BAB VII

Enthalpy, Capasitas Panas

Enthalpy didefinisikan sebagai H = U + PV

P= tekanan; V= volume

Bila terdapat perubahan suhu dan tekanan, Enthalpy per satuan massa : = (T,P)

d =

didefinisikan sebagai kapasitas panas pada tekanan konstan

Dalam praktek sangat kecil, sehingga dapat diabaikan.

d = dT

( 2 - 1 =

Akan tetapi dT pada tekanan tinggi tak dapat diabaikan, tetapi harus dievaluasi dari data percobaan.

Suatu sifat dari gas ideal adalah bahwa enthalpy dan energy dalam-nya adalah hanya sebagai fungsi suhu dan tidak dipengaruhi oleh perubahan tekanan atau specific volume.

Seperti halnya energy dalam, enthalpy tidak mempunyai harga mutlak; yang dapat dihitung hanya perubahan-perubahan enthalpy. Seringkali harus diambil suatu referensi untuk menghitung perubahan enthalpy.

Sebagai contoh misalnya kondisi referensi yang digunakan dalam steam tableI adalah air pada 0 oC (32 oF) dan tekanan uapnya. Ini tidak berarti bahwa enthalpy betul-betul nol pada kondisi tersebut, tetapi pada kondisi tersebut, enthalpy diambil = 0.

Contoh :

Keadaan awalKeadaan akhir

Enthalpy = 1 - refEnthalpy = 2 - ref

Beda enthalpy = (H = (2 - ref ) (1 - ref)

Baik energy dalam maupun enthalpy, harganya hanya dipengaruhi oleh keadaan bahan (suhu, tekanan, phase dan komposisi) tidak tergantung pada jalannya proses, bagaimana caranya mencapai keadaan tersebut.

Contoh :

Untuk proses melingkar = 0

Besaran yang mempunyai sifat seperti diatas adalah P, T, , dan sebagainya.

Jadi (H hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir, tidak tergantung pada jalannya proses.Perubahan Enthalphy Karena perubahan Phase Panas Latent (Latent Heat)

PANAS PELEBURAN, (f ((Hf)

Adalah panas yang dibutuhkan untuk melelehkan (mengubah bentuk padat menjadi bentuk cair) suatu bentuk zat padat pada titik lelehnya.

Untuk kebanyakan unsur, perbandingan (f/ Tf berkisar antara 2 3, sedang senyawa organik antara 9 11.

(f= panas peleburan, cal/ g. mol

Tf= titik leleh, oK

(Hf= molal heat of fussion, cal/ g. mol

pengecualian untuk rumus tersebut (tabel 24 Hougen hal. 273)

PANAS TRANSISI, (t ((Ht)

Adalah panas yang dibutuhkan/ dilepaskan untuk mengubah dari bentuk kristal satu ke bentuk lain suatu zat pada suhu transisinya. Transisi ini terjadi pada suhu konstan.

Titik transisi seringkali merupakan fugsi kecepatan pemanasan/ pendinginan sebelum terjadinya perubahan. Pada kenyataan transisi ini terjadi pada suu sedikit lebih tinggi jika zat menalami pemanasan dari pada jika mengalami pendinginan (tabel 25 Hougen hal. 273).

PANAS PENGUAPAN, (v( (Hv)

Adalah panas yang dibutuhkan untuk mengubah dari phase cair ke phase gas suatu zat pada suhu penguapannya. Panas penguapan molal lihat tabel 26 Hougen hal. 274.

HUKUM TROUTON

Sesuai hukum Trouton perbandingan antara panas penguapan ((b) pada titik didih normalnya terhadap suhu absolutnya (Tb) suatu zat adalah konstan

(b/ Tb = k(b = cal/ g. molTb = oF

untuk kebanyakan zat harga k = 21

PERSAMAAN CLAUSIUS CLAPEYRON

P*= vapor pressure

T= suhu absolut

(Hv= panas penguapan pada suhu T

Vg= volume molal gas

V1= volume molal zat cair

Bila dianggap berlaku rumus gas ideal :

Vg=

Bila diplot log P* Vs , maka diperoleh slope

Slope=

Catatan : d

= d(T-1)

= -

Bila dianggap bahwa (Hv konstan pada range suhu tertentu yang diambil, maka didapat :

Log P*= , atau

(Baca reduced form of Clapeyron equation, Himmelblau page 349 & reference subtance Plot, pagr 350-351).

Evaluasi Enthalpy

Contoh soal: Hitung enthalpy 1 lb steam pada suhu 350 oF dan tekanan 50 psi, dengan referensi cairan pada 32 oF.

