MAKALAH TERMODINAMIKA

PEMICU- 2

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Disusun Oleh:

Deviani Nabila

1206226072Muchtazam Mulsiansyah

1206221683

Osman Abhimata

1206202002Yoshua Reynaldo

1206263414DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK

MARET 2014DAFTAR ISI

Daftar Isi.............................................................................................................

Soal 1...................................................................................................................

Soal 2...................................................................................................................

Soal 3...................................................................................................................

Soal 4....................................................................................................................

Soal 5.....................................................................................................................

Soal 6......................................................................................................................

Soal 7......................................................................................................................

Soal 8......................................................................................................................

Soal 9......................................................................................................................

Soal 10.....................................................................................................................

Soal 11.....................................................................................................................

Daftar Pustaka.........................................................................................................Soal PertamaSebagai calon sarjana Teknik Kimia, peserta kuliah termodinamika dari Universitas Depok diingatkan untuk secara konsisten mengamati bahwa massa dan energy dikonservasi. Pengamatan ini telah dikenal sebagai hukum pertama termodinamika yaitu energy tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan, hanya dapat mengubah dari satu ebntuk ke bentuk lainnya. Energy dating dalam berbagai bentuk. Seluruh peserta kuliah diminta untuk membuat daftar semua jenis energy dan memberikan contoh dalam kehidupan nyata masing-masing.

Para peserta juga mengetahui dari pengalaman yang dipelajari bahwa dibutuhkan jumlah energy yang berbeda untuk meningkatkan suhu dari massa identik untuk zat yang berbeda sebesar satu derajat seperti pada gambar 1 di bawah ini

Gambar 1

Jawaban

Jenis-jenis energi dan contohnya dalam kehidupan sehari-hari :

Energi kinetik, contohnya Kelapa jatuh, mobil yang awalnya diam kemudian bergerak dengan kecepatan konstan, roller coaster

Energi potensial, contohnya Kelapa jatuh, roller coaster

Energi panas, contohnya api, pembakaran

Energi kimia, contohnya Accumulator, kembang api

Energi cahaya, contohnya Panel surya, api

Energi pegas, contohnya per, busur, ketapel

Energi listrik, contohnya baterai, pembangkit listrik

Energi bunyi, contohnya petir, pengeras suara

Energi magnet, contohnya bumi

Soal Kedua

Melihat gambar tersebut, peserta menyadari bahwa diperlukan satu property yang akan memungkinkan kita untuk membandingkan kemampuan penyimpanan energy dari berbagai zat. Property ini disebut dengan kapasitas panas atau specific heat. Menurut anda ada berapa jeniskah kapasitas panas dalam termodinamika dan berikan definisinya berdasarkan gambar 2 di bawah ini

Gambar 2

Jawab

Jenis kapasitas panas dalam termodinamika ada dua, yaitu Cp dan Cv. Berdasarkan gambar 2 dijelaskan bahwa Cv merupakan jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar 1 C pada 1 kg benda ketika volume benda dijaga agar konstan dan selanjutnya, Cp merupakan jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar 1 C pada 1 kg benda ketika tekanan dijaga agar konstan.

Soal Ketiga

Satuan yang umum digunakan untuk kapasitas panas adalah dan . Jelaskanlah mengapa keduanya dapat identik dan berikan penjelasan pula untuk satuan kapasitas panas yang terkadang menggunakan basis molar. Pelajari diagram pada gambar 3(a) yang diberikan di bawah ini. Jelaskan mengapa ada diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas metana 300-800 K menggunakan data yang ditampilkan. Apakah anda piker itu masuk akal untuk mengasumsikan kapasitas panas yang konstan untuk rentang suhu seluruh? Bagamana pendapat anda untuk gambar 3(b) di bawah ini.

Jawab

Definisi Cv dan Cp sama, yang membedakan hanya kondisinya. Satuan kedua jenis kapasitas panas sama, yaitu . Jumlah senyawa dapat diekspresikan dalam bentuk mol, lalu satuan Cv dan Cp dapat diekspresikan dalam .

Jelaskan mengapa ada diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air.

