thermodinamika untuk tl

1 Thermodinamika untuk Teknik Lingkungan

1

Bab I Thermodinamika

untuk Teknik Lingkungan Termodinamika adalah studi tentang energi yang terjadi pada proses reaksi (baik

fisika maupun kimia), dan transformasi energi dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang

lain. Dua kata yang sangat penting dalam termodinamika adalah panas dan kerja, yang

berhubungan dengan bentuk‐bentuk energi. Panas dapat melakukan (menimbulkan) kerja,

dan kerja dapat menghasilkan panas. Dua hal prinsip berkenaan dengan energi (panas dan

kerja) dan materi adalah sistem (adalah bagian yang terpilih untuk dipelajari) dan lingkungan

(adalah semua bagian yang melingkupi sistem). Suatu batas (real atau imaginer) memisahkan

sistem dari lingkungan.

Suatu contoh kasus mudah untuk memahami termodinamika adalah green house

effect yang terjadi di atmosfer bumi dengan keberadaan sistem energi matahari dan gas‐gas

rumah kaca. Suatu ilustrasi hubungan antara suatu sistem dengan lingkungan dengan batas

yang bisa dipelajari dengan jelas, dalam kasus ini diperankan oleh adanya gas‐gas rumah kaca

seperti CO2, CH4, O2‐O3, H2O dan sebagainya, seperti pada Gambar 1.1.

Gambar 1.1 Ilustrasi Greenhouse effect dan gas‐gas rumah kaca

Ada tiga macam sistem yang berlaku dalam teori termodinamika, yaitu sistem terbuka

(dapat terjadi pertukaran materi maupun energi antara sistem dan lingkungan), sistem

tertutup (dapat terjadi pertukaran energi, dan tidak terjadi perubahan (pertukaran) materi),

dan sistem terisolasi (tidak terjadi pertukaran keduanya, baik materi maupun energi). Satu


2

lagi sistem dalam termodinamika adalah sistem Adiabatik: Tidak ada panas yang dapat dipertukarkan, tetapi suatu kerja dapat diterapkan pada sistem (yaitu PV work). Contoh sistem

ini pengambilan dan pengeluaran panas oleh kerja alektrik ekspansi dan kompresi pada lemari

pendingin (kulkas).

Gambar 1.2 Sistem thermodinamika terbuka dan terutup

Prinsip dasar termodinamika antara lain sifat‐sifat sebagai berikut: (1) Sifat Keadaan

Thermodinamis, yaitu Extensive (Variabel atau sifat ini tergantung pada jumlah material yang

ada (e.g. mass or volume)) dan Intensive (Variabel atau sifat ini tidak tergantung pada jumlah

material (e.g. density, pressure, and temperature)). (2) Proses Ideal Thermodinamika, yaitu

Irreversible –Keadaan sistem awal tidak stabil atau metastabil dan perubahan spontan dalam

sistem menghasilkan sistem baru dengan energi keadaan akhir yang lebih rendah‐ dan

Reversible –Keadaan sistem awal maupun akhir dalam keadaan kesetimbangan, keadaan ini

berlangsung secara kontinyu dan kenyataannya sulit didapati di alam. Ilustarasi perubahan

spontan mengikuti perubahan energi seperti pada Gambar 1.3 berikut.

Gambar 1.3 Profil energi perubahan (reaksi) spontan


3

1.1 Temperatur, Panas (Heat), dan Kerja (Work)

Hukum ke‐nol Termodinamika, dapat dinyatakan sebagai berikut : sistem‐sistem

dalam kesimbangan termal mempunyai temperatur yang sama. Jika dua sistem dalam

kesetimbangan termal kemudian ada sistem ketiga, dan terjadi kesetimbangan termal yang

baru antara satu dengan yang lain, maka ketiga sistem mempunyai temperatur yang sama.