Penyelesaian: Basis 1 lb air

q1= (H1= sensible head air dari 32 ( t*

q2= (H2= latent head = panas penguapan air pada suhut*

q3= (H3= panas untuk menaikkan suhu usp dari t* menjadi 350 oF

t*= suhu jenuh pada tekanan 50 psi = 281 (steam table) hal. 571 Himmelblau :

- interpolasi: p= 49,20( t = 280oF

p= 50

( t = ?

p= 53,25( t = 285oF

- extrapolasi: p= 45,40( t = 275oF

p= 49,20( t = 280 oF

p= 50

( t = ?

( pada 281oF adalah 924 Btu/ lb (interpolasi)

Cpm uap air antara 281 350oF

tm=

Dari fig 62 hal. 259 Hougen bisa dicari Cpm uap air pada tm 315,5 oF dipotong curve H2O tarik ke kiri diperoleh Cpm = 8,2 Btu/ lb moloF

Cpm H2O cair = 1 Btu/ lboF

1. Enthalpy H2O cair pada 281oF = 249 Btu/ lb

(H1 = (281-32)x1

2. Panas penguapan pada 281 oF = ( = 924/ lb

Himmelblau 571 : interpolasi)

3. Superhead uap = (350-281) x

(Hougen fig. 62 hal. 259 dengan tm)

Total= 249 Btu/ lb + 924 Btu/ lb + 36 Btu/ lb

= 1209 Btu/ lb

Enthalpy absolut itu tidak diketahui, tetapi enthalpy suatu zat dihitung relative terhadap kondisi referensi. Enthalpy suatu zat dihitung sebagai perubahan enthalpy dari keadaan referensi ke keadaan yang diinginkan.

ENTHALPY UDARA BASAH (UDARA UAP H2O)

Biasanya yang dipilih sebagai reference adalahudara dan H2O cair pada 0oC. Terbentuknya uap air dalam udara dari air cair 0oC melalui proses :

1. Air cair dipanaskan sampai dew point (titik embun) udara basah

2. Air diuapkan pada suhu dew point menjadi uap jenuh

3. Uap air disuperheatkan sampai suhu udara yang ditentukan.

Contoh Soal :Hitung enthalpy per lb udara kering dari uadara pada tekanan 1 atm dan suhu 100oF dengan relative humidity = 50%. Reference udara dan H2O cair pada 0oC (32 oF).

Penyelesaian

Enthalpy: sensible enthalpy udara + sensible enthalpy H2O + panas penguapan pada dew point + sensible pada dew point + sensible heat uap H2O dari dew point sampai 100 oF.

Dari humidity chart (fig. 20 page 122 Hougen) dapat dilihat bahwa udara pada kondisi ini mengandung :

EMBED Equation.3

100oF

molal humidity =

50% humidity

Mencari dew point pada 100oF dan 50% humidity :

Tarik garis kekiri memotong curve saturasi 100% sehingga dapat dibaca t dew point = 79oF

Mean molal heat capasitas uap H2O antara 79 100oF

tm=

Cpm= 8,02

Panas penguapan pada 79oF (dew point) dengan fig. 19 page 120 Hougen. Pada t = 79oF tarik garis ke atas memotong latent heat of steam, kemudian titik potong ini ditarik ke kanan memotong garis panas penguapan = 18,840 Btu/ lb.mol = 1046 Btu/ lb

(atau Himmelblau page 569 tabel 5)

Ringkasan

1. Sensible enthalpy udara

= (100 32)

= 16,3 Btu

2. Sensible enthalpy liquid water

= (79 32).0,0215

= 1,0 Btu

3. latent heat of water

= 1046 x 0,0215

= 22,5 Btu

4. Superheat of water vapor

= (100 79) x 0,0215 x

= 0,2 Btu

Jumlah

= 40,0 Btu/ lb udara kering

KEJENUHAN

Bila gas atau campuran gas (non condensable) bersinggunngan dengan suatu liquida maka liquida akan menguap. Bila liquidas cukup dan bersinggungan lama, maka penguapan terjadi sampai tekanan partial uap mencapai tekanan uap jenuhnya pada suhu sistem bersangkutan. Pada keadaan ini dikatakan bahwa gas tersebut jenuh (saturated) dengan uap.

