ppt pemicu 2 kel. 14 - termo

8/19/2019 PPT Pemicu 2 Kel. 14 - Termo

1/70

First Law of

Thermodynamics

(Pemicu 2)


2/70

Kelompok 14

Indy Prasetya G.

Sheila Nadhifa

Fianna Utomo

Rafi IrzaniMartha Ivana

Akbar Pandu


3/70

›Scientists and engineers, with careful

measurements and analysis of non-nuclearprocesses, have consistently observed thatmass and energy are conserved. Due to itsoverall applicability and generality, theseobservation have been known as the first law of

thermodynamics: energy can not be created norbe destroyed, it can only transform from oneform to another. Energy comes in many forms.List all kind of energy and give real live exampleof each!

0. Zeroth Problem


4/70

Jawab:

Jenis-jenis energi dan contohnya

di kehidupan

›Energi kinetik -> penambahan kecepatan pada sepeda

›Energi potensial -> apel jatuh dari pohonnya

›Energi mekanik -> benda yang bergerak turun pada bidang

miring

›Energi kimia -> baterai dan bensin

›Energi listrik -> seluruh peralatan listrik (blender, setrika, dsb)

›Energi magnet -> kompas

›Energi panas -> radiasi matahari ke bumi

›Energi nuklir -> bom atom


5/70

1. First Problem

›You are planning a birthday party for your niece and need make at least 4 gallons of Kool-Aids, which you would like tdown to 32oF (0Oc) before the party begins. Unfortunately, yrefrigerator is already so full of treats that you know there wno room for the Kool-Aids. So, with a sudden flash of insighdecide to start with 4 gallons of the coldest tap water you ca

which you determine is 50o

F (10o

C) and then cool it down wquart chunk of ice you already have in your freezer. The owmanual for your refrigerator states that when the freezer seon high, the temperature is -20oC. Will your plan work? Stayour assumption!


6/70

Jawab:

› Asumsi :

›Steady state›Bubuk Kool-aid tidak mempengaruhi massa jenis air

› Anomali air diabaikan

›Diketahui:

›Temperatur air : 10 C

›Temperatur es : -20 C

›Volume air : 4 gallons15.1516 liters›Volume es : 1 quart 0.9463 liter

›Kalor laten es (L): 80 cal/g/C

›Kapasitas panas air : 1 cal/C

›Kapasitas panas es : 0.5 cal/C


7/70

Penyelesaian

Cp air = 4,2 = 1000

Cp es = = 2,1 = 500

Kalor Lebur = 800

Massa air = 4 galon = 15 liter = 15 kgMassa es = 1 kuart = 0,9 kg


8/70

T = 4,7 C


9/70

›Steam is contained in a closed rigid container with a

volume of 1 m3. Initially, the pressure and temperature ofthe steam are 7 bar and 500 °C, respectively. The

temperature drops as a result of heat transfer to the

surroundings. Determine the temperature at which

condensation first occurs, in °C, and the fraction of the to

mass that has condensed when the pressure reaches 0.5bar. What is the volume, in m3, occupied by saturated liq

at the final state?

2. Second Problem


10/70

Diketahui Ditanya

›Volum Container = 1

m3

›Pawal= 7 bar

›Tawal= 500° C

›T kondensasi pertam

(°C)

›X saat P= 0,5 bar ›V sat liquid pada

kondisi akhir


11/70

Asumsi

›Kontainer adalah closed system,

Sehingga volum spesifik konstan

Jawab:


12/70

Suhu awal kondensasi

›Di dapatkan dari tabel volume spesifikadalah 0,507 m3/kg


13/70

› di interpolasikan dengan rumus

›Sehingga didapatkan suhu awalkondensasi 140,9°C


14/70

Fraksi mol pada 0,5 bar

›X liquid = m liquid/ m total

›Vf adalah 1,3 dan Vg adalah 3,2 (m3/kg)


