TUGAS TERMODINAMIKAPEMICU 2

Oleh :ANDREW FAGUH SITANGGANG120425002Kelompok :ANDREW FAGUH SITANGGANG120425002AZARIA ROBIANA 120425002 M YASIN NAHAR 120425020JANUAR SASMITRA120425022DEPARTEMEN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SUMATERA UTARAMEDAN2014GAS IDEAL

Gas terdiri atas molekul-molekul gas yang jarak antar molekulnya besar dan bebas bergerak ke segala arah sehingga selalu memenuhi ruangan yang ditempati. Bila kita menekan gas sambil menjaga temperaturnya supaya konstan, maka kita akan menemui suatu keadaan bahwa tekanan bertambah bila volume berkurang. Demikian pula, bila kita menyebabkan gas memuai pada temperatur konstan, tekanannya akan berkurang bila volumenya bertambah. Dengan pendekatan yang baik, takanan gas berubah secara terbalik dengan volumenya. Ini berarti bahwa pada temperatur konstan hasil kali tekanan dan volume gas adalah konstan. Hasil ini ditemukan secara eksperimen oleh Robert Boyle (1627-1691). Hal di atas sering dikenal sebagai hukum Boyle, atau secara matematis bisa dinyatakan sebagai berikut :PV=konstan temperatur konstan Hukum ini berlaku untuk hampir semua gas dengan kerapatan rendah. Gas ideal itu sendiri sebenarnya memiliki anggapan dasar diantaranya adalahsebagai berikut :a) Gas ideal terdiri atas pertikel-pertikel dalam jumlah yang sangat banyak.b) Partikel-partikel gas ideal senantiasa bergerak bebas dengan arah sembarang.c) Partikel-partikel gas ideal tersebar merata dalam ruang.d) Jarak antara partikel-partikel gas ideal jauh lebih besar dibandingkan ukuran partikel-partikelnya dapat diabaikan.e) Tidak ada gaya antara patrikel yang satu deangan yang lainnya, kecuali bila terjadi tumbukan.f) Tumbukan yang terjadi antara partikel dengan partikel atau partikel dengan dinding adalah tumbukan lenting sempurna.g) Berlaku padanya hukum-hukum Newton tentang gerak.Pada gas ideal juga berlaku persamaan :PV=NkT

Dimana, P merupakan tekanan gas, V merupakan volume gas, T merupakan suhu mutlak gas (K), N merupakan jumlah molekul gas, sedangkan konstanta k dinamakan konstanta Boltzman. Secara eksperimen ditemukan bahwa konstanta ini mempunyai nilai yang sama untuk tiap jenis atau tiap jumlah gas. Dalam sistem SI nilainya adalahk=1,381 x 10 -23 J/KSeringkali jumlah gas biasa disamakan dengan jumlah mol. Satu mol sebuah zat adalah jumlah zat tersebut mengandung atom-atom atau molekul-molekul sejumlah bilangan Avogadro . Bilangan Avogadro ini didefinisikan sebagai jumlah atom karbon dalam 12 gram 12C. Nilai bilangan Avogadro adalah 6,022 x 1023.

PROSES PROSES PADA HUKUM TERMODINAMIKA I Proses Isobarik Merupakan proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap. Persamaan keadaan untuk proses isobarik ( P tetap) adalah :

Ket : V= VolumeT= Temperatur

Gambar 1.Proses Isobarik Proses isokhorik Proses isokhorik atau proses isovolum adalah proses perubahan gas pada suhu tetap, persamaan keadaan untuk proses isokhorik (V tetap ) adalah :

Gambar 2. Proses IsovolumDalam proses isokhorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem selalu konstan, maka sistem tidak melakukan kerja pada lingkungan. Demikian sebaliknya, lingkungan tidak melakukan kerja pada sistem.

