MAKALAH TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Disusun Oleh : Kelompok
: 12
Nama Mahasiswa
: Hari Purnama Hendrik Rahganda Siti Zunuraen
(1206202015) (1206261264) (1206261182) (1206202072)
Departemen Teknik Kimia FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, 2014
Jawaban Pemicu 2 : Hukum Pertama Termodinamika MA Termodinamika Teknik Kimia – 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. Jawaban : 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. Jawaban : Ada dua jenis kapasitas panas, yaitu kapasitas panas volume konstan dan tekanan konstan. Definisi untuk volume konstan : ( Definisi untuk tekanan konstan :
Termodinamika Teknik Kimia
)
(
)
3. Jelaskanlah mengapa kedua satuan yang diberikan dapat identik! Jawaban : Yang diperhitungkan dalam kapasitas panas hanyalah perbedaan temperatur awal dan temperatur akhir sistem. Misalkan
adalah temperatur awal dan
adalah temperatur akhir
dalam oC, sehingga untuk satuan kJ/kg.oC, perbedaan suhunya adalah:
Untuk temperatur dalam kelvin, temperatur awalnya adalah temperatur akhirnya
dan
o
sehingga untuk satuan kJ/kg. K, perbedaan suhunya
adalah:
sehingga
4. Berikan penjelasan untuk satuan kapasitas panas yang menggunakan basis molar! Jawaban : 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! Jawaban : Hal ini terjadi karena adanya kekhususan yang terjadi pada nilai Cp 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 H2O fase cair. Sehingga dibutuhkan lebih banyak energi untuk menaikkan suhu H2O fase cair, karena Termodinamika Teknik Kimia
sebagian energi terpakai untuk membengkokkan iktan hidrogen tersebut. Hal tersebut tidak ditemui pada H2O fase padat dan gas. 6. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas metana 300-800K menggunakan data yang ditampilkan! Jawaban : Untuk mempermudah perhitungan, maka kurva kapasitas panas tekanan konstan pada rentang 300- 800 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? Jawaban : 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)? Jawaban : Untuk volume konstan : ( Dengan menerapkan hukum I termodinamika
Termodinamika Teknik Kimia
)
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. Jawaban : 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. Jawaban : Contoh sebaran populasi untuk getaran
Termodinamika Teknik Kimia
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! Jawaban : 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. Jawaban :
Termodinamika Teknik Kimia
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 -10oC sampai 0oC Tabel 2. Sifat Termodinamika Es Pada Suhu -10oC samapi 0oC No
Sifat
Keterangan
Termodinamika 1
Temperatur
2
Tekanan
Tetap, (101 kPa)
3
Energi dalam
Meningkat seiring kenaikan suhu
4
Volume
Meningkat seiring kenaikan suhu
Naik,
Spesifik 5
Entalpi
Panas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkatseiringkenaikansuhu.
Termodinamika Teknik Kimia
2. Panas mencairnya es pada 0oC Tabel 3. Sifat Termodinamika mencairnya Es pada suhu 0oC 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
8,712 J/(g mol)oC
Panas 3. Kapasitas panas cair sebagai fungsi temperature 0oC sampai 100oC dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air dari 0oC sampai 100oC. Tabel 4. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 0oC sampai 100oC No
Sifat
Keterangan
Termodinamika 1
Temperatur
2
Tekanan
Tetap,(101 kPa)
3
Energi dalam
Meningkatseiringkenaikansuhu
4
Volume Spesifik
Meningkatseiringkenaikansuhu
5
Entalpi
Panas sensible(tidak ada perubahan
Meningkat,
fase) meningkatseiringkenaikansuhu, 6
KapasitasPanas
Termodinamika Teknik Kimia
Meningkatkarenaterjadikenaikansuhu
4. Panaspenguapan air pada 100oC Tabel 5. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 100oC No
Sifat
Keterangan
Termodinamika 1
Temperatur
Tetap, yaitu 100
2
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
29.386 J/(g mol)oC
5. Kapasitas panas uap sebagai fungsi temperatur dari 100oC – 110oC dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan uap jenuh pada 100oC menjadi superheated steam pada 110oC. Tabel 6. Sifat Termodinamika Uap Jenuh pada Suhu 100oC menjadi steam pada suhu 110oC. No
Sifat
Keterangan
Termodinamika 1
Temperatur
2
Tekanan
Tetap, (101kpa)
3
Energidalam
Meningkat seiring kenaikan suhu
4
Volume Spesifik
Meningkat seiring kenaikan suhu
5
Entalpi
Panas sensible(tidak ada perubahan
Meningkat,
fase) meningkat seiring kenaikan suhu 6
KapasitasPanas
Termodinamika Teknik Kimia
Meningkat seiring kenaikan suhu
13. Kukus (steam) masuk nozzle dari steam turbine dengan kecepatan 10 ft/sec pada tekanan 500 psia suhu 1000oF. Tekanan dan suhu pada keluaran nozzle adalah 300oF dan 1 atm. Tentukanlah kecepatan keluaran nozzle dan luas penampangnya. Jawaban :
V1 = 10 ft/sec P1 = 500 psia T1 = 100 F
P2 = 1 atm T2 = 300 F V2 = ? A2 = ?
Steam
Gambar 3. Nozzle h1 = 1520.3 btu/lbm v1 = 1699 ft3 /lbm h2 = 1192.6 btu/lbm v2 = 1109.6 ft3 /lbm ̇ ̇ (
)
̇ (
̇ ̇
)
̇
(
)
̇
(
)
Dengan menggunakan persamaan kontinuitas maka luas penampangnya dapat dihitung sebagai berikut : ̇ Termodinamika Teknik Kimia
̇
̇
̇
(
) (
)(
)
14. Tangki pejal mempunyai volume 0,5 m3 diisi dengan refrigerant 134a pada 0,5 Mpa, 50 o
C. Selanjutnya zat ini dipanaskan sampai mencapai keadaan uap jenuhnya. Hitunglah kalor
proses ini. Jawaban :
Gambar 4. Boiler Diketahui : State 1 : State 2 : -
P1 = 0.4 Mpa
saturated steam
o
-
T1 = 50 C
-
Volume = 0,5 m3
-
h1 = 293.59 kj/kg
-
u1 = 265.83 kj/kg 3
-
v1= 0.05859 m /kg
-
m = 8,53 kg
Termodinamika Teknik Kimia
volume 0.5 m3 u2 = (- 0.0589 – 0.0525)/ 0.0075 x 2.19 +231.46= 229.68 kj/kg h2= 249.96 kj/kg
15. Kukus (steam) masuk alat penukar panas (HE) pada 1,4 Mpa dan 300 oC dimana kukus terkondensasi pada keluaran beberapa tube-tube. Kukus yang terkondensasi meninggalkan HE sebagai cairan pada 1,4 Mpa dan 150 oC dengan laju alir 5000 kg/hr. Kukus dikondensasi oleh air yang lewat tube-tube. Air masuk HE pada 20 oC dan menyebabkan kenaikan suhu 20 o
C pada sisi keluaran. Asumsikan HE dalam keadaan adiabatis dan jelaskanlah laju alir yang
diperlukan. Jawaban : Steam P = 1.4 Mpa T = 300 oC ̇ = 5000 kg/h 1 2 T1+20 oC = 313 K
water o T=20 C=293 K
4 3 Kondensat T = 150 oC P = 1.4 Mpa ̇ = ??