Bila uap maupun gas dianggap gas ideal, maka :

(1)

(2)

. (3)

Pg= tekanan partial gas

Pv= tekanan partial uap

ng= jumlah mol gas

nv= jumlah mol uap

Vg= volume partial gas

Vv= volume partial uap

PARTIAL SATURATION DAN HUMIDITY

Bila gas mengandung uap dimana tekanan partial uap jenuhnya pada suhu yang bersangkutan maka dikatakan bahwa gas tidak jenuh dengan uap (partial saturation). Dalam menyatakan konsentrasi uap dalam campuran seringkali sebagai berikut :

a). Relative saturation (relative humidity).

b). Molal saturation (molal humidity)

c). Absolute saturation ( absolute humidity)

d). Humidity

Keterangan :

a) Relative saturation

Yv=

Persen saturation ; adalah perbandingan berat uap yang ada per berat gas bebas uap jika campuran jenuh pada tekanan dan suhu yang bersangkutan.]

Yp=

nv= mole uap/ mol gas actual

ng= mole uap/ mol gas saturated

Yp=

b) Molal saturation

Moal saturation=

Khusus untuk humidity digunakan massa uap air per massa uap kering dalam humidity chart

c) Absolute saturation (lihat a)

SOAL-SOAL

1. Hitung panas yang dilepas bila 1 m3 udara (kondisi standart) didinginkan dari 500 100 oC pada P konstan 1 atm.

Perkirakan cp dari tabel 17 hal. 255

Jawab: 195,2 kcal

2. Hitung jumlah Btu yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 lb masing-masing zat liquid dibawah ini dari temperatur 32 100oF

a. Acetone

Jawab: 35,4 Btu

b. Carbon tetrachloridaJawab: 13,5 Btu

c. Ether

Jawab: 37,3 Btu

d. Propyl alkohol

Jawab: 38,7 Btu

3. Hitung enthalpy dalam Btu/ lb udara kering, relative udara dan liquid water pada 32oF, humidity udara pada temperatur 120 oF, pada tekanan 1 atm, dan % humidity 60%

4. Hitung enthalpy dalam kcal/ gram (referensi solid pada 0oC), pelelehan seng pada temperatur 750oC.

5. Hitung enthalpy dalam Btu/ lb (dengan data latent heat dari steam table), relative untuk liquid pada 32oF, steam pada temperatur 500oF superheated 200oF diatas titik saturasi.

Jawab: 1272,3 Btu/ lb

Awalnya entalpi itu tidak memiliki arti fisik. Entalpi ada sebagai sekadar definisi. Ruas U+PV sering muncul bersamaan, karena itulah disepakati, bahwa ruas U+PV sebagai entalpi, H. H = U + PV Pada sistem tertutup, dengan tekanan kerja yang konstan yang mengalami perubahan volume, dU = dQ - W, W = Pdv U2-U1 = Q - P(V2-V1) Q = U2+P2V2 - U1+P1V1 Q = H2 - H1 Q = Hfus (peleburan/fusion) Q = Hvap (penguapan/evaporation)

Diperluas dalam volume atur, dEcv/dt = Q - W + m_dot(Hi-Ho) Misal kondisi tunak(steady) tanpa ada kerja, 0 = Q + m_dot(Hi-Ho) Q/m_dot = Ho-Hi (kJ/kg)

Besaran entalpi di atas merupakan kandungan energi (aliran bertekanan) yang menembus (volume) suatu batas sistem. Selanjutnya entalpi formasi(enthalpy of formation) juga diperoleh dari penerapan volume atur. Penelaahan entalpi merupakan penjabaran dari hukum pertama termodinamika berkenaan kelestarian energi.

Entropi merupakan konsep Hukum kedua termodinamika, pernyataan dari konsep entropi cukup banyak. Pernyataan Clausius: "Adalah tidak mungkin untuk sistem apapun beroperasi sedemikian rupa sehingga satu-satunya hasil adalah perpindahan energi dalam bentuk panas dari benda bertemperatur dingin ke benda bertemperatur panas."

Pernyataan Clausius merupakan peryataan alamiah di alam, bahwa jika ada benda panas dan dingin didekatkan, maka yang panas akan mendingin dan yang dingin akan memanas, tidak mungkin sebaliknya.

Pernyataan Kelvin-Planck: "Tidak mungkin untuk suatu sistem beroperasi dalam suatu siklus termodinamika dan mengirimkan sejumlah kerja bersih ke sekeliling ketika menerima energi dari perpindahan panas melalui satu reservoir termal."

Sepintas adalah bahwa tidak ada sistem apapun yang memiliki efisiensi 100%, jika hanya memiliki satu reservoir termal.