Proses Isotermal Proses Isotermal adalah proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Persamaan keadaan untuk proses isotermal adalah :

Gambar 3.Proses Isovolum

Proses AdiabatikProses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan. Proses adiabatik terjadi jika sistem terisolasi dengan baik atau proses terjadi dengan sangat cepat sehingga kalor yang mengalir dengan lambat tidak memiliki waktu untuk mengalir masuk atau keluar sistem. Hubungan antara tekanan dan volume pada proses adiabatik dinyatakan dalam rumus Poisson berikut:

Pada proses adiabatic dQ = 0 karena tidak ada perpindahan panas dari system ke lingkungan.

NERACA ENERGI SISTEM TANPA REAKSI KIMIA

Dalam persamaan neraca energi dalam suatu system diperlukan harga entalpi dan energi dalam dimana harga ini merupakan sifat makroskopik sistem yang ditentukan pada keadaan awal dan akhir suatu proses. Ada pertanyaan yang harus dijawab ketika menyelesaikan persoalan neraca energi iaitu: Apakah sifat makroskopis H dan U adalah fungsi ? Bila H dan U merupakan fungsi yang selalau diperoleh, bagaimana menggunakannya? Bagaimana saling ubah perhitungan antara H dan U ?Saling ubah antara suhu, tekanan, komposisi fase, entalpi dan energi dalam pada umumnya rumit. Dalam peneracaan energi ada beberapa anggapan yaitu:1. Fase sistem selalu diketahui2. Pengaruh tekanan pada H dan U dibaikan.3. Semua campuran adalah ideal.

Neraca Energi menggunakan Data Tabel TermodinamikaAir adalah zat yang paling sempurna diketahui dan telah ditabelkan fungsi entalpi dan energi dalam. Air dapat dalam fase padat, cair atau uap dan pada kondisi tertentu diperoleh dalam kesetimbangan. Tabel uap dapat disajikan dalam tiga model yaitu tabel temperatur uap jenuh, tabel tekanan uap jenuh dan tabel uap lewat jenuh (superheated).

Contoh Soal 1a. Hitung entalpi 1 kg air jenuh 80oC dan tentukan tekanan uap.b. Hitung entalpi 10 kg uap jenuh 1,0 bar dan tentukan volume spasifikc. Hitung energi dalam 1 kg uap jenuh pada volume spasifik 2,20 m3/kgd. Hitung entalpi 100 kg uap pada 20 bar dan 500oC, dan hitung derajat superheatednya

Penyelesaian:Buka tabel uap :a. Pada suhu 80oC, P uap jenuh = 0,4736, entalpi spesifik = 334,9 kJ/kg. Entalpi 1 kg adalah 334,9 kJb. Pada 1 bar uap jenuh, entalpi spesifik uap jenuh 2675,4 kJ/kg, spesifik volume 1,694 m3/kg. Entalpi 10 kg uap = 26.754 kJc. Volume adalah variabel keadaan independen, cari volume spesifik 2,20 pada tabel uap, diperoleh suhu januh 92oCd. Pada 20 bar, temperatur jenuhnya = 212,4oC (Tabel uap), pada soal disebut suhu uap 500oC, maka derajat lewat jenuh = 500 212,4 = 287,6oC. Untuk menentukan entalpi spesifik buka tabel uap lewat jenuh, 20 bar dan 500oC diperoleh entalpi spesifik 3467 kJ/kg, maka entalpi 100 kg adalah 346.700 kJ

Bila data yang diinginkan berada pada antara dua buah harga di tabel, maka data yang diinginkan harus diinterpolasi. Contoh lihat tabel berikut:P(bar)Simbol interpolasiH (kJ/kg)Simbol interpolasi

100xU2727,7yU

103xi?yi

105xL2718,7yL

Rumus interpolasi adalah:

atau:

Contoh soal 2Tentukan entalpi spesifik dan volume spesifik uap pada 5 bar dan 320oC.Penyelesaian:Pada 5 bar, temperatur jenuh 151,8oC (tabel uap), pada kondisi di atas, uap keadaan lewat jeuh. Dari tabel uap lewat jenuh data yang diperoleh adalah untuk suhu 300 dan 350oC, untuk mengestimasi V dan H digunakan intrpolasi.suhuHV

30030650.522

320HiVi

35031680.571

Dengan menggunakan rumus interpolasi maka diperoleh:Hi = 3106,2 kJ/kg (gunakan Excel)Vi = 0,542 m3/kg