15/70

›Dari perhitungan didapatkan jg m total adalah

1,972 kg sehingga dapat dilakukan perhitunga


16/70

Students of the thermodynamics class are excited. The had spent two class sessions to discuss about transferable skills

the work place and how PBL is a suitable learning method for stuimprove their skills. The instructor tld them that if they improve thproblem solving, interpersonal communication, group and self-dlearning skills, they will understand thermodynamics better. The thermodynamics is about conservation of mass and energy. Tthe results of careful observations of physical and chemical proclead to the conclusion that mass and energy cannot be created

destroyed and they could only transfoem from one point to anothread a paper on the development of a calorimeter to measure hecapacity and enthalpy of fluids (An automated flow calorimeter fodetermination of liquid and vapor isobaric heat capacities: Test rwater and n-pentane, J.A. Sandarusi, K. Mulia and V.F. YesavagSci. Instrum., 63, 2, (1992), 1810:1821).

3. Third Problem


17/70

3.1

›One need to understand the concept of conservation of emass, in order to understand how a calorimeter works. Sta

general formula of the first law of thermodynamics and descrthe terms in the equation using real-life examples. Read thand try to simplify the general formula based on the informatcalorimeter set-up and how the measurement is carried out. in a systematic way then you should obtain the first equation1) given in the paper. State all of your assumptions clearly. A

heat loss term Qlst is not included in the final working equaticapacity measurement (equation 3). Consider all kind of heamodes that potentially contribute to this term and explain howwere minimized in the experiment.


18/70

Prinsip kerja kalorimeter

›Mengalirkan arus listrik pada kumparan kawat penghantar y

dimasukan ke dalam air suling.

›Pada waktu bergerak dalam kawat penghantar (akibat perbpotensial), pembawa muatan bertumbukan dengan atom log

kehilangan energi.

›Pembawa muatan bertumbukan dengan kecepatan konstan

sebanding dengan kuat medan listriknya.

›Tumbukan oleh pembawa muatan akan menyebabkan logadialiri arus listrik memperoleh energi yaitu energi kalor/panas

›Semakin besar nilai tegangan listrik dan arus listrik pada su

maka tara panas listrik yang dimiliki oleh bahan itu semakin


19/70


20/70

Jawab:

›Dengan asumsi: sistem terbuka (open system)

›Diperoleh persamaan dasar, yaitu:

q = perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan, atausebaliknya.

w = kerja yang dilakukan sistem pada lingkungan, ata

sebaliknya. ΔH = perubahan entalpi sistem.

ΔK = perubahan energi kinetik sistem.

ΔP = perubahan energi potensial sistem.


21/70

Asumsi

›Energi kinetik dan potensial pada sistem dianggap0 (ΔK = 0, ΔP = 0)

›Mengapa? Karena tidak ada perbedaan ketinggianantara inlet dan outlet serta tidak ada perubahanpada kecepatan laju alir massa pada sistem.

›Sistem merupakan sistem tunak (steady state).

›Maka nilai


22/70

›Diperoleh persamaan baru, yaitu:

›Kondisi batasan:

›T = To saat H = Ho›T = Ti saat H = Hi

persamaan menjadi:

H(To,Po) = entalpi fluida pada tekanan dan temperatur kalorimeter di outlet

H(Ti,Pi) = entalpi fluida pada tekanan dan temperature kalorimeter di inlet.

To = temperatur kalorimeter di outlet.

Ti = temperatur kalorimeter di inlet.


23/70

›(lanjutan...)

Agar persamaan menjadi sama dengan pada equation 1 padpersamaan ΔH harus diubah dulu menjadi entalpi spesifik:

Dan diasumsikan Q pada 2 kondisi yaitu Qin dan Qlost:


24/70

›Substitusi nilai Cp, didapatkan persamaan yang sama dengan equatiopaper, yaitu:

›Qlst pada equation 3 tidak dimasukkan karena nilai Qlst kecil.

›Kalorimeter meminimalkan energi panas yang hilang sehingga Qlst yankecil.

›Maka didapatkan persamaan:

(To - Ti)a = perbedaan temperatur kalorimeter dengan input pa

(To - Ti)b = perbedaan temperatur pada blank’s experiment .