Berarti Hukum kedua termodinamika memberi batasan apa yang mungkin terjadi di alam semesta ini dan apa yang tidak mungkin. Sifat yang menyatakan kebolehjadian ini adalah entropi. Sekarang perhatikan efisiensi dari dua sistem termal misalkan motor bakar yang keduanya serupa dari segi pemasukan bahan bakar dan komponen, hanya satu lebih efisien(menghasilkan kerja lebih besar) dari yang lain.

Eff_1 = 70% Eff_2 = 50%

Jika diperbandingkan antara kenaikan entropi sistem Eff_1 dan sistem Eff_2, maka kenaikan entropi sistem Eff_2 adalah lebih besar dar kenaikan entropi sistem Eff_1, S2 > S1, karena lebih banyak energi terbuang(irrevfersibilitas) ke lingkungan.

Jika ada(misalkan) mesin ketiga, dengan efisiensi 100% Eff_3 = 100 % Maka, besar kenaikan entropi adalah nol, S3 = 0 (proses reversible)

Semakin rendah efisiensi mesin tersebut, maka makin tinggi kenaikan entropi. Besarnya kenaikan dievaluasi dari pertidak samaan Clausius, S = Q / T_surr (T_surr = temperatur lingkungan) S1 = Q1/T_surr S2 = Q2/T_surr Maka, Q2 > Q1

Tetapi, perlu diingat entropi tidak harus selalu berasosiasi terhadap panas. Hal ini diperluas pada termodinamika statistik.

Dari termodinamika statistik, entropi dinyatakan sebagai derajat ketidak teraturan. Makin tidak teratur maka entropi semakin besar. Semakin teratur maka entropi semakin kecil. Pada sistem, derajat ketidak teraturan biasanya diasosiasikan terhadap temperaturnya. Semakin tinggi temperatur, maka semakin acak gerak molekul. Semakin dingin, maka keacakan molekul/atom berkurang. Jika suatu kristal murni didinginkan hingga mencapai nol derajat absolut, 0K, maka entropi kristal tersebut adalah nol. Hal ini dinyatakan dalam Hukum ke-3 termodinamika,

Selanjtunya entropi berhubungan dgn energi bebas Gibbs, seperti disampaikan bos Veri.

Tambahan, Sifat entropi dapat juga dilihat sebagai sesuatu yang memperbandingkan antara tingkat keacakan (energi dispersal). Energi berbagai sistem boleh saja sama, tetapi tingkat kebermanfaatannya bisa jadi berbeda. Misal energi 1 MJ air laut yang panas dengan energi dari 1 MJ yang terkandung bahan bakar(bensin, solar, metana, dll). Jika dipandang dari sisi kuantitas, maka energi adalah sama, tetapi jika dilihat dari sisi kualitas energi adalah sangat berbeda. Masing-masing akan menghasilkan kerja berguna yang berbeda. Berarti entropi sistem air laut lebih tinggi dari bahan bakar.

Pembandingan ini seperti membandingkan energi listrik dengan energi dalam bentuk pindah panas. Atau analogikan seperti membandingkan USD 1.000,- dengan Rp. 1.000,-. Jumlah sama tapi kualitas beda. Konsep ini merupakan penerapan simultan Hk. ke-1 termodinamika dan Hk. ke-2 termodinamika, sebagai kinerja teoretik maksimum atau exergy.

Apabila H2 H1 dihitung melalui proses A atau B atau C, maka akan memberikan harga yang sama.

C

Keadaan 2

Keadaan 1

X

A

B

X

X

X

X

Ref. 32oF

Cair q2

t* uap

q1 - H1

cair

q3 = H3

H

350 oF

uap

_1186846690.unknown

_1186848437.unknown

_1186850816.unknown

_1186851603.unknown

_1220606615.unknown

_1220606653.unknown

_1220606665.unknown

_1220606627.unknown

_1186851938.unknown

_1186852219.unknown

_1186851875.unknown

_1186851302.unknown

_1186851502.unknown

_1186850903.unknown

_1186850046.unknown

_1186850417.unknown

_1186850675.unknown

_1186850268.unknown

_1186849624.unknown

_1186849997.unknown

_1186848617.unknown

_1186846990.unknown

_1186847150.unknown

_1186848199.unknown

_1186847119.unknown

_1186846878.unknown

_1186846906.unknown

_1186846791.unknown

_1186846197.unknown

_1186846539.unknown

_1186846567.unknown

_1186846412.unknown

_1181791203.unknown

_1181791295.unknown

_1181790565.unknown

_1181791186.unknown