Kualitas UapDalam proses teknik kimia sering dijumpai campuran uap dan cairan. Ini berarti bahwa campuran dalam keadaan jenuh. Fraksi uap jenuh dalam campuran uap cair disebut kualitas uap (X). Bila X = 0 berarti semua cairanX = 1 berarti semua uapSifat-sifat campuran uap dan cair dapat dihitung menurut rumus berikut: Contoh 3Hitung P, V, H dan U untuk uap basah pada 230oC dan kualitas 0,4Penyelesaian:Dari tabel uap jenuh diperoleh:

Dengan menggunakan rumus diatas, maka diperoleh:

Contoh 4Bejana 0,3 m3 berisi 10 kg air pada P 60 bar. Hitung T, X dan H campuran air-uap.

Penyelesaian:Volume spesifik isi bejana adalah: 0,3 m3/10 kg = 0,03 m3/kg.Pada 60 bar, diperoleh Vuap = 0,001319 dan Vair = 0,034, maka dapat dihitung kualitas uapJadi uap sebanyak 92,3% dan cairan = 7,7%. Entalpi campuran adalaH:

Aplikasi Neraca Energi dalam Sistem TertutupPersamaan neraca energi dapat ditulis dalam bentuk:Sering energi kinetik dan potensial diabaikan, maka persamaan menjadi: Dalam sistem tertutup, usaha dapat dinyatakan dalam kompresi atau ekspansi, sehingga persamaan dapat ditulis dalam bentuk:Bila P konstan, maka dan entalpi dapat ditulis dalam bentuk .

Contoh 51 kg uap pada 1 bar, diisi ke dalam silinder dengan luas penampang 1,69 m3, anggap tutup mudah berberak dan tidak ada kebocoran. Silinder dipanaskan secara eksternal sehigga suhu bertambah dari 100 menjadi 300oC. Anggap tidak ada panas hilang ke lingkungan, hitung banyaknya panas yang diperlukan untuk proses ini.

Penyelesaian:Untuk sistem tertutup berlaku :Pada kasus ini energi kinetik = 0, ada perubahan ketinggian karena ekspansi tutup silinder. Untuk tabel uap lewat jenuh, pada 100oC dan 1 bar, entalpi uap 2676 kJ/kgdan spesifik volume 1,69 m3/kg semetara pada 300oC dan 1 bar, speseifik entapi = 3074 J/kg dan volume spesifik = 2,64 m3/kg. Dengan menggunakan neraca di atas dapat dihitung:Pusat ketinggian massa silinder adalah z = L/2 = V/A, diperoleh:Jelas disini bahwa energi potensial tidak signifikan. Selama proses sistem melakukan usaha ekspansi, maka usaha dapat dihitung dengan menggunakan rumus:dimana P = konstan.jadi total energi yang ditransfer ke sistem sebagai panas (398 kJ), sekitar (95 kJ) dikonsumsi oleh sistem dalam usaha ekspansi. Energi dalam sistem naik yaitu:

Contoh 61 kg uap pada 100oC dan 1 bar di isi dalam suatu bejana bertekanan. Berapa panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu uap dalam bejana menjadi 300oC, dan berapa tekanan akhir.Penyelesaian:Anggapan: - tidak ada uap yang hilang- proses volume konstan (tak ada perubahan volume bejana) tidak ada panas yang hilang ke lingkunganDengan anggapan tersebut neraca energi dapat ditulis:Karena volume tetap, maka persamaan dapat ditulis:Pada 100oC dan 1 bar, Vspesifik-uap = 1,69 m3/kg, karena sistem tertutup maka volume spasifik akhir proses tetap yaitu:Jelas disini pada 300oC, uap akan menjadi lewat jenuh. 1 bar dan 300oC volume spesifik = 2,64 m3/kg, sementara pada 5 bar dan 300oC volume spesifik = 0,522 m3/kg. Keadaan akhir antara dua harga tersebut, denga menggunakan rumus interplasi diperoleh:Sehingga:Harga Energi Absolut dan RelatifHarga entalpi dan energi dalam pada persamaan neraca energi secara aktual adalah herga entalpi dan energi dalam absolut. Sedangkan harga entalpi dan energi dalam dalam tabel adalah harga relatif dengan asumsi nilai energi dalam pada triple point adalah nol. dimana: adalah energi dalam absolut dan Po) adalah energi dalam relatif terhadap keadaan referensi Gunakan entalpi relatif dalam peneracaan, sebab energi dalam keadaan referensi dapat diganti dalam persamaan neraca. Bila = r + o disubsitusi ke persamaan hukum pertama termodinamika, maka diperoleh:Q W = m(2- 1)= m[(2r+ o)-( 1r+ o)] = m(2r- 1r)Jadi neraca energi dapat ditulis dalam bentuk energi dalam absolut dan relatif. Namun dalam penggunaan harga entalpi dan energi dalam harus referensi yang sama. Bila tidak menggunakan referensi yang sama, maka harusdilakukan koreksi. Misalnya suatu tabel energi dalam mempunyai referensi a, sementara tabel lain energi dalam untuk zat yang sama mempunyai referensi b. Untuk merubah entalpi realtif ke a , (U-Ua) dan entalpi realtif b, (U-Ub) dapat dirumuskan:(U-Ub)= (U-Ua)- (Ub Ua)

Contoh 7Hitung panas yang diperlukan untuk menaikkan 1 kg uap pada 385 bar dari 500 menjadi 816oC. Diketahui entalpi spesifik pada suhu 816oC relatif terhadap uap jenuh pada 1,01325 bar (1 atm).

Penyelesaian:Pada tekanan konstan : . Entalpi pada kondisi awal, dihitung dengan mengintrpolasi data tabel uap lewat jenuh:Entalpi ini relatif terhadap air pada triple point. Untuk merubah entalpi 1130 kJ/kg ke referensi triple point, maka digunakan rumus koreksi:Kuantitas menunjukkan entalpi uap 1 atm relatif terhadap triple point. Dari tabel uap jenuh, diperoleh harganya 2676,0 kJ/kg. Sehingga:Akhirnya,

Aplikasi Neraca Energi pada Sistem TerbukaSecara umum bentuk neraca energi untuk sistem terbuka yang melibatkan aliran masuk dan keluar adalah:Beberapa hal yang penting diperhatikan dalam penggunaan persamaan ini:a. Jelas definisi batasan sistem.b. Hati-hati menetapkan suku-suku yang dapat diabaikan dalam penyelesaian masalah.c. Periksa semua panas dan usaha yang terlibat dalam sistem.d. Pastikan semua sumber data entalpi untuk semua komponen mempunyai referensi yang sama.

Contoh Soal 8Uap pada 200oC dan 7 bar masuk ke dalam nozel horizontal pada laju 60 m/det. Uap keluar pada laju 600 m/det dan tekanan berkurang 1,4 bar. Hitung suhu dan kualitas uap.

Penyelesaian:Fungsi Nozel: meningkatkan energi kinetik fluida dengan mengurangi tekanan. Sistem dianggap seperti gambar berikut:

Persamaan neraca energi dapat ditulis:Pada sistem ini berlaku:- Proses dianggap adiabatik: dQ/dt = 0- Tidak ada ekspansi atau kompressi yang berarti sistem tidak melakukan usaha dW/dt = 0.- tidak ada perubahan ketinggian umpan dan keluaran, z1 = z2- Jumlah zat masuk = jumlah zat keluarBerdasarkan hal ini, maka persamaan dapat ditulis menjadi: atau Pada 200oC dan 7 bar uap keadaan lewat jenuh dan setelah diinterpolasi entalpi pesifiknya = 2843,8 kJ/kg. Sehingga dapat dihitung entalpi uap keluar nozel.Untuk menentukan status uap keluar pada tekanan 1,4 bar, perlu dicek tabel uap jenuh. Pada keadaan jenuh entalpi uap pada 1,4 bar adalah 2690,3 kJ/kg dan entalpi air = 455,4 kJ/kg. Telah dihitung entalpi keluar adalah 2665,6 kJ/kg, nilai entalpi antara uap dan air jenuh, ini berarti status uap keluar adalah campuran aup dan air (kondensat) pada suhu 109,3oC. Maka kualitas uap dapat dihitung:X = 0,989 sehingga diperoleh fraksi kondesat sebanyak 1 0,989 = 0,011.

