Teknik KimiaUniversitas Sriwijaya

Termodinamika II

BAB 4

Efek Panas

(Heat Effect)

PendahuluanPada industri kimia, efek panas adalah

salah satu fundamental dalam operasinya.

Demikian juga untuk merencanakan suatu

reaktor, perhitungan jumlah panas yang

diperlukan atau ditransfer ditentukan oleh efek

panas yang ada atau yang berpengaruh dari

reaksi kimia.

Ditinjau dari harga U :),( PTHH

dPP

HdT

T

HdH

TP

Pada V tetap, sehingga :

dPP

HdTCdH

TP

Komponen akan sama dengan nol, bila volume tetap ; dan U tidak bergantung pada volume, sehingga :

dTCdH P

2

1

T

T PdTCH

Pemakaian yang umum untuk menghitung perpindahan panas pada steady flow, digunakan persamaan :

2

1

T

T PdTCHQ

Panas Sensibel Panas yang ditransfer pada suatu sistem,

yang tidak terjadi perubahan fase dan tak ada

reaksi kimia dan tak ada perubahan komposisi

yang dapat menyebabkan perubahan

temperatur.

Jadi panas sensibel hanya untuk

mengubah temperatur.

Kapasitas Panas, tergantung pada Temperatur

Kapasitas Panas, tergantung pada Temperatur dan tidak tergantung pada Tekanan ; secara sederhana diberikan dengan persamaan :

22 cTbTaR

CPdanTT

R

CP

ig = ideal gas ; untuk gas real, dapat menjadi ideal bila P 0.

22 DTCTBTAR

C igP

α, β, dan γ serta a,b, dan c adalah konstanta karakteristik dari masing – masing gas

22 DTCTBTAR

CP

Harga – harga konstanta A, B, dan C diberikan dalam tabel ;

(seperti tabel 4-1) buku JM. Smith.

Dari hubungan : Cp = Cv + R, maka harga Cv adalah :

1R

C

R

C igP

igV

Pengaruh T pada Cv dan Cp ditentukan berdasarkan hasil percobaan penelitian.

Contoh soal 4-1 :Kapasitas panas molar gas methane (gas ideal) ; dari tabel dinyatakan sebagai berikut:

dimana T dalam K ; Nyatakan harga Cp/R dalam satuan T = oC.Jawab :

T K = t oC + 273.15

263 10164,210081,9702,1 TTR

C igP

263 )15,273(10164,2)15,273(10081,9702,1 txtR

C igP

Untuk campuran gas, yang komposisinya tetap, dilakukan dengan cara yang sama seperti gas murni.Misalnya : 1 mol gas campuran, terdiri dari : Gas A, B, dan C. Maka mol fraksi masing-masing yA, yB, yC. Maka kapasitas panasnya dinyatakan :

igPCC

igPBB

igPAA

igPmixture CyCyCyR

C

Panas LatenPanas yang ditransferkan kepada substansi murni,

akan mengubah fase substansi tetapi temperaturnya tidak

naik. Misalnya: pada peristiwa mencairkan solid,

menguapkan larutan; pada tekanan tetap; panas tersebut

adalah panas laten.

Gambar 4.1 Kapasitas panas gas Ideal dari argon, nitrogen, water, and karbon dioksida

Panas laten juga merupakan fungsi dari temperatur

....(7a)dimana :ΔH = panas latenΔV= perubahan volume yang terjadi karena

perubahan fasePsat = tekanan uap

Pada proses penguapan suatu cairan ;Hanya merupakan slope, pada grafik tentukan uap vs

temperatur.ΔV = beda volume uap saturated dengan liquid

saturated.ΔH = panas laten penguapan.

0T

T

Tn = normal boiling pointΔHn = panas laten penguapan pada TnPC = tekanan kritis dalam bar

Trn = reduced temperatur pada Tn

ΔHn/Tn mempunyai dimensi seperti konstanta R, maka satuannya harus dipilih yang cocok seperti memilih satuan R.

Untuk mengestimasi latent heat vaporisation liquid murni pada suatu T, berdasarkan harga T yang diketahui, diberikan oleh Watson dalam bentuk persamaan :

Panas laten dapat juga ditentukan dengan cara “Kalorimeter Riedel” menghasilkan persamaan :

 PANAS REAKSI STANDAR

Efek panas yang dibahas sebelumnya adalah efek panas yang terkait dengan proses-proses fisik.

Untuk proses yang berlangsung secara kimiawi, efek panasnya harus mempertimbangkan energi yang terjadi akibat perubahan suhu, perubahan struktur molekuler baik pada reaktan maupun pada produk yang dihasilkan, serta efek panas reaksi selama berlangsungnya reaksi kimiawi tersebut.

Neraca energi overall menurut hukum Thermodinamika I, untuk proses steady flow:

karena ΔEk, ΔEp dan Ws adalah sama dengan nol, maka persamaan di atas

menjadi: ΔH=Q.