Diskontinuitas terjadi karena ada perubahan fasa yang menyebabkan terjadinya perubahan entalpi spesifik yang menyebabkan Cp berubah secara signifikan seiring terjadinya perubahan fasa. Hal ini didukung dengan Cp sebagai fungsi dari entalpi.

Perhatikan gambar grafik Cpm vs T untuk air diatas.

a) Pada saat T = 0 K sampai T = 273 K, Cpm H2O meningkat secara konstan. Seperti yang kita ketahui, pada suhu tersebut, H2O berapa pada fasa padat yaitu berupa es. Hal ini menunjukkan semakin tinggi suhu es batu, maka kapasitas panasnya semakin besar.

b) Pada saat T = 273 K, Cpm H2O meningkat secara drastis (diskontinuitas). Hal ini disebabkan oleh terjadinya perubahan fasa dari padat ke cair.

c) Pada saat T = 273 K sampai T = 273 K, Cpm H2O berada pada titik tertinggi dan hampir tidak berubah. Meskipun mengalami sedikit perubahan namun perubahan kapasitas panas yang ada pada H2O dapat diabaikan. Pada tahap ini, H2O berada pada fasa cair.

d) Pada saat T = 373 K, Cpm H2O menurun drastic (diskontinuitas). Hal ini disebabkan oleh perubahan fase dari cair ke padat.

e) Pada saat T = 373 K sampai pada keadaan superheated (T yang sangat tinggi), Cpm H2O bergerak naik secara konstan.

Panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas metana 300-800 K menggunakan data yang ditampilkanDiketahui :

To = 300 K

T = 800 K

Ditanya :

Q = .?

Penyelesaian:

Jadi jumlah panas yang dibutuhkan ialah sebesar 24996,407 Joule untuk setiap

mol metana.

Pendapat Anda Mengenai Gambar 3b?

Nilai Cv didapatkan dari perubahan energi dalam persatuan temperatur pada volume konstan. Nilai tersebut didapatkan dari persamaan berikut:

Dengan membuat persamaan tersebut menjadi persamaan diferensial

Substitusi W dengan -PdV:

Pada volume konstan, nilai PdV adalah nol, sehingga apabila dibandingkan dengan temperatur:

Nilai Cp didapatkan dari perubahan energi dalam persatuan temperatur pada tekanan konstan. Nilai tersebut didapatkan dari persamaan berikut:

Dengan membuat persamaan tersebut menjadi persamaan diferensial

Pada tekanan konstan, nilaiPdV adalah nol, sehingga apabila dibandingkan dengan temperature:

Soal Keempat

Dari gambar 4 di bawah ini pula, peserta mengetahui hubungan energy dalam dan entalpi dengan kapasitas panas. Selain itu diketahui pula bahwa energy dalam dan entalpi adalah dua termodinamika kuantitas atau variable yang digunakan dalam persamaan keseimbangan energy. Energy panas ditambahlan ke gas molekul poliatomik dapat muncul sebagai energy rotasi dan vibrasi ( serta translasi ) dari molekul gas.

Gambar 3

Jelaskan energy internal molekul gas dalam hal mode yang berbeda gerak : translasi, rotasi, dan mode getaran, selain kontribusi elektronik. Gunakan diagram berikut menunjukan distribusi Boltzmann populasi untuk rotasi, getaran, dan tingkat energy elektronik pada suhu kamar.

Jawab

Energi Internal Molekul Gas Dalam Hal Mode Gerak Dan Distribusi Boltzmann

Energi internal (energi dalam) molekul gas dapat didefinisikan sebagai berikut:

Pada gerak translasi, nilai kapasitas panas dari molekul gas adalah:

Sehingga, energi dalamnya adalah:

Ketika molekul gas mulai mengalami gerak rotasi, nilai kapasitas panasnya menjadi:

Sehingga, energi dalamnya adalah:

Dan ketika molekul gas mulai mengalami gerak rotasi, nilai kapasitas panasnya menjadi:

Sehingga, energi dalamnya adalah:

Hal ini dapat dijelaskan dalam gambar berikut:

Gambar 1. Diagram Cv versus T pada Molekul Gassumber: www.ux1.eiu.eduDistribusi Boltzmann dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

Dengan k adalah nilai konstanta Boltzmann sebesar 1,381 x 10-23 J/K. Dalam pengaplikasiannya untuk tingkat energi, terdapat beberapa hal penting yang harus diperhatikan, yaitu sebagai berikut:

Semakin tinggi keadaan energi suatu molekul, semakin sedikit populasi molekul yang menempati keadaan tersebut.