Gambar 5. Aliran Fluida Pada alat Penukar Panas
Cp = 4.18 kj/kgoC
Termodinamika Teknik Kimia
h1 = 3041.6kj/kg h3 = 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 Termodinamika Teknik Kimia
T/K
P/bar
Vv/m3kg-1
Hv / kJkg-1
80
1,396
0,1640
78,9
85
2,287
0,1017
82,3
90
3,600
0,06628
85
95
5,398
0,04487
86,8
100
7,775
0,03126
87,7
105
10,83
0,02223
87,4
110
14,67
0,01598
85,6
Jawaban : Diketahui : Volum tangki = 0,5 m3
Hin = -120,8 kJ/Kg
T1 = 295 K
Massa tangki = 30 kg
C = 0,43 kJ/Kg.K
Data untuk uap jenuh nitrogen :
T=
80
1,396
0,1640
85
2,287
0,1017
90
K
P =
3,600
bar
V = 0,06628 m3/kg
95
5,398
0,04487
100
7,775
0,03126
105
10,83
0,02223
110
14,67
0,01598
Termodinamika Teknik Kimia
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 : mvap, Tvap, Vvap, Hvap, Uvap Dengan persamaan 2.29 dikalikan dengan dt,d(nt.Ut) – H.dm = dQ T mewakili tangki. H dan m mewakili aliran masuk. Karena di awal tangki dievakuasi, maka integrasi akan menghasilkan mvap.Uvap – Hin.mvap = mtangki.C. (Tvap – T1) dan mvap = Vtangki / Vvap Selanjutnya kita dapat menghitung energi dalam sebagai berikut (U = H - PV)
Termodinamika Teknik Kimia
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-Tvap) . Vvap . (Tvap) / Vtangki 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 300C jenuh dengan uap air, dan gas buang meninggalkan tungku pada 15000C. Kemudian gas buang melewati penukar panas dan keluar dari HE pada 500 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
Termodinamika Teknik Kimia
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 = nCH4 + nO2 + nN2 = 1+2,6+9,78 mol = 13,38 mol Tekanan uap air pada suhu 300C = 4,241 kPa, maka jumlah uap air yang masuk ke sistem = nv = 4,241 / (101 – 4,241) x 13,38 mol = 0,585 mol Hasil Produk CO2 = 1 mol H2O = 2 + 0,585 mol = 2,585 mol O2 = 2,6 – 2 mol = 0,6 mol N2 = 9,78 mol Neraca Energi di tungku : Q = H = H298 + Ahp 1 n=
2,585
5,457 A = 3,470
1,045 B = 1,450 x10-3
-1,157 0,121x105
D=
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 , 10,897.10-3 , 0,0 , -0,5892.105) = 59,89511 Termodinamika Teknik Kimia
AHp = R . MCHP (1773,15 – 303,15) AH298 = (-393,509 + 2x(-241,818) – (-74,520) Joule = -802,625 Jolue Q = Hp + H298 = -70.612 J Alat Penukar Panas Flue gas mengalami pendinginan dari 15000C ke 500C. Tekanan parsial dari air di flue gas yang meninggalkan tungku adalah : P = (n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) . 101,325 = 18,754 kPa Tekanan uap air pada 500C adalah 12,34 kPa dan air akan mencair untuk menurunkan tekanan parsialnya sampai titik ini Jumlah mol gas kering menjadi : n = n1+n3+n4
n = 11,38
Jumlah mol uap air yang meninggalkan alat penukar panas : n2 = 12,34 / (101,325 – 12,34) . n Jumlah mol air berkondensasi :
n2 = 1,578
n = 2,585 – 1,578
Kalor laten air pada suhu 500C adalah 2382,9 x 18,015 Panas sensible dari proses pendinginan flue gas ke suhu 500C dengan semua air sebagai uap : MCPH (303,15 , 1773,15 , 48,692 , 10,897.10-3 , 0,0 , -0,5892.105) = 59,89511 Q = R . MCHP (323,15 - 1773,15) – n . AH50 Q = -766.677 Joule
Termodinamika Teknik Kimia
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,
Thermodynamics. US : John Wiley
Termodinamika Teknik Kimia
Shapiro,
Howard.
2010.
Fundamentals
of
Engineering