Berarti Q adalah panas yang diserap oleh air pendingin dalam jaket identik

dengan terjadinya perubahan entalpi yang disebabkan oleh reaksi pembakaran,

secara keseluruhan merupakan juga merupakan perubahan entalpi reaksi atau

ΔH, disebut sebagai panas reaksi. Bentuk umum suatu persamaan reaksi kimia

adalah sebagai berikut :

mMlLbBaA

HQ

PANAS PEMBENTUKAN STANDARReaksi pembentukan didefinisikan sebagai reaksi yang

membentuk senyawa dari elemen pembentuknya. Sebagai contoh

pada reaksi kimia pembentukan metanol sebagai berikut:

C +1/2 O2 +2H2 CH3OH

Sedangkan pada contoh berikut ;

H2O + SO3 H2SO4

adalah bukan reaksi pembentukan, karena asam sulfat yang

terbentuk bukan berasal dari elemen tetapi dari senyawa kimia (H2O

dan SO3).

Contoh soal : Hitunglah panas reaksi standar pada 25 oC untuk reaksi berikut : 4 HCl (g) + O2 (g)  2 H2O (g) + 2 Cl2 (g)

Penyelesaian :

Cari dari tabel/data harga panas pembentukan (ΔHfo) untuk HCl dan H2O ,

didapat data sbb :

ΔHfo HCl (g) = -92.307 J dan ΔHf

o H2O (g) = -241.818 J

Lalu : HCl adalah senyawa yang terbentuk dari elemen – elemen H2 (g) dan Cl2

(g) :

4 HCl (g) 2 H2 (g) + 2 Cl2 (g) ΔHo298 = -(4)(92.307) J

2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (g) ΔHo298 = (2)(-241.818) J

4 HCl (g) + O2 (g) 2 H2O (g) + 2 Cl2 (g) ΔHo298 = -114.408 J

Jadi panas reaksi standar adalah -114.408 J.

PANAS PEMBAKARAN STANDAR

Reaksi pembakaran adalah suatu reaksi kimia antara suatu elemen atau senyawa dengan oksigen membentuk suatu produk hasil pembakaran.

Untuk senyawa organik, atom Karbon, Hidrogen dan Oksigen, hasil reaksi pembakarannya adalah Karbondioksida (CO2), dan air (H2O) fase uap atau cair.

Contoh nya pada reaksi pembentukan antara C dengan H2 membentuk n-butana sbb :

4 C (s) + 5 H2 (g) C4H10 (g)

Untuk menghitung panas reaksi standar, didasarkan atas kombinasi panas pembentukan dan panas pembakaran standar, maka didapatkan sbb :4 C (s) + 4 O2 (g) 4 CO2 (g) ΔHo

298 = (4)(-393.509) J

5 H2 (g) + 2½ O2 (g) 5 H2O (l) ΔHo298 = (5)(-285.830) J

4 CO2 (g) + 5 H2O (l) C4H10 (g) + 6½ O2 (g) ΔHo298 = (2)(-241.818) J

4 C (s) + 5 H2 (g) C4H10 (g) ΔHo298 = -125.790 J

Jadi harga panas pembentukan n-butana pada kondisi standar adalah -125.790 J/mol.

EFEK PANAS PADA REAKSI – REAKSI DI INDUSTRI

Reaksi – reaksi pada industri jarang

mengikuti kondisi standar seperti pada reaksi

yang sebenarnya atau dengan kata lain reaksi

tersebut tidak muncul dalam bentuk

stoikiometri, tidak komplit atau mungkin

temperatur akhir berbeda dengan temperatur

awal.

Contoh 4.8Suatu metoda untuk membuat gas sintesa (campuran

pertama terdiri dari CO dan H2) adalah katalitik reforming dari CH4 dengan uap pada temperatur tinggi dan tekanan atmosfir.

CH4 (g) + H2O (g) CO2 (g) + 3 H2 (g)

Satu – satunya reaksi lain yang terjadi dan kelihatan luasnya adalah reaksi air-gas shift.

CO (g) + H2O (g) CO (g) + 3 H2 (g)

Bila reaktan disuplai pada rasio 2 mol uap berbanding 1 mol CH4 dan bila panas disuplai ke reaktor. Jadi produk mencapai temperatur 1300 K, CH4 seluruhnya dirubah dan aliran produk berisi 17,4% mol CO. Asumsi reaktan dipanaskan kembali menjadi 600 K, hitung panas yang diinginkan di reaktor.