Semakin tinggi suhu suatu molekul, semakin banyak populasi molekul yang menduduki keadaan energi tinggi,

Tingkat energi akan semakin banyak terpopulasi apabila perbandingan antara Ei Ej dengan kT dekat (seperti dalam gerak translasi dan gerak rotasi).

Dari gambar 4 pada pemicu, ditunjukan bahwa tingkat energi pada gerak rotasi lebih banyak terpopulasi daripada gerak vibrasi dan gerak elektronik pada suhu ruangan. Hal ini bersesuaian dengan poin ketiga dari pernyataan mengenai distribusi Boltzmann diatas. Lalu, pada diagram, semakin tinggi tingkat energinya, semakin sedikit populasi molekul yang menempati tingkat eergi tersebut. Hal ini bersesuaian dengan poin pertama dan poin kedua dari pernyataan mengenai distribusi Boltzmann diatas.

Soal 5 Untuk Sistem tertutup, persamaan kesetimbangan energy diberikan sebagai u = q-w. Sangat menarik dan membantu untuk mengetahui energy internal dan kapasitas panas yang ditentutkan secara eksperimental karena itu. Jelaskan cara menetapkan persamaan energy internal calorimeter bom adiabatic dibawah ini.Kalorimeter bom adalah tipe calorimeter volume konstan yang digunakan untuk menentukan combustion panas reaksi kimia. Kalorimeter bom harus memiliki tahanan tekanan yang tinggi dalam sistemnya karena reaksi kimia dalam sistem. Dalam sistem calorimeter bom ini, energy listrik digunakan untuk membantu reaksi dengan konversi menjadi energi panas.

Berlaku : U(total) = U(sistem) + U(lingkungan) = 0 U(sistem) = - U(lingkungan) = -Cv T (volume konstan dV = 0)

Cv adalah kapasitas panas dari sistem kalorimetri, nilainya dapat ditentukan dari nilai parsial komponen sistem masing-masing. Dalam sistem ini berlaku :

Dalam combustion panas, Cv ditentukan dengan combustion panas

Cv = Hc/T, perubahan panas adalah dari hasil reaksi, ini terjadi apabila pada sistem mengalami reaksi kimia pembakaran (combustion).Pada Bomb Kalorimeter, yang merupakan sistem tertutup, berlaku rumus sebagai berikut :

Q = Energi Kalor dari luar sistem (kalor laten dan sensible)W = Usaha pada sistem untul penyesuaian diri dengan lingkungan

Pada persamaan ini, sifat bomb calorimetry adalah adiabatic, sehingga tidak ada perpindahan kalor dari lingkungan ke dalam sistem , sehingga Q = 0.

Dalam persamaan ini, kalorimetri memiliki volume konstan, sehingga usaha pada sistem adalah 0 (W = 0). Penggunaan kalorimetri ini mengindikasikan tidak ada perubahan pada energy dalam sistem sehingga

, Karena tidak ada perubahan suhu yang berasal dari luar sistem dan volume pada keadaan adiabatik dan sistem tertutup kalor.Soal 5

Untuk Sistem tertutup, persamaan kesetimbangan energy diberikan sebagai u = q-w. Sangat menarik dan membantu untuk mengetahui energy internal dan kapasitas panas yang ditentutkan secara eksperimental karena itu. Jelaskan cara menetapkan persamaan energy internal calorimeter bom adiabatic dibawah ini.

Kalorimeter bom adalah tipe calorimeter volume konstan yang digunakan untuk menentukan combustion panas reaksi kimia. Kalorimeter bom harus memiliki tahanan tekanan yang tinggi dalam sistemnya karena reaksi kimia dalam sistem. Dalam sistem calorimeter bom ini, energy listrik digunakan untuk membantu reaksi dengan konversi menjadi energi panas.

Berlaku : U(total) = U(sistem) + U(lingkungan) = 0 U(sistem) = - U(lingkungan) = -Cv T (volume konstan dV = 0) Karena sistem tertutup dan adiabatic, sehingga nilai W = 0.

Cv adalah kapasitas panas dari sistem kalorimetri, nilainya dapat ditentukan dari nilai parsial komponen sistem masing-masing. Dalam sistem ini berlaku :

Dalam combustion panas, Cv ditentukan dengan combustion panas

Cv = Hc/T, perubahan panas adalah dari hasil reaksi, ini terjadi apabila pada sistem mengalami reaksi kimia pembakaran (combustion).

Pada Bomb Kalorimeter, yang merupakan sistem tertutup, berlaku rumus sebagai berikut :

Q = Energi Kalor dari luar sistem (kalor laten dan sensible)W = Usaha pada sistem untul penyesuaian diri dengan lingkungan

Pada persamaan ini, sifat bomb calorimetry adalah adiabatic, sehingga tidak ada perpindahan kalor dari lingkungan ke dalam sistem , sehingga Q = 0.

Dalam persamaan ini, kalorimetri memiliki volume konstan, sehingga usaha pada sistem adalah 0 (W = 0). Penggunaan kalorimetri ini mengindikasikan tidak ada perubahan pada energy dalam sistem sehingga :

, Karena tidak ada perubahan suhu yang berasal dari luar sistem dan volume pada keadaan adiabatik dan sistem tertutup kalor.

Soal 6

Salah satu kebutuhan untuk memeahami konsep kekekalan energy dan massa, dalam rangka memahami calorimeter bekerja. Jelaskan sifat termodinamika yang disebutkan dalam pernyataan berikut dan menentukan nilai-nilai mereka unyuk air sebagai bahan murni pada tekanan atmosfer

Kapasitas panas yang solid sebagai fungsi dari -10oC hingga 0oC dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan es tersebut.

Panas mencairnya es pada 0oC

Kapasitas panas cair sebagai fungsi temperature 0oC hingga 100oC dan panas yang dibutuhkan

Panas penguapan air

Kapasitas panas uap sebagai fungsi temperature dari 100oC hingga 110oC dan panas yang dibutuhkan(superheated)

Plot hasil anda sebagai entalpi air sebagai fungsi temperature.

Dalam soal 6 terdapat banyak proses termodinamika.Pada point-point reaksi berlaku rumus kalor sensible atau kalor laten :

Rumus disesuaikan dengan perhitungan berdasarkan mol (n) atau massa (m)

Pada kalor laten berlaku rumus :

Kapasitas panas adalah sejumlah panas yang harus diperlukan untuk meningkatkan temperatur sebesar satu derajat K. Konsep mengenai kapasitas panas dapat dinyatakan dengan dua cara, yaitu:

a. Kapasitas Panas pada Volume Tetap (Cv)

dengan E adalah energi internal dari sistem yaitu total energi yang ada dalam padatan baik dalam bentuk vibrasi atom maupun energi kinetik elektronbebas.

b. Kapasitas Panas pada Tekanan Tetap (Cp)

dengan H adalah entalpi dari sistem.

Panas spesifik (specific heat) adalah kapasitas panas per satuan massa per derajat K, yang juga sering dinyatakan sebagai kapasitas panas per mole per derajat K. Untuk membedakan dengan kapasitas panas yang ditulis dengan huruf besar (Cv) dan (Cp), maka panas spesifik dituliskan dengan huruf kecil (cv) dan (cp).