Contoh 9Dalam sistem uap penggerak turbin (lihat gambar berikut), uap jenuh pada 145 psia dengan kecepatan 100 ft/det dilewatkan melalui superheater dengan laju pemanasan 300 BTU/lbm. Uap lewat jenuh ini diekspansikan melalui turbin untuk memutar sumbu 50 HP dan akhirnya uap dilewatkan melalui difuser pada tekanan 15 psia dan kecepatan 1 ft/det. Perbedaan tinggi input dan aoutput adalah 200 ft. Hitung suhu dan kualitas uap keluar, asumsikan laju alir uap 300 lb/jam. Penyelesaian:

Neraca energi:Karena perhitungan dalam satuan siatem American Engieering (AE), maka semua perhitungan harus disesuaikan. dalam hal ini F1 = F2, maka persamaan dapat ditulis menjadi:Untuk mengevaluasi entalpi spesifik pada kondisi inlet, harus dikonversi 145 psia ke satuan SI, yaitu 10 bar dimana entalpi spasifiknya 2776,2 kJ/kg. Kemudian konversikan ke satuan AE diperoleh:Sehingga persamaan neraca energi menjadi:Pada tekanan 15 psia atau 1,03 bar, entalpi spesifik uap jenuh lebih besar dari harga yang diperoleh, ini bermakna uap dalam keadaan basah. Setelah diinterpolasi diperoleh entalpi spesifik uap dan air jenuh pada 1,03 bar masing-masing 2767,7 dan 421,4 kJ/kg. Maka dapat dihitung kualitas uap.Suhu keluar dapat dihitung berdapasrkan rumus interpolasi yaitu 100,5oC. Kalau diperhatikan dari dua contoh di atas, ternyata harga energi potensial dan kinetik sangat kecil. Keadaan ini akan sering dijumpai dalam aplikasi proses kimia dimana kebanyakan unit proses terdiri dari tanki yang tetap volume. Untuk kasus ini dW/dt = 0 sehingga untuk neraca energi keadaan tunak dapat ditulis menjadi: Ini adalah persamaan dasar untuk semua perubahan kandungan energi proses yang terjadi sebagai hasil perpindahan panas ke atau dari sistem. Dengan mengasumsikan basis waktu mislnya 1 jam, maka persamaan diatas dapat ditulis menjadi:Bentuk persamaan ini identik dengan persamaan yang diturunkan untuk sistem tekanan tetap tertutup.

Contoh 4.10:Uap digunakan untuk memanaskan 300 kg/jam air proses pada tekanan 5 bar dari 50oC sampai 150oC menggunakan penukar panas double pipe. Uap pada tekanan 10 bar dan jenuh. Diperoleh kondensat jenuh. Hitung laju alir uap yang diperlukan.

Penyelesaian:

Perlu diperhatikan, tidak ada pencampuran antara uap pemanas dengan air yang dipanaskan. Untuk memudahkan pemahaman perpindahan panas dalam sistem ini digambarkan seperti berikut ini:

Sistm dibatasi oleh garis putus-putus, dan sistem diisolasi sehingga tidak ada panas yang hilang (dQ/dt = 0). Tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial serta sistem tidakmelakukan kerja. Maka neraca energi untuk sistem seperti ini adalah: Kedua aliran tidak bercampur sehingga :Selanjutnya:Pada 10 bar entalpi uap dan air jenuh masing-masing 2776,2 dan 762,6 kJ/kg. Entalpi air pada 5 bar dan 50oC, dan 150oC masing-masing 209,7 kJ/kg dan 632,2 kJ/kg. Subsitusi semua harga yang diketahui ke persamaan diperoleh:Neraca energi pada sisi air adalah:Sedang pada sis uap neraca energinya adalah: