DASAR NERACA ENERGI

Neraca energi adalah cabang keilmuan yang mempelajari kesetimbangan

energi dalam sebuah sistem. Neraca energi dibuat berdasarkan pada hukum pertama

termodinamika. Hukum pertama ini menyatakan kekekalan energi, yaitu energi tidak

dapat dimusnahkan atau dibuat, hanya dapat diubah bentuknya. Perumusan dari

neraca energi suatu sistem mirip dengan perumusan neraca massa. Namun demikian,

terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu suatu sistem dapat berupa sistem

tertutup namun tidak terisolasi (tidak dapat terjadi perpindahan massa namun dapat

terjadi perpindahan panas) dan hanya terdapat satu neraca energi untuk suatu sistem

(tidak seperti neraca massa yang memungkinkan adanya beberapa neraca

komponen). Suatu neraca energi memiliki persamaan:

Energi masuk = Energi keluar + Energi akumulasi

Tidak seperti neraca massa yang memiliki variabel produksi, neraca energi tidak

memiliki variabel produksi. Hal ini disebabkan energi tidak dapat diproduksi, hanya

dapat diubah bentuknya. Namun demikian, bila terdapat suatu jenis energi diabaikan,

misalnya bila neraca dibuat dengan hanya memperhitungkan energi kalor saja, maka

persamaan neraca energi akan menjadi

Kalor masuk + Kalor produksi = Kalor keluar + Kalor akumulasi

dengan Kalor produksi bernilai negatif jika kalor dikonsumsi. Neraca energi

digunakan secara luas pada bidang ilmu murni seperti fisika, biologi, kimia dan

geografi.

Kandungan energi sebuah benda berhubungan erat dengan keadaan benda

yang bersangkutan; perubahan kandungan energi benda dapat menyebabkan

misalnya: perubahan temperatur, perubahan fasa, dan juga perubahan ikatan kimia.

Kandungan energi sebuah benda atau sebuah sistem dapat berubah jumlah dan

bentuknya, akibat interaksi ataupun tanpa interaksi benda tersebut dengan benda lain

atau lingkungan.

1.1 Sistem dan Sifat-Sifat Dasar

Sebuah sistem adalah satu bagian alam semesta yang diberi perhatian dalam

penyelesaian masalah. Bagian lain dari alam semesta yang mungkin dapat

berhubungan dengan sistem dinamakan lingkungan (environment atau surrounding).

Kontak sistem dengan lingkungan dapat berupa perpindahan massa, perpindahan

energi atau perpindahn massa dan energi.

Sebuah sistem dikatakan sistem terbuka, jika sistem tersebut menerima

masukan massa atau melepaskan massa keluar sistem, walaupun jumlah uap

komposisi massa dalam sistem mungkin tidak mengalami perubahan. Sebuah sistem

disebut sistem tertutup, jika sistem tersebut tidak mengalami pemasukan atau

pengeluaran massa. Sebuah sistem tertutup mungkin mengalami pemasukan atau

pengeluaran energi, yang dapat berupa panas, kerja, listrik atau magnet. Sebuah

sistem tertutup disebut sistem terisolir, jika sistem tersebut tidak mengalami

pemasukan dan pengeluaran massa dan energi dalam bentuk apapun. Sebuah sistem

terbuka maupun tertutup didefenisikan sistem adiabatik, jika sistem tersebut tidak

mengalami pemasukan atau pengeluaran energi dalam bentuk panas.

Energi dapat tersimpan dalam sebuah benda atau berpindah dari satu benda

ke benda lain. Sifat milik benda digolongkan pada sifat ekstensif yang tergantung

jumlah massa benda, dan sifat intensif yang tidak tergantung pada jumlah massa

benda. Contoh sifat intensif: temperatur, tekanan, densitas, kapasitas panas.

1.2 Energi Tersimpan dalam Benda

Energi yang tersimpan dalm benda ada bermacam-macam. Enegi kinetik (Ek)

adalah energi yang dimiliki benda (bagian sistem atau keseluruhan sistem)

sehubungan dengan gerak relatifnya terhadap benda atau bagian lain yang ikut

menyusun sistem yang bersangkutan. Nilai energi per satuan massa :

Ek = ½ . v2

v = kecepatan linier gerak benda, m/s.