Penyelesaian : Panas reaksi standar pada 25 oC untuk dua reaksi dari data tabel C.4.CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3 H2 (g) ΔH298

o = 205,813 JCO (g) + H2O (g) CO (g) + H2 (g) ΔH298

o = -41,166 J

Dua reaksi ini boleh ditambah untuk memberikan reaksi ketiga.CH4 (g) + 2 H2O (g) CO2 (g) + 4 H2 (g) ΔH298

o = 164,647 J 

Beberapa pasang dari tiga reaksi ini mengangkat independent set. Reaksi ketiga tidak berdiri sendiri dan hal tersebut diperoleh dengan mengkombinasikan dua lainnya. Reaksi – reaksi lebih cocok digunakan untuk permasalahan seperti di bawah ini :CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3 H2 (g) ΔH298

o = 205,813 J

CH4 (g) + 2 H2O (g) CO2 (g) + 4 H2 (g) ΔH298o = 164,647 J

Pertama kita tentukan fraksi CH4 yang diubah oleh masing – masing pada reaksi ini. Sebagai basis perhitungan biarkan 1 mol CH4 dan 2 mol uap dimasukkan ke reaktor. Bila x mol CH4 bereaksi berdasarkan persamaan (A), kemudian 1-x mol bereaski pada persamaan (B). pada basis ini produk reaksi adalah :

CO = xH2 = 3x + 4(1-x) = 4 – x

CO2 = 1-x

H2O = 2 – x – 2(1 – x) = x

Total = 5 mol produk

Fraksi mol CO pada aliran produk adalah x/5 = 0,174 dimana x = 0,870. Jadi pada basis yang dipilih 0,870 mol CH4 bereaksi pada persamaan (A) dan 0,130 mol bereaksi pada persamaan (B). Sekalipun demikian, jumlah masing – masing spesies pada aliran produk :

Mol CO = x = 0,870Mol H2 = 4 – x = 3,13

Mol CO2 = 1 – x = 0,13

Mol H2O = x = 0,87

Kita sekarang mencari jalan yang mudah untuk tujuan perhitungan, untuk menjalankan reaktan pada 600 K ke produk pada 1300 K. Dari data bisa digunakan untuk panas reaksi standar pada 25 oC, satu cara yang paling sederhana adalah dimana termasuk reaksi pada 25 oC (298,15 K). ini ditunjukkan dengan skema pada diagram yang tertera.

Garis putus – putus menunjukkan jalan pintas yang aktual menunjukkan perubahan entalpi ΔH. Dari perubahan entalpi inilah cara yang termudah.

Untuk menghitung ΔHo298 reaksi A dan B

keduanya harus diambil dalam perhitungan.0,87 mol CH4 bereaksi pada reaksi A dan 0,13 mol bereaksi pada reaksi B.ΔHo

298 = (0,87)(205,813) + (0,13)(164,647) = 200,460 J

ΔH

ΔHPo

ΔH298o = 0

ΔHRo

Perubahan entalpi dari reaktan dari temperatur 600 K ke 298.15 K diberikan persamaan :

dimana harga (CoPi)H/R adalah :

CH4 : MCPH (298.15,600;1.702,9.081E-3,-2.164E-6,0.0) ≡ 5.3272

H2O : MCPH (298.15,600;3.470,1.450E-3,0.0,0.121E+5) ≡ 4.1888

Dimana :ΔHo

R = (8.314) [(1)(5.3272) + (2)(4.1888) ] (298.15 – 600)

= -34.390 J

Perubahan entalpi produk seperti itu adalah pemanasan dari 298.15 K ke 1300 K dihitung secara sederhana.dimana (Co

Pi)H/R harganya adalah : CO : MCPH (298.15,1300;3.376,0.557E-3,0.0,-0.031E+5) ≡ 3.8131 H2 : MCPH (298.15,1300;3.249,0.422E-3,0.0,0.083E+5) ≡ 3.6076

CO2 : MCPH (298.15,1300;5.457,1.04E-3,0.0,-1.157E+5) ≡ 5.9935

H2O : MCPH (298.15,1300;3.470,1.450E-3,0.0,0.121E+5) ≡ 4.6499

dimana : ΔHo

P = (8.314)[(0.87)(3.8131)+(3.13)(3.6076)+(0.13)(5.9935)+(0.87)(4.6599)](1300 – 298.15)

= 161.940 Jkarena itu : ΔH = -34.390 + 200.460 + 161.940 = 328.010 J Proses adalah suatu aliran steady dimana Ws, Δz dan Δu2/2 asumsi diabaikan maka Q = ΔH = 328.010 J

Penyelesaian ini berbasis 1 mol CH4 yang masuk reaktor. Satuan dirubah dari J mol-1 ke (Btu)(lb mol)-1 adalah 0.4299. Karena itu pada basis 1 (lb mol) CH4 masuk reaktor, kita punya

Q = ΔH = (328.010) (0.4299) = 141.010 (Btu)

Jangan terlalu mengkhawatirkan masa depan, khawatirlah jika hari ini anda tidak berbuat sebaik-baiknya untuk masa depan anda.