makalah print termodinamika

8/12/2019 MAKALAH PRINT Termodinamika

1/19

1

1. Energi datang dalam berbagai bentuk. Seluruh peserta kuliah diminta untuk membuatdaftar semua jenis energi dan memberikan contoh dalam kehidupan nyata masing-

masing.

No Jenis Energi Pengertian Aplikasi

1 Energi kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda

saat bergerak. Energi itu akan dilepaskan

(hilang) jika benda berhenti (diam). Besar energi

kinetik benda ditentukan oleh massa benda dan

kecepatan gerak benda. Semakin besar massa

benda dan semakin cepat gerak benda, energi

kinetiknya semakin besar.

- Orang berlari- Mobil berjalan

2 Energi potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki

benda karena keadaan atau kedudukannya. Kita

mengenal beberapa energi potensial, antara lain

energi potensial gravitasi, energi potensial pegas,

dan energi potensial listrik.

- Permainan baseball- Pegas

3 Energi kimia

Energi Kimia adalah energi yang tersimpan

dalam bahan makanan dan bahan bakar. Energi

itu akan dilepaskan jika bahan makanan atau

bahan bakar mengalami reaksi kimia.

- Makanan- Bahan bakar

4 Energi listrik

Energi listrik ditimbulkan oleh arus listrik. Energi

listrik merupakan energi yang paling banyak

digunakan oleh manusia secara langsung. Hal itukarena energi listrik mudah dibangkitkan dan

mudah diubah bentuknya menjadi energi bentuk

lain

- Penerangan- Pemanasan

5 Energi bunyiEnergi bunyi merupakan energi yang dibawa oleh

segala sesuatu yang mengeluarkan bunyi.

- Orang berbicara- Pemain musik

6Energi cahaya

dan panas

Energi cahaya dan energi panas adalah dua

bentuk energi yang erat sekali hubungannya.

Benda yang memancarkan cahaya biasanya

disertai dengan panas

- Radiasi matahari- Sinar laser

1. yang identik untuk zat yang berbeda sebesar satu derajat seperti pada Gambar 1dibawah ini.

2. Para peserta juga mengetahui dari pengalaman yang dipelajari bahwa dibutuhkanjumlah energi yang berbeda untuk meningkatkan suhu dari massa


2/19

2

Gambar 1. Pemanasan besi (iron) dan air (water).

Dari Gambar 1 diatas dapat disimpulkan bahwa energi yang dibutuhkan untuk

menaikkan suhu besi (Iron) dan air (water) sebesar 10K berbeda. Hal tersebut disebabkan

karena besi dan air memiliki kapasitas panas (Cp) yang berbeda. Kapasitas panas (Cp)

didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah temperatur suatu benda

sebesar 1 K. Setiap zat/materi memiliki kapasitas panas yang unik (berbeda).

Dalam kasus diatas, Cp besi adalah:

Sedangkan Cp air adalah:

Dari perhitungan di atas menunjukkan bahwa air membutuhkan energi lebih banyak

untuk menaikkan suhunya sebesar 1 K. Oleh karena itu, energi yang dibutuhkan air sesuai

Gambar 1 jelas lebih besar dibandingkan besi.

1 kg

IRON

293 K303 K

1 kg

WATER

293 K303 K


3/19

3

3. Menurut anda ada berapa jeniskah kapasitas panas dalam termodinamika dan berikandefinisinya berdasarkan Gambar 2 di bawah ini.

Gambar 2. Kondisi Isokhorik dan Isobar

Kapasitas Panas

Kapasitas Panas (C) didefinisikan sebagai:

Dari definisi persamaan di atas dapat dikatakan bahwa semakin sedikit penambahan

suhu (T) akibat diberikan kuantitas panas tertentu, maka semakin besar kapasitas panasnya(C). Terdapat 2 macam kapasitas panas yang sering digunakan dalam sebuah fluida

homogeny, yaitu:

1. Kapasitas panas pada volume konstan (Cv)2. Kapasitas panas pada tekanan konstan (Cp)

Kapasitas panas pada volume konstan (Cv)