25/70

Mode perpindahan panas

›Konduksi kontak antara wadah dengan jaket i

›konduksi dalam proses calorimeter sangat pentin

insulasi yang dilakukan adalah untuk mengecilkan

error karena pengabaian Qist yang dianggap ke

›Konveksi pada media fluida: jaket udara dan j

yang terdapat pada kalorimeter.

›Radiasi selalu terjadi karena tidak membutuhk

media apapun, walaupun dalam nilai kecil.


26/70

Efisiensi kalorimeter

›Untuk dapat meminimalisasikan perpindahan p

yang tidak diinginkan peningkatan efisiensi s

insulasi pada kalorimeter

›menambah jumlah jaket insulator (jaket udara,

›menggunakan bahan/material dengan nilai kon

termal yang lebih kecil

›melakukan perhitungan radius kritikal insulasi a

insulasi yang diinginkan tercapai


27/70

3.2

›The steam table listed in introductory chemical

engineering thermodynamics books contain dataenthalpy as a function of temperature and

pressure. The data were obtained using

calorimeters such as the one reported in the pa

by Sandarusi et al. Describe how you carry out thexperiment to determine h=h(T,P).


28/70

Jawaban

›Berdasarkan percobaan Joule Thompson yang menyabahwa penentuan entalpi berdasarkan fungsi tempe

dan tekanan maka:

›Perhitungan gas nyata tidak dapat menggunakan persini.

›Membutuhkan dua fungsi lainnya karena derajat kebebernilai 2.

›Fungsi yang tersedia antara lain temperature, pressurenergy, entropi dan spesifik volume.


29/70

›Dalam kasus ini kita memilih parameter temperatu

tekanan:

› Apabila dengan perubahan entalpi yang kecil, ma

›Dan apabila persamaan ini di integrasikan maka:


30/70

4. Fourth Problem

› An evacuated tank with 1 m3

capacity isinially empty with no fluid inside. Water in theamount of 2 L abd at 25 oC is transferred into thetank. At midday, thermal equilibrium is assumed tobe attained and fluid temperature of 60 oC isuniform throughout the tank. At this condition do

we find water in the tank as a mixture of liquis andvapor or only as water vapor? If only as watervapor, how much additional water we have to addso that water in the tank exist only as saturatedwater vapor?


31/70

Diketahui Ditanya

›Vtangki = 1 m3›Vair = 2 L = 2 x 10

-3 m3

›Tair = 25oC

›Tequilibrium = 60oC

›cair dan Fasa air dalamtangki berupa uap atauhanya terdiri dari uap. Jhanya terdiri dari uap,

berapa jumlah air yangharus ditambahkan agamenjadi uap jenuh?


32/70

Jawab:

›Neraca massa pada keadaan unsteady state :

››

›

› Air pada suhu 25oC dan volume 2 L

›Berdasarkan data yang diperoleh pada steam table, volume

spesifik air dalam bentuk cair dapat ditentukan, yaitu . Maka

dapat diperoleh massa air yang masuk ke dalam tangki, yaitu:

›

›


33/70


34/70

›Untuk menghitung kualitas uap dapatmenggunakan volume spesifik total pada tangk

sebagai berikut :

›Berdasarkan hitungan tersebut, fasa di dalam

tangki adalah fasa cair dan uap karena kualitasuap adalah , jadi fraksi air bentuk cair adalah


35/70

›Jika dilihat dari grafik v – T seperti di bawah

ini :

›Pada diagram tersebut menunjukkan bahwa nilai volume


36/70

›Pada diagram tersebut menunjukkan bahwa nilai volume

spesifik total dari zat yang berada dalam tangki adalah sebes

0,5 m3/kg, dan nilai tersebut berada di antara volume spesifik

bentuk cair dan uap, sehingga volume spesifik total berada d

daerah dua fasa liquidvapor.

›Sementara itu, untuk menghasilkan air dalam hanya dalambentuk saturated vapor, maka

›

›7,6785

›m = 0,13 kg

›2 – 0,13 = 1,87 kg

›

›Sehingga massa air yang harus dikurangi sebesar 1,87 kg u

mencapai saturated vapor.