Selanjutnya untuk menjawab soal yang ada dalam pemicu diatas, kita menggunakan data persamaan kapasitas kalor sebagai berikut

dengan nilai a, b, c dan d nya adalah sebagai berikut (untuk air):

FaseAb x 102c x 105d x 109Rentang Suhu (K)

Cair18.296447.212-133.881314.2273-373

Gas33.460.68800.7604-3.5930-1500

Kemudian dengan diketahuinya data tersebut, maka untuk mendapatkan nilai dari kalor yang dibutuhkan untuk pertanyaan 1, 3 dan 5 dapat kita tentukan sebagai berikut:

Seanjutnya untuk menjawab soal 1 kita tidak dapat menggunakan data yang ada ditabel diatas karena data tersebut tidak sesuai untuk kondisi air pada saat suhu dibwah 00C. Sehingga penyelesaian alternatifnya adalah dengan menggunakan rumus , dimana nilai c air pada saat es adalah sebesar 2100 J/kg 0C. Sehingga kalor untuk memanaskan es adalah:

Untuk soal 2 kita menggunakan persamaan kalor laten, karena disoal diketahui bahwa ada perubahan fasa dari padat - cair, digunakan nilai dari kalor laten peleburan es sebesar 3.36 x 105 untuk menyelesaikan masalah diatas.

Untuk soal 3 dapat kita selesaikan dengan menggunakan persamaan kapasitas kalor dengan menggunakan nilai parameter a, b, c dan d yang untuk air pada wujud cair. Lalu nilai kalor yang dibutuhkan merupakan intergral dari CpdT dari temperatur 273 K 373 K.

Untuk soal 4 kita menggunakan persamaan kalor laten, karena disoal diketahui bahwa ada perubahan fasa dari es-padat menjadi air-cair, sehingga digunakanlah nilai dari kalor laten peleburan es sebesar 3.36 x 105 untuk menyelesaikan masalah diatas.

Untuk soal 5 dapat kita selesaikan dengan menggunakan persamaan kapasitas kalor dengan menggunakan nilai parameter a, b, c dan d yang untuk air pada wujud gas. Lalu nilai kalor yang dibutuhkan merupakan intergral dari CpdT dari temperatur 373 K 383 K

Untuk mengetahui sifat termodinamika, dapat digunakan table sifat termodinamika air, tetapi pada yang terakhir digunakan table superheated, karena melebihi titik didih air.

Sehingga dari beberapa nilai H yang sudah didapatkan dari lima point diatas lalu kita dapatkan nilai plot H terhadap T sebagai berikut dibawah ini:

Grafik 1. Plot Entalpi terhadap Temperatur

8. State I (awal)

Volume : Pressure : 0,5 MpaTemperatur : 50oC

Selanjutnya zat tersebut didinginkan hingga mencapai titik uap jenuhnya. Sifatnya pada yang pertama dianggap superheated karena nilai tekanan dengan suhu yang jauh lebih tinggi pada ketentuan saturatedMenggunakan table sebagai berikut :

Dalam table diatas, digunakan untuk mencari nilai volume spesifik dua keadaan,

Vspesifik = Massa gas pada sistem =

= 10,68 kg Karena sistem ada dalam tank, maka nilai volumenya sama(konstan)Sehingga berlaku rumus =

Karena volume konstan, maka W = pdV adalah 0 karena nilai dV adalah 0, sehingga perubahan energy internal (U) sama dengan Q

Pada state I(superheated), dari table berlaku rumus :

Vspesifik = Massa (konstan) = 10,68 kg

Menentukan U1 dengan interpolasi 70 dan 80 psia hingga 0,5 Mpa

U1 = 265,8 kJ/kg

Pada state 2, suhu adalah 60 derajad Farenheit atau 15,5 derajad celcius melalui interpolasi tabel, menyesuaikan dengan nilai tekanan yang berlaku pada sistem, suhu pada saturated vapor disesuaikan pada tekanan tersebut.

Pada 60 derajad farenheit atau 15,5 derajad celcius, berlaku :

Vspesifik = 0,04145 Massa = 10,68 kg

U2 = 229,7 KJ/kg (melalui table saturated vapor)

Dalam hitungan ini, nilai Q ditentukan melalui perubahan energy dalam karena

Spesifik energy dalam yang berbeda karena perubahan suhu dan kondisi, menjadi nilai Q (perpindahan panas)

U1- U2 = 36,1 kJ/kg

m = 10,68 kg

Q = 10,68 x 36,1 = 385,548 kJ

Soal ketujuh

Salah satu kebutuhan untuk memahami konsep kekekalan energy dan massa, dalam rangka untuk memahami bagaimana calorimeter bekerja. Jelaskan sift termodinamika yang disebutkan dalam pernyataan berikut dan menentukan nilai-nilai mereka untuk air sebagai bahan murni pada tekanan atmosfer :

Kapasitas panas yang solid sebagai fungsi temperature dari -10 C sampai 0 C dan panas yang sesuai dibutuhkan untuk memanaskan es dari -10 C sampai 0 C

Panas mencairnya es pada 0 C

Kapasitas panas cair sebagai fungsi temperature dari 0 C sampai 100 C dan panas yang sesuai dibutuhkan untuk memanaskan air dari 0 C sampai 100 C

Panas penguapan air pada 100 C

Kapasitas panas uap sebagai fungsi temperature dari 100 C sampai 110 C dan panas yang sesuai dibutuhkan untuk memanaskan uap jenuh pada 100 C menjadi superheated steam pada 110 C

Plot hasil anda sebagai entalpi air sebagai fungsi temperature. Bandingkan masuk akal dan panas laten air

Jawab

Kapasitas panas adalah sejumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan temperatur sebesar satu derajat. Untuk menjawab soal diatas, kita menggunakan data persamaan kapasitas kalor sebagai berikut: (berdasarkan buku Basic Principal and Calculation in Chemical Engineering 6th Edition)

dengan nilai a, b, c dan d nya adalah sebagai berikut (untuk air):

Faseab x 102c x 105d x 109Rentang Suhu (K)

Cair18.296447.212-133.881314.2273-373

Gas33.460.68800.7604-3.5930-1500

Kemudian dengan diketahuinya data tersebut, maka untuk mendapatkan nilai dari kalor yang dibutuhkan untuk pertanyaan nomor 1, 3, dan 5 dapat kita tentukan sebagai berikut:

Untuk menjawab soal 1 kita tidak dapat menggunakan data yang ada ditabel diatas karena data tersebut tidak sesuai untuk kondisi air pada saat suhu dibawah 00C. Sehingga penyelesaian lainnya adalah dengan menggunakan rumus , dimana nilai c air pada saat es adalah sebesar 2100 J/kg 0C. Sehingga kalor untuk memanaskan es adalah:

Untuk soal 2 kita menggunakan persamaan kalor laten, karena disoal diketahui bahwa ada perubahan fasa dari es-padat menjadi air-cair, sehingga digunakanlah nilai dari kalor laten peleburan es sebesar 3.36 x 105 untuk menyelesaikan masalah diatas.

Untuk soal 3 dapat kita selesaikan dengan menggunakan persamaan kapasitas kalor dengan menggunakan nilai parameter a, b, c dan d yang untuk air pada wujud cair. Lalu nilai kalor yang dibutuhkan merupakan intergral dari Cp dT dari temperatur 273 K 373 K.

Untuk soal 4 kita menggunakan persamaan kalor laten, karena disoal diketahui bahwa ada perubahan fasa dari air-cair menjadi uap-gas, sehingga digunakanlah nilai dari kalor laten uap sebesar 2.26 x 106 untuk menyelesaikan masalah diatas.

Untuk soal 5 dapat kita selesaikan dengan menggunakan persamaan kapasitas kalor dengan menggunakan nilai parameter a, b, c dan d yang untuk air pada wujud gas. Lalu nilai kalor yang dibutuhkan merupakan intergral dari CpdT dari temperatur 373 K 383 K

Sehingga dari beberapa nilai H yang sudah didapatkan dari lima point diatas lalu kita dapatkan nilai plot H terhadap T sebagai berikut dibawah ini:

Grafik 1. Plot Entalpi terhadap Temperatur

Sehingga, dari grafik diatas satu hal yang pasti dapat kita lihat secara jelas adalah entalpi yang dibutuhkan untuk mengubah fasa suatu zat baik mencair-membeku atau menguap-mengembun lebih besar dibandingkan untuk menaikan suhu zat suatu cairan.

Soal 8

Kukus (steam) masuk nozzle dari steam turbine dengan kecepatan 10ft/sec pada tekanan 500 psia dan suhu 1000oF. Tekanan dan suhu pada keluaran nozzle adalah 300oF dan 1atm. Tentukanlah kecepatan keluaran nozzle dan luas penampangnya.

Analisis: Aliran mengalir melewati nozzle pada keadaan tunak dengan sifat yang diketahui pada aliran masuk dan keluar, diketahui juga laju alir massa, dan diabaikannya efek dari perpindahan panas dan energi potensial.

Untuk menyelesaikan masalah di atas, pertama kali kita dapat menuliskan persamaan umum dari konservasi energi, dengan mengabaikan perpindahan panas dan kerja, dan juga energi potensialnya. Laju alir dari kukus juga diketahui sama antara kondisi 1 dan 2

Maka persamaannya menjadi:

Dan untuk mencari V2, maka:

Nilai dari h1, dan h2 bisa didapatkan dari steamtable, masing-masing h1 = 1520,9 Btu/lbm, h2 = 1192.611 Btu/lbm. Kemudian dengan memasukkan nilai V1, maka

Kemudian untuk mencari luas area keluar dari nozzle, dapat menggunakan persamaan:

Dimana dengan menggunakan steamtables didapat volume spesifik pada aliran keluar dengan nilai v2 = 30,531 ft3/lb, dan diasumsikan Maka;

Soal 9

Kukus (steam) masuk alat penukar panas (HE) pada 1,4 MPa dan 3000C dimana kukus terkondensasi pada keluaran beberapa tube-tube. Kukus yang terkondensa meninggalkan HE sebagai cairan pada 1,4 MPa dan 1500C dengan laju alir 5000 kg/hr. Kukus dikondensasi oleh air yang lewat tube-tube. Air masuk pada HE pada 200C dan menyebabkan kenaikan suhu 200C pada sisi keluaran. Asumsikan HE dalam keadaan adiabiatis dan jelaskanlah laju alir airyang diperlukan.

Analisis: Aliran kukus dan aliran air tidak bercampur. Jadi kesetimbangan laju alir massa pada kedua aliran diarahkan pada kondisi tunak.

Ditanya: Jelaskan laju alir air yang diperlukan!

Jawab: Untuk memudahkan perhitungan, kita membuat beberapa asumsi, diantaranya:

1. Asumsikan tidak ada perubahan energi potensial dan energi kinetik.

2. Tidak ada kerja yang dilakukan baik terhadap sistem maupun oleh sistem.

Karena HE dalam keadaan adiabiatis, maka Q = 0

Berikut adalah gambar dari HE yang akan kita cari laju alir airnya 2

Dengan memasukkan asumsi-asumsi yang telah jelaskan sebelumnya, maka didapat:

Menjadi

Dengan menyesuaikan dengan gambar di atas, kita dapatkan persamaannya menjadi:

(1)

(2)

(3)

(4)Dengan informasi yang telah diketahui adalah

1. laju alir telah diketahui 5000kg/hr.

2. h1 didapat dari tabel superheated dengan tekanan 1,4 Mpa dan temperatur 3000C yaitu h1 = 3091,0 KJ/Kg.

3. h2 kukus yang telah terkondensasi menjadi cairan, maka kita menggunakan saturated table untuk mencari h2, yaitu h2 = 632,722 KJ/Kg.

4. h3, dan h4 dari air didapat dari saturated table masing-masing h3 = 83,92KJ/Kg dan h4 = 167,58KJ/Kg.

Kemudian dengan memasukkan semua nilai yang telah diketahui, kita akan mendapatkan

Soal 10

Keadaan awal(1)

Keadaan akhir (2)

Untuk menjawab soal ini, kami berasumsi bahwa suhu akhir sistem (tanki + nitrogen) adalah 95 K. Data nilai-nilai termodinamika uap jenuh nitrogen pada suhu tersebut diambil dari tabel yang diberikan pada soal.