Energi potensial (Ep), dua tipe energi potensial yang penting untuk diperhitungkan di

dalam sistem pemroses kimia-fisik adalah:

a. Energi potensial sehubungan dengan posisi benda di dalam medan gravitasi:

Ep = g.z

g = percepatan gravitasi, 9,8 m/s2

z = ketinggian benda terhadap permukaan bumi.

b. Energi potensial sehubungan dengan perubahan bentuk atau volum:

Ep = P.V

P = tekanan yang diderita benda karena desakan benda di

sekitarnya, N/m2

V = volum spesifik benda, m3/kg.

Energi dalam (U) adalah energi yang dimiliki benda untuk mempertahankan

struktur molekul-molekul penyusunnya, serta mempertahankan gerakan-gerakan

translasi, vibrasi, dan rotasi molekul-molekul tersebut. Sedangkan yang disebut

entalpi adalah sebuah besaran yang diturunkan secara matematik, yaitu kemudahan

untuk menuliskan (U + PV) yang sering muncul bersamaan.

1.3 Energi yang Berpindah

Energi sistem dapat bertambah atau berkurang melalui cara berikut:

1. Energi yang terbawa dalam materi yang masuk atau keluar sistem.

2. Panas (Q) yang masuk atau keluar sistem melalui dinding sistem akibat

perbedaan temperatur sistem dengan lingkungan.

3. Kerja (W) yang berpindah melalui dinding sistem sebagi akibat :

a. Perbedaan tekanan sistem dan lingkungan, yang diwujudkan dengan

perubahan volum sistem

b. Perbedaan tekanan lingkungan dengan sistem di tempat masukan, dan

perbedaan tekanan sistem dengan lingkungan di tempat keluaran

c. Kerja poros yaitu yang berhubungan dengan perpindahan momentum

antar sistem dengan lingkungan, misalnya kerja pompa, kompresor atau

turbin.

1.3.1. Termofisika

Termofisika berhubungan dengan perubahan kandungan energi benda

(sistem) berkaitan dengan peristiwa fisik: perubahan temperatur, perubahan fasa atau

pelarutan/pencampuran dua senyawa atau lebih tanpa disertai reaksi.

1.3.2. Kpasitas Panas

Jika sebuah benda dipanasi atau didinginkan, maka perubahan kandungan

energinya teramati sebagai perubahan temperatur. Hubungan antara perubahan

kandungan energi benda dengan temperatur dapat dinyatakan umumnya dengan

persamaan berikut:

a. Jika pemanasan dilakukan pada volum tetap (proses isometrik)

dU = Cv.dT

b. Jika pemanasan dilakukan pada tekanan tetap (isobar)

dH = Cp.dT

Kapasitas panas secara termodinamika didefinisikan sebagai berikut:

a. Cp = [dH/dT]p; banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikan temperatur

benda pada tekanan tetap

b. Cv = [dU/dT]v; banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan

temperatur benda pada volume tetap

Khusus untuk senyawa yang memiliki sifat mendekati gas ideal berlaku:

Cp = Cv + R

Cp = 7/2. R untuk gas beratom dua, seperti N2, O2

R = tetapan gas universal

= 8,314 J/(mol.K)

= 1,987 cal/(mol.K)

= 0,082 L.atm/(mol.K)

1.3.3. Panas Laten

Panas laten berkaitan dengan perubahan kandungan energi benda yang

mengakibatkan perubahan fasa, seperti: penguapan, pengembunan, peleburan dan

juga bentuk kristal. Perubahan fasa di dalam pemrosesan gas alam kebanyakn hanya

melibatkan penguapan dan pengembunan.

1.4 Perhitungan Panas Sensibel

Jika sebuah sistem mengalami perubahan temperatur T1 menjadi T2, maka

perubahan entalpi sensibel dapat dihitung dengan menggunakan:

a. Kapasitas panas rata-rata pada selang temperatur yang sesuai

ΔHs = m.Cprata2.(T2-T1)

Dengan: m = jumlah mol (massa) benda

b. Integrasi Cp(T)dt; dengan batas T1 ke T2

ΔHs = m.∫Cp(T).dT

ΔHs = m.[a.(T2-T1) + b.(T22-T1

2)/2 + c. (T23-T1

3)/3]

Jika Cp = a + bT +ct2

ΔH = ∫T 1

T 2

Cp dT = a.(T2-T1) + b(T 2

2−T 12)

2