›


37/70

5. Fifth Problem

Internal energy and enthalpy are two thermodynamquantities or variables that are used in energy balaequations. Thermal energy added to a gas ofpolyatomic molecules can appear as rotational andvibrational, as well as translational energies of the gmolecules. Describe the internal energy of a gasmolecule in terms of its different modes of motion:

translational, rotational, and vibrational modes, inaddition to electronic contributions. Use the followindiagram showing the Boltzmann distribution ofpopulations for rotation, vibration, and electronic enlevels at room temperature.

›Translasi: gerak pusat massa dari satu tempat ke tem


38/70

›Translasi: gerak pusat massa dari satu tempat ke temlain

›Rotasi: perputaran molekul yang selang energinya sasekitar10-3 eV

›Vibrasi: getaran molekul yang selang energinya lebihbeV dengan spekrumnya di daerah infra merah


39/70

Energi Dalam Gas Monoatomik

›Pada molekul gas monoatomik , terjadi gerak

translasi ke arah X, Y, dan Z.

›Perubahan energi dalam disebabkan oleh

perubahan dalam energi kinetik translasinya.

›Suhu berpengaruh, semakin tinggi suhunyasemakin besar rata-rata energi kinetiknya.

›Rumus:


40/70

Energi Dalam Gas DIatomik

›Molekul gas diatomik di samping

melakukan gerak translasi, juga

melakukan gerak rotasi dan vibrasi.

Gerakannya didominasi oleh gerakan

tranlasi ke arah x, y, dan z, serta rotasi kedua arah.

›Rumus: =

2

›Energi dari molekul atom atau


41/70

›Energi dari molekul, atom, ataupertikel subatomik terbatas padatingkat energi tertentu.

›Nilai dari tingkatan energibergantung kepada karakteristik

dari suatu partikel›Pemisahan dari tingkatan energirotasi (pada molekul kecil sebesar 10-23 J atau 0,01 zJ, sekitar 0,01kJ mol-1) lebih kecil daripadatingkatan energi vibrasinya

(sekitar 10 kJ mol-1

), yangternyata lebih kecil daripadatingkatan energi elektroniknya(sekitar 10-18 J atau 1 aJ, yangbernilai dekat dengan 103 kJ mol-1).


42/70

Distribusi Boltzmann

Persamaan untuk menghitung populasi

keadaan relatif dari berbagai macam

energi disebut dengan distribusi

Boltzmann, yang dituliskan sebagai:

P l i d i Di t ib


43/70

Distribusi BoltzmannPopulasi dari Distribusi Boltzmann

dengan Suhu dari 0 ke ∞

Populasi dari Distribu

Boltzmann untuk Ting

Energi Rotasi, Vibras

Elektronik pada Suhu

Poin poin penting


44/70

Poin-poin penting

distribusi Boltzmann:

›Semakin tinggi tingkat energinya, populasinya semakinrendah.

›Semakin tinggi suhunya, semakin besar kemungkinan

tingkat energi yang tinggi diisi penuh oleh molekul-molek

›Tingkat energi yang terpopulasi akan semakin banyak jik

perbadingan antara “Ei – Ej” dengan “kT” dekat (sepertidalam gerak tranlasi dan rotasi), dibandingkan bila merek

jauh (seperti pada vibrasi dan elektronik).

Distribusi Maxwell


45/70

Distribusi Maxwell

›Teori kinetik molekular:

perbedaan kecepatan akanberkoresponden denganenergi kinetik yang berbeda

›Ekspresi yang memberikanfraksi molekul yang memiliki

kecepatan tertentu disebutdengan distribusi Maxwell.Rumus:

6. Sixth Problem


46/70

6. Sixth Problem

Explain how we could estimate the

isobaric heat capacity of methane as an

ideal polyatomic gas as a function of

temperature from 300 to 800 K based onthe equipartition principle. Plot the

theoretical values of methane heat

capacity and compare them with the

values you obtained using the ideal gas

heat capacity equation and parameters

given in the book by Smith et al. or byMoran and Saphiro. Explain why it is (or

is not) reasonable to assume a constant

ideal gas heat capacity for the whole

temperature range?