Berdasarkan Gambar 2, Kapasitas panas pada volume konstan (Cv) merupakan

kapasitas suatu fluida homogen ketika mengalami proses Isokhorik (Volume konstan). Jadi,

pada volume konstan, kapasitas panasnya dapat didefinisikan sebagai:

Kapasitas panas pada tekanan konstan (Cp)

Berdasarkan Gambar 2, Kapasitas panas pada tekanan konstan (Cp) merupakan

kapasitas suatu fluida homogen ketika mengalami proses Isobarik (Tekanan konstan). Jadi,

pada tekanan konstan, kapasitas panasnya dapat didefinisikan sebagai:

Dengan menggunakan definisi enthalpy,

V = constantm = 1 kg

T = 1 KCv = 3.12 kJ/kgK

3.12 kJ

P = constantm = 1 kg

T = 1 KCv = 5.19 kJ/k K

5.19 kJ


4/19

4

dan melakukan penurunan persamaan enthalpy, hubungan antara Cp dan Cv dapat

didefinisikan sebagai berikut:

4. Satuan yang umum yang digunakan untuk kapasitas panas adalah kJ/kgoC atau kJ/kgK.Jelaskan mengapa keduanya dapat identik dan berikan penjelasan pula untuk satuan

kapasitas panas yang terkadang menggunakan basis molar.

kJ/kgoC dan kJ/kgK merupakan satuan yang identik karena pada perhitungan

kapasitas panas yang digunakan adalah selisih suhu akhir dan suhu awal (T). Dalam hal ini,

interval pada skala celcius (oC) dan kelvin (K) memiliki perbandingan yang sama (1:1),

sehingga kenaikan suhu 1oC akan sama saja dengan kenaikan suhu 1 K.

5. Pelajari diagram Gambar 3a yang diberikan dibawah ini. Jelaskan mengapa adadiskontuinitas dalam plot kapasitas air.

Diskontuinitas pada plot kapasitas panas air (H2O), seperti pada gambar 3 dibawah ini,diakibatkan karena adanya ikatan hydrogen pada molekul-molekul air.

Gambar 3. Grafik Cp air.

Ketika air dipanaskan (fasa liquid), banyak energy digunakan untuk membelokkan ikatan

hydrogen. Dibutuhkan sekitar 40% energy lebih untuk membelokkan ikatan hydrogen ketika air mulai

dipanaskan. Dengan adanya pembelokan ikatan hydrogen pada fasa liquid air, maka dibutuhkan

energy lebih untuk menaikkan suhunya. Oleh karena itu, Cp air akan meningkat nilainya ketika fasanya

liquid.

Ilustrasi pembelokkan ikatan hydrogen dapat lebih mudah dipahami dengan gambar berikut:


5/19

5

Gambar 3c. Struktur molekul air pada fasa padat

Gambar 3d. Struktur molekul air pada fasa liquid

Dari gambaran di atas, dapat dilihat bahwa terjadi pembelokan ikatan hydrogen pada

fasa cair, sehingga membutuhkan energy lebih banyak. Pada fasa gas, letak molekul

berjauhan, sehingga ikatan hydrogen tidak akan dominan. Oleh sebab itu, nilai Cp akan

kembali menurun ketika fasanya adalah gas.


6/19

6

6. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas metana (CH4) dari300 K hingga 800 K menggunakan data yang ditampilkan. Apakah Anda pikir itu masuk

akal untuk mengasumsikan kapasitas panas yang konstan untuk rentang suhu tertentu.

Kapasitas kalor dari metana dapat dicari dengan menggunakan persamaan:

dengan,

Temperature (K) 298. - 1300. 1300. - 6000.

A -0.703029 85.81217

B 108.4773 11.26467

C -42.52157 -2.114146

D 5.862788 0.138190

Cp = heat capacity (J/mol*K)

Hasil dari perhitungan dengan menggunakan persamaan di atas adalah:

T Cp

200 19.34

230 22.07260 24.73

290 27.32

320 29.85

350 32.31

380 34.70

410 37.03

440 39.29

470 41.50

500 43.64530 45.72

560 47.74

590 49.70

620 51.60

650 53.45

680 55.24

710 56.98

740 58.66

770 60.29


7/19

7

800 61.87

Selanjutnya, perhitungan Cp metana dapat diplot ke dalam table:

Grafik 1. Kapasitas panas metana

Dari informasi table diatas, Cp yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu metana dari

200 800 K merupakan luas area dibawah kurva grafik diatas. Luas kurva diatas dapat

dihitung dengan memanfaatkan sistem integrasi sebagai berikut:

=

Dimana,

T1 = 300 K

T2 = 800 K

A = -0.703029

B = 108.4773

C = -42.52157

D = 5.862788

Dari perhitungan menggunakan persamaan di atas, didapatkan nilai Cprata-ratasebesar:

Selanjutnya, banyaknya panas yang dibutuhkan adalah:

Jadi, sangat tidak masuk akal untuk menggunakan satu nilai konstanta Cp pada suhu

tertentu untuk melakukan perhitungan panas yang dibutuhkan metana untuk menaikkan suhu

dari 200-800 K.


8/19

8

7. Bagaimana pendapat Anda untuk Gambar 3b dibawah ini?Gambar 3b sudah dijelaskan dengan cukup baik pada soal nomer 3.

8. Jelaskan energi internal molekul gas dalam hal perbedaan gerak: translasi, rotasi, danvibrasi, selain kontribusi elektronik.

Energi dalam dari molekul gas tersebut dipengaruhi oleh degree of freedomdari setiap

mode gerak molekul. Mode gerak tersebut adalah translasi, rotasi, dan vibrasi. Dari derajat

kebebasan tersebut, besar energi dalamnya adalah berupa

dikali derajat kebebasan

tersebut.

- Untuk gerak translasi, derajat kebebasannya adalah sebesar 3.- Untuk gerak rotasi linear, derajat kebebasannya adalah sebesar 2.- Untuk gerak rotasi non linear, derajat kebebasannya adalah sebesar 3.- Untuk gerak vibrasi, derajat kebebasannya adalah sebesar 2, namun gerak ini baru muncul

pada temperatur-temperatur yang tinggi.

Pada gas monoatomic, hanya terdapat gerak translasi. Karena itu,

Untuk molekul linear, terdapat gerak translasi dan gerak rotasi linear.

Untuk molekul non linear, terdapat gerak translasi dan gerak rotasi non linear.

9. Gunakan diagram berikut untuk menunjukkan distribusi Boltzmann populasi untukrotasi, getaran, dan tingkat energi elektronik pada suhu kamar.


9/19

9

Pada distribusi Boltzmann yang disediakan pada gambar 4 menunjukkan bahwa

terdapat lebih banyak molekul yang melakukan gerakan rotasi dibandingkan dengan vibrasi

dan elektronik. Hal itu berarti energy internal pada molekul-molekul pada suhu kamar rata-rata

menyebabkan molekul bergerak secara rotasi.

10.Untuk sistem tertutup, persamaan kesetimbangan energi diberikan sebagai u=q-w.Sangat menarik dan membantu untuk mengetahui bagaimana energi internal dan

kapasitas panas yang ditentukan secara eksperimental, oleh karena itu, jelaskanlah cara

menerapkan persamaan untuk penentuan energi internal cairan menggunakan

kalorimeter bom adiabatik ditunjukan dibawah ini:

Gambar 5. Kalorimeter Bomb

Bomb Calorimeter adalah sebuah kalorimeter yang mana tidak terjadi perubahan

volume (bomb) pada sistem (V = 0). Dan Adiabatic Bomb Calorimeter adalah kalorimeter bom

yang bekerja secara adiabatik, yaitu tidak ada perpindahan kalor (q total= 0).

Proses Adibatik

Dalam proses adiabatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau

meninggalkan sistem (Q=0). Proses adiabatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi

dengan baik. Untuk sistem tertutup yang yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor

yang seenaknya mengalir kedalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adibatik juga bisa

terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Proses dilakukan dengan sangat cepat

sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem.

Untuk menentukan energi dalam fluida pada adiabatic bomb kalorimeter yang perlu

kita tentukan adalah asumsi. Asumsi dalam menentukan energi dalam adalah sistem dalam

keadaan tertutup dan adibatik.Rumus kesetimbangan energi pada closed system:

Bedasarkan soal diatas dan asumsi, maka nilai dari:

Maka:


10/19

10

Pada diabatik karena tidak ada penambahan kalor. Sehingga rumusnyamenjadi

atau

Pada Adiabatic Bomb Kalorimeter yang berperan sebagai sistem adalah fluida. ,

sehingga,

Kita ketahui bahwa

Jadi energi dalam pada fluida di adiabatic bomb kalorimeter:

11.Jelaskan sifat termodinamika yang disebutkan dalam pernyataan berikut danmenentukan nilai-nilai mereka untuk air sebagai bahan murni pada tekanan atmosfer

Kapasitas panas yang solid sebagai fungsi temperatur dari -10oC sampai 0oC danpanas yang sesuai dibutuhkan untuk memanaskan es dari -10

o

C sampai 0o

C Panas mencairnya es pada suhu 00c Kapasitas panas cair sebagai fungsi temperatur dari 0oC sampai 100oC dan panas

yang sesuai dibutuhkan untuk memanaskan air dari 0oC sampai 100oC

Panas penguapan air pada suhu 100oC Kapasitas panas uap sebagai fungsi temperatur dari 100oC sampai suhu 110OC dan

panas yang sesuai dibutuhkan untuk memanaskan uap jenuh pada 100oC menjadi

superheated steam pada 110oC

Plot hasil anda sebagai entalpi air sebagai fungsi temperatur!

Kalor laten dan kalor sensibel dari air dan semua fasenya adalah sebagai berikut.

- Kalor laten peleburan es = 80 cal/gr- Kalor laten penguapan air = 540 cal/gr- Kalor jenis es = 0,8 cal/gr oC- Kalor jenis air = 1 cal/gr oC- Kalor jenis uap = 0,5 cal/gr oC

Solid heat capacity as a function of temperature:


11/19

11

Liquid heat capacity as a function of temperature:

Untuk air,

A = 8,712

B = 1,25

C =0,18

Vapor heat capacity as a function of temperature:

Untuk uap air,

A = 3,470

B = 1,450 x 103

C = 0

D = 0,121 x 10-5

Untuk menghitung kalor yang dibutuhkan, diasumsikan bahwa es, air, dan uap airnya

sebanyak 1 gram.

Jika dibandingkan antara kalor sensibel dengan kalor laten, kalor laten akan bernilai lebih

besar daripada kalor sensibel suatu benda. Untuk hubungan kalor dengan entalpi adalah :


12/19

12

12.Steam masuk ke nozzle dengan laju 10ft/sec pada tekanan 500 psia dan suhu 1000oF.Tekanan dan suhu pada keluaran nozzle adalah 300oF dan 1 atm. Tentukanlah kecepatankeluaran nozzle dan luas penampangnya.

Kondisi 1 : Superheated

P1= 500 psia

T1= 1000F

Dilihat di tabel superheated, maka diperoleh :

v = 1,701 ft3/lb

h = 1520,7 Btu/lb


P2= 1atm = 14,696 psiaT2= 300F

Dilihat di tabel saturated, maka diperoleh :

v = 30,52 ft3/lb

h = 1192,6 Btu/lb

Menentukan kecepatan steam pada kondisi 2


13/19

13

Untuk dapat mengetahui luas di inlet dan exit sistem, kita dapat menggunakan

persamaan debit (Q).

Volume yang diberikan pada steam tableadalah volume spesifik (volume per satuan

massa), sehingga harus dikalikan dengan massa steam (m),

Luas penampang tidak bisa dihitung karena tidak diketahui laju alir massanya.

13.Tangki pejal mempunyai volume 0,5m3diisi dengan refrigerant 134a pada 0,5 Mpa, 50C.Selanjutnya zat ini didinginkan sampai mencapai keadaan uap jenuhnya. Hitunglah kalor

untuk proses ini.


P1= 0,5 MpaT1= 50C

Dilihat di tabel superheated, maka diperoleh :

v = 0,048499 m3/kg

h = 291,96 kj/kg

Kondisi 2 : Saturated

P2= 0,5 Mpa

T2= 15,71C

Dilihat di tabel saturated, maka diperoleh :

vf= 0.0008066 m3/kg

vg= 0.040748 m3/kg

h = 259.46 kj/kg

Pada sistem terbuka:

QW = EK + EP + H


14/19

14

Dengan W = EK = EP = 0

Maka, Q = H

= m ( h2h1)

= V/v (h2h1)

= (0,5/0,048499) (259.46 kj/kg - 291,96 kj/kg)

= 10,309 x (-32,5)

= -335,04 J

Proses tersebut melepaskan kalor sebesar 335,04 J.

14.Kukus (steam) masuk alat penukar panas (heat exchanger) pada 1.4 Mpa dan 300oC dimanakukus terkondensasi pada keluaran beberapa tube-tube. Kukus yang terkondensasi

meninggalkan HE sebagai cairan pada 1.4 MPa dan 150oC dengan laju alir 5000kg/jam. Kukus

dikondensasi oleh air yang lewat tube-tube. Air masuk HE pada 20oC dan menyebabkan

kenaikan suhu 20oC pada sisi keluaran. Asumsikan HE dalam keadaan adiabatic dan jelaskanlah

laju alir air yang diperlukan.

Diketahui

H saat kukus mencapai 300oC adalah 3041 kJ/kg (tabel)

H saat kukus mencapai 150oC adalah 630 kJ/kg (interpolasi)

Massa kukus saat masuk dan keluar adalah sama

Massa air saat masuk dan keluar adalah samaAsumsikan perhitungan untuk durasi 1 jam

SteamP=1.4Mpa

T=300oC

Kondensat

P=1.4Mpa

T=150oC

v=5000 kg/jam

AirP=1.4Mpa

T=20oC

v=??

Air Keluaran

P=1.4Mpa

T=40oC


15/19

15

Sehingga laju alirnya adalah 144.089 kg/jam15.Nitrogen cair disimpan dalam tangki logam 0.5 m3yang diinsulasi dengan baik. Perkirakanlah

proses pengisian tangki kosong yang awalnya mempunyai suhu 295 K. nitrogen cair dicapai

pada titik didih normal 77.3 K dan pada tekanan beberapa bar. Pada kondisi ini, enthalpinya

adalah -120.8 kJ/kg. saat katup dibuka, nitrogen mengalir masuk tangki saat evaporasi pertama

kali terjadi dalam proses pendinginan tangki. Jika tangki memiliki massa 30 kg dan logam

memiliki kapasitas panas spesifik 0.43 kJ/kg.K , Menurut Anda berapakah massa nitrogen yang

harus mengalir masuk ke dalam tangki hanya untuk mendinginkan ke suhu yang membuat

nitrogen cair mulai terakumulasi dalam tangki? Asumsikan bahwa nitrogen dan tangki selalu

pada suhu yang sama. Sifat-sifat uap jenuh nitrogen pada beberapa suhu dapat dilihat pada

tabel berikut:

T (K) P (bar) Vv (m3/kg) Hv (kJ/kg)

80 1.396 0.1640 78.9

85 2.287 0.1017 82.390 3.600 0.06628 85.0

95 5.398 0.04487 86.8

100 7.775 0.03126 87.7

105 10.83 0.02223 87.4

110 14.67 0.01598 85.6

Jawaban

Pada saat nitrogen liquid masuk ke dalam tangki kosong ia berada pada titik jenuh uap. Sehingga datadari soal yang kita dapatkan dapat untuk menghitung satu sifat fisika nitrogen yang belum ada yakni U

(energy dalam) dengan persamaan:

Nitrogen cair

V = 500 L

T1= 295 KHin= -120.8 kJ/kg

C logam= 0.43 kJ/kg.K

m = 30 kg


16/19

16

1

Karena tangki tersebut hanya ada satu pintu masuk untuk mengalirnya fluida sebagai volume controlmaka tidak ada kerja (W) di dalamnya ; W=0. Perubahan energy kinetic dan potensial dapat diabaikan

sehingga persamaan tadi menjadi

2

Kemudian mengenai neraca massa dapat dituliskan

... 3

Persamaan (2) dan (3) dapat digabungkan menjadi

... 4

Sehingga tabel menjadi:

T (K) P (bar) Vv (m3/kg) Hv (kJ/kg) U (H-pV) (kJ/kg)

80 1.396 0.1640 78.9 56.006

85 2.287 0.1017 82.3 59.041

90 3.600 0.06628 85.0 61.139

95 5.398 0.04487 86.8 62.579

100 7.775 0.03126 87.7 63.395

105 10.83 0.02223 87.4 63.325

110 14.67 0.01598 85.6 62.157

Asumsikan uap nitrogen berada pada suhu 100 K dan persamaan (2) dan (3) digabungkan maka dapatditentukan:

( )


17/19

17

Lalu massa uap juga dapat dihitung dengan rumus

16.Gas metana dibakar secara sempurna dengan 30% udara berlebih pada tekanan atmosfer.Metana dan udara masuk tungku 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 uang hilag dari tungku

dan banyak panas yang ditransfer dalam permukaan panas.

Basis = 1 mol metana yang terbakar dengan 30% udara berlebih dalam tekanan atmosfer

keterangan CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

Mula-mula 1 (2 x 1.3) = 2.6 - -

Reaksi -1 (2x -1)= -2 1 2

Sisa 0 0.6 1 2

1) Perhitungan dalam tungku*mol udara adalah mol oksigen dan nitrogen. Oleh sebab itu mol nitrogen yang mula-mula adalah = 2.6

x (persen nitrogen/persen oksigen) = 2.6 x (79/21) = 9.781

sehingga total gas yang masuk ke dalam system (tungku pembakaran) adalah

= mol metana + mol oksigen + mol nitrogen

= 1 + 2.6 + 9.781

= 13.381

Pada saat keluar tungku uap air berada pada suhu 30oC, dengan menggunakan rumus Antoine (dalampemodelan teknik kimia) sehingga tekanan uap airnya dapat diketemukan hasilnya yakni 4.231 kPa dan

suhu uap saat meninggalkan tungku adalah 1500oC dengan tekanannya yaitu 101.325 kPa. Maka

jumlah mol uap air yang masuk ke dalam heat exchanger dapat dihitung dengan:

Tungku pembakaran Heat Exchanger


18/19

18

Neraca massa yang keluar dari tungku dapat ditulis denganMetana (CH4) 1 mol

Oksigen (O2) 0.6 mol

Nitrogen (N2) 9.9721 mol

Uap air (H2O) (2 mol + 0.585) = 2.585 mol

Neraca energy dari tungku tersebut dapat dituliskan

N Ai A (n x Ai) Bi x 10-3 B(n x Bi) x 10-3 Di x 105 D (n x Di) x 105

1 5.457 5.457 1.045 1.045 -1.157 -1.157

0.6 3.639 2.1834 0.506 0.3036 -0.227 -0.1362

9.9721 3.280 32.708 0.593 5.9134 0.040 0.3988

2.585 3.470 8.969 1.450 3.748 0.121 0.3127

Jumlah + 48.692 + 10.89 + -5.892

(metode numeric menggunakan software)

2) Perhitungan dalam Heat Exchanger Gas didinginkan dari suhu 1500oC ke 50oC. Tekanan pada 1500oC adalah 101.325 kPadan tekanan

pada 50oC adalah 12.34 kPa. Tekanan parsial uap air yakni:

Mol gas kering (tanpa uap air) = 14.15712.585 = 11.381 Mol uap air yang keluar dari heat exchanger adalah

(note: tekanan uap air pada suhu 50oC adalah 12.34 kPa)


19/19

19

Sehingga dapat ditentukan mol uap air yang terkondensat adalah

Kalor laten pada 50oC dalam J/mol adalah 2382.8 x 18.015 Joule/mol Maka Q (banyak panas yang ditransfer) dalam heat exchanger adalah

makalah print termodinamika

Documents