suhu bagian bawah cerobong 550 F dan bag. atas 200 F?

33 Basis 1 lb mol gas Persamaan Cp (Btu/Lb mole.f) Persamaan Cp dikalikan dengan mol fraksi:

34

35 PENGGUNAAN TABEL UAP Uap didinginkan dari 640 F dan 92 psia sampai 480 F dan 52 psia. Berapa ΔH dalam Btu/lb? Untuk memperoleh entalpi maka harus dilakukan interpolasi tabel uap:

36 APLIKASI ENERGI BALANCE TANPA TERJADINYA REAKSI Closed sistem. Untuk sistem tertutup dimana tidak ada aliran m1=m2 =0 sehingga jika tidak ada akumulasi : Open sistem dengan heat transfer (steady sate): dengan EK, Ep, W lebih kecil daripada ΔH sehingga dapat diabaikan (contoh: sistem heat exchanger)

37 Open steady state sistem no heat transfer contoh: aplikasi perhitungan pompa

38 Analisa energi balance Soal: Lakukan analisa energi balance untuk menghitung perubahan entalpi dari masingmasing segmen

39 Air sedang dipompa dari dasar sumur dengan kedalaman 15 ft pada laju 200 gal/hr ke dalam tangki penyimpanan yang berada 165 ft di atas permukaan tanah. Untuk mencegah pembekuan sebuah kalor dipasok sebesar btu/jam ke dalam air selama perpindahannya dari sumur ke tangki. Klor hilang dari sistem sebesar Btu/jam. Jika suhu air dari sumur 35 F dan daya pompa 2 hp dengan efisiensi 55%, berapa suhu air masuk tangki?

40 SKETSA SISTEM

41 SOAL Uap memasuki peti uap, yang terpisah dari biomassa tersebut, dalam sebuah reaktor, pada 250 C jenuh. Dan diembunkan dengan sempurna dalam peti uap. Laju kehilangan kalor dari peti ke sekitarnya 1.5 kj/s. reaktan diletakkan dalam wadah pada suhu 20 C dan pada akhir pemanasan materi tersebut pada suhu 100 C. jika beban terdiri dari 150 kg materi dengan Cp 3.26 J/g.K. berapa kg uap yang dibutuhkan per Kg beban? Materi tetap di wadah reaksi selama 1 jam

42 Sketsa sistem