Ekuipartisi


47/70

Ekuipartisi›Dasar teorema ekuipartisi yaitu dalam kesetimbangan termal, energi

terdistribusikan secara merata ke semua bentuk energi yang berbeda

›Energi dalam merupakan jumlah energi yang dimiliki oleh sebuah sis

merupakan gabungan energi kinetik dan energi potensial

›Entalpi (H) adalah jumlah kalor yang terkandung dalam sistem pada

tekanan tetap.

›Peningkatan temperatur akan membuat bertambahnya energi kinetik

molekul gas yang kemudian akan disimpan ke dalam bentuk-bentuk e

lain, seperti energi translasi, rotasi, dan vibrasi yang besarnya sama (›Molekul-molekul gas menyimpan energi kinetik dalam bentuk energi

dengan struktur senyawanya. Pada molekul poliatomik non-linear, ter

kemungkinan gerak translasional pada arah x -, y -, dan z. Namun, terd

perbedaan pada banyaknya kemungkinan dalam gerak rotasinya.

Metana


48/70

Metana

›Metana merupakan gas poliatomik non linear kare

molekulnya yang merupakan tetrahedral.

›dof trans = 3

›dof rot = 3

›dof rot = 10 (3N-5), dimana N metana = 5

›Energi dalam totalnya:

P hit C


49/70

Penghitungan Cp

Pada suhu di bawah 423 K, energi dalam metana

gerak translasi saja:

Dimasukkan ke rumus:

Hubungan Cp m dan Cv m:


50/70

Hubungan Cp,m dan Cv,m:

=

Pada suhu yang tinggi (sekitar ribuan Kelvin), ene

molar pada gas metana mengandung energ

translasi, rotasi, dan vibrasi.

Range suhu 300K-800K kapasitas panas akan

nilai yang berbeda oleh karena adanya penga

yang mempengaruhi gerakan molekul metana.

Grafik Cp m pada Gas Metana


51/70

01

2

3

4

5

300 400 423 500 600 700 800

C p , m

Suhu (Kelvin)

Grafik Cp,m pada Gas Metanauntuk Suhu 300K-800K

P hit d


52/70

Penghitungan dengan

parameter

dimana nilai A, B, C, dan D adalah konstanta yang untgas, serta nilai T yang menyatakan besar suhunya. Bepada tabel C.1 Heat Capacities of Gases in the Ideal-Gakan didapatkan nilai konstanta A, B, C, dan D sebaga

› A = 1.702›B = 9.081 x 10-3

›C = -2.164 x 10-6

›D = -

Nilai Cp/R untuk rentang 300-


53/70

800K

Temperatur (K) Cp/R

300 4.23154

400 4.98816

500 5.7015

600 6.37156

700 6.99834

800 7.58184

G fik C /R t t h d T


54/70

y = 0,0067x + 2,2935

R² = 0,9978

0

2

4

6

8

10

0 200 400 600 800

C p / R

T(K)

Grafik Cp/R metana terhadap T

›Berdasarkan grafik yang didapatkan dapat dikata


55/70

›Berdasarkan grafik yang didapatkan, dapat dikata

bahwa dengan menggunakan persamaan parame

Cp dipengaruhi oleh suhu.

›Grafik yang didapatkan juga sesuai dengan garmsoal, dimana kurva Cp,m dari metana bergerak na

atas seiring dengan bertambahnya suhu.

›Sehingga, tidak mungkin untuk mengasumsikan n

kapasitas panas gas ideal yang konstan untuk rensuhu 300K-800K.

7 Seventh Problem


56/70

7. Seventh Problem

›Reproduce Figure E4.2b shown in Moran’s book

Ed.) using data for water and benzene. Compareplots you obtain.