Selanjutnya, karena kondisi pada soal adalah unsteady state, maka neraca massa yang digunakan adalah:

Karena tidak ada aliran keluar, maka mout = 0 :

Neraca energi yang digunakan adalah neraca energi umum:

Pada soal ini, energi kinetik () dan energi potensial ( dapat diabaikan. Selain itu, tidak ada kerja yang dilakukan pada sistem. Maka: dan persamaan di atas menjadi:

Persamaan di atas dikalikan dengan dt:

Pada keadaan awal, tangki kosong sehingga m1 = 0:

Dari hasil yang diperoleh pada neraca massa, maka m2 = min :

Karena U = H-PV, dan keadaan akhir seluruhnya berisi uap jenuh nitrogen (sehingga U2 = Uvap) maka persamaan di atas menjadi:

SOAL NO 11

Gas metana dibakar secara sempurna dengan 30% udara berlebih pada tekanan atmosfer. Metana dan udara tungku masuk pada suhu 30oC jenuh dengan uap air, dan gas buang meninggalkan tungku pada 1500oC. Kemudian gas buang melewati penukar panas dan keluar dari HE pada 50oC. Dengan basis 1 mol metana, hitunglah banyak panas yang hilang dari tungku dan banyak panas yang ditransfer dalam penukar panas.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Reaksi yang terjadi: Basis: 1 mol CH4Produk masukProduk keluar

KomponenMolKomponenMol

CH41CO21

O2 (dibutuhkan)2H2O2

O2 (kelebihan)0,6O20,6

O2 (total)2,6N29,78

N29,78

Udara total12,38

Kesetimbangan energi: , asumsi , , , sehingga kesetimbangan energi menjadi Entalpi (J/g mol)

Suhu (K)CH4O2N2CO2H2O

298879732728912837

3031064878,86873,27--

3231821,71471,261455,071886,911682,17

1773-51416,0348764,5078826,9361890,42

Kalor pembentukan adalah

CH4O2N2CO2H2O

Hf (J/gmol)-7484000-393510-241826

Produk:

HCO2 = (1) [(78826,93 - 912) - 393510] = -315595,07

HH2O = (2) [(61890,42 - 837) 241826] = -361545,16

HO2 = (0,6) [(51416,03 732) 0] = 30410,42

HN2 = (9,78) [(48764,50 728) 0] = 469796,97

Reaktan:

HCH4 = (1) [(1064 - 879) 74840 = -74655

HO2 = (2) [( 878,86 - 732) 0] = 293,72

HN2 = (9,78)[( 873,27 - 728) 0] = 1420,74

Panas yang hilang dari tungku adalah sebesar -103,99 kJ/gmolDaftar Pustakahttps://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0073529214/395307/appdxs1_2.pdfHimmelblau, David Mautner. 1996. Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering 3th ed. New Jersey : Prentice Hall PTR.Moran, Michael J., Howard N. Shapiro. 2010. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 3th ed. Asia : John Wiley & Sons Pte Ltd.

Smith, J.M.,H.C.van Ness, and Abbott, M.M., "Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics", 5th ed., McGraw-Hill, 1996.

I kg

IRON

20 30 C

4,5 kJ

I kg

WATER

20 30 C

41,8 kJ

V = konstan

M = I kg

T = 1 C

Cv = 3,12 QUOTE

P = konstan

M = I kg

T = 1 C

Cp = 5,19 QUOTE

N2 (cairan jenuh)

Tin = 77,3 K

Hin = -120,8 kJ/kg

TANGKI KOSONG

T1 = 295 K

mt = 30 kg

ct = 0,43 kJ/kg K

Vt = 0,5 m3

TANGKI + N2 UAP JENUH

Asumsi:

T2 = Tvap = 95 K

Pvap = 5,398 bar

QUOTE = 0,04487 m3/kg

Hvap = 86,8 kJ/kg

50oC

30oC

1500oC

CO2

H2O

N2

O2

CH4

N2

O2

Tungku

Heat Exchanger