›Engineering Model


57/70

›Engineering Model

1. The control volume is defined by the dashed line

accompanying diagram

2. The water/benzene density is constant

Turunan rumus


58/70

Turunan rumus

›Satu volum masukan dan keluaran

›Jumlah massa di dalam barel didefinisikan sebagai

›Didistribusikan menjadi

Karena massa jenis konstan terhadap waktu, dikeluarkan me

›Solusi akhir dari persamaan diatas adalah


59/70

Grafik perbandingan Air dan Benzena

8 Eighth Problem


60/70

8. Eighth Problem

› A tank containing 45 kg of liquid of water innitially 45 oC has one

equal mass flow rates. Liquid water enters at 45 oC and a mass fl

270 kg/h. A cooling immersed in the water removes energy at a rkW. The water is well mixed by a paddle wheel so that t

temperature is uniform throughout. The power input to the water

paddle wheel is 0.6 kW. The pressures a the inlet and exit are e

all kinetic and potential energy effects can be ignored. Derive the

that related the temperature of the water? Is it equal to the ste

solution?

›Plot the variation of water temperature with time

› Again plot the variation of water temperature with time but ch

liquid to benzene.

Asumsi


61/70

Asumsi

1. Pada volume atur perpindahan kalor yang sig

hanya terjadi pada kumparan pendingin. Pendari energi kinetik dan potensial dapat diabai

2. Temperatur air adalah merata seragam di se

tempat (T = T(t) )

3. Air di dalam tangki adalah inkompresibel, danada perbedaan tekanan antara sisi masuk de

sisi keluar

Neraca Laju Energi


62/70

Neraca Laju Energi

Berdasarkan asumsi diatas maka neraca laju energi akan menjadi

Massa yang berada di dalam volume atur tetap konstan menurut waktu, de

air diasumsikan sebagai inkrompesibel maka


63/70

air diasumsikan sebagai inkrompesibel,maka

dalam spesifik hanya tergantung pada temperat

Oleh karena itu, aturan berantai bisa digunaka

menuliskan persamaan menjadi

=

=

… … … (4)

Dimana c adalah kalor spesifik. Dari persamaanpersamaan (4) di dapatkan persamaan:

=

… … … (5)

Perubahan energi dalam spesifik dan entalpi spesifik antara dua ke


64/70

incompressible fluid adalah

Jika kalor spesifik c dianggap tetap maka

Air di dalam tangki adalah inkrompesibel, dan tidak ada perbedaaantara sisi masuk dengan sisi keluar sehingga:

Air teraduk dengan baik, maka temperatur pada sisi keluar sama de


65/70

Air teraduk dengan baik, maka temperatur pada sisi keluar sama de

temperatur keseluruhan dari cairan air yang berada dalam tangki. S

Dimana T merupakan temperatur air yang merata seragam pada sa

persamaan (5) dan persamaan (9) maka persamaan neraca laju ene

persamaan (2) akan menjadi:

Hasil integrasi persamaan (10) akan didapatkan

Konstanta C1 dapat dievaluasi dengan kondisi batas: pada t = 0 , T = T


66/70

1 p g p

Dari soal dapat diketahui :

›T1 = 45oC = 318 K

›Qcv = -7.6 Kw = -7.6 kJ/s

›ṁ = 270 kg/h

›mcv = 45 kg

kalor spesifik pada suhu 318 K pada tabel dibawah setelah dilakukan in

didapatkan nilai c = 4.2 kJ/kg.K

Substitusi semua nilai yang ada ke dalam persamaan 12 maka didapatkan


67/70

Substitusi semua nilai yang ada ke dalam persamaan 12 maka didapatkan

Benzene


68/70

Dengan menggunakan sofware refprop dapat diketahui kalor spesifik benzen

318 K yaitu 1.8

Nilai nilai yang telah didapat dimasukan kedalam persamaan 12 sehingga ak

Grafik Hubungan antara Temperatur


69/70

Pada air, suhu akhir atau suhu konstannya adalah

296 K sedangkan pada benzene adalah 266 K

260

270

280

290

300

310

320

330

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

T e m p e r a t u r , K

Waktu, h

Terhadap Waktu

Benzene Air


70/70

Terima Kasih!

ppt pemicu 2 kel. 14 - termo

Documents