Panas adalah bentuk energi yang mengalir dari satu benda ke benda lain sebagai hasil dari

perbedaan temperatur. Jika temperatur dari sistem dijaga konstan (tetap), dT = 0, dinamakan

dalam keadaan isotermal. Dan jika suatu proses dimana tidak ada transfer panas antara

sistem dan lingkungannya, dq = 0, dinamakan proses adiabatis.

Satuan dasar untuk panas adalah kalori, yaitu panas yang dibutuhkan untuk

menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1oC. (satuan lain adalah Btu untuk menaikkan

temperatur 1 pound air sebesar 1oF, = 252 kalori). Sangat dimungkinkan untuk melakukan

kerja sistem, sebagai kerja tekanan‐volume. Dalam sistem tertutup kerja ekivalen dengan

tekanan dikalikan dengan perubahan volume

dw = P dV (i)

Hukum ke‐satu Termodinamika, atau hukum konservasi energi menyatakan bahwa

energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, secara matematis

ΔE = q – w (ii)

dimana, ΔE adalah perubahan dalam energi internal dari sistem, dengan panas yang mengalir

ke dalam sistem sebesar q, dan kerja oleh sistem adalah w. Nilai q positif jika panas diserap

oleh sistem dan sebaliknya, dan w positif jika sistem melakukan kerja untuk lingkungan.

Dalam pengertian termodinamika, maka suatu sistem reaksi dapat dijalankan dengan

empat macam cara yaitu isobarik, isokhorik atau isometrik, isotermal dan adiabatis. Isobarik

jika reaksi dijalankan pada suatu sistem yang dijaga tekanan tetapnya, sehingga sistem ini

memberikan perubahan volume. Isokhprik atau isometrik jika sistem reaksi dijalankan pada

reaktor dengan volume tertentu dan tetap. Isotermal jika reaksi dibuat sedemikian rupa

sehingga suhu reaktor terjaga selalu sama mulai awal hingga akhir. Dan adiabatis jika dalam

sistem reaksi tidak ada transfer panas antara sistem dan lingkungan.

Dalam sistem kimia, jika volume sistem selalu konstan maka kerja ekspansi adalah nol

ΔE = qv ( V=konstan) (iii)

Sebagian besar sistem kimia yang ditangani, dalam teknik lingkungan, terbuka ke atmosfer

sehingga lebih memungkinkan bekerja pada tekanan yang relatif konstan daripada pada

volume konstan. Pada sistem seperti ini, entalphy (panas/energi pada tekanan konstan), lebih

berperan, dimana :


4

H = E + PV (iv)

Jika diasumsikan dalam reaksi kimia tekanan dan temperatur konstan, perubahan energi

internal sistem menjadi

ΔE = E2 – E1 = qp – w = qp – PdV = qp – P(V2 – V1) (v)

dimana qp adalah panas yang diserap pada tekanan tetap (konstan), dengan penataan ulang

secara matematis didapatkan :

(E2 + PV2) – (E1 + PV1) = qp = H2 – H1 (vi)

ΔH = qp ( T, P = konstan) (vii)

Hukum ke‐dua Termodinamika menyatakan secara teori bahwa semua proses di alam

cenderung terjadi hanya dengan peningkatan enthropy (derajat ketidakteraturan) dan bahwa

arah perubahan selalu menuju ke enthrophy yang lebih tinggi. Konsep enthropy merujuk pada

kriteria ke‐spontan‐an perubahan kimia atau fisika, dan arah dari transformasi energi, yang

didefinisikan sebagai :

S = k ln Ω (viii)

Dimana k adalah konstanta Boltzmann dan Ω adalah probabilitas termodinamik

derajat kebebasan. Pada umumnya enthropy juga didefinisikan sebagai

dS = dqrev / T (ix)

untuk perubahan yang spontan, selalu diperoleh nilai dS positif. Perhitungan entropi

dapat membantu kita untuk menentukan apakah transformasi fisika atau kimia dapat terjadi.

Jika S > 0 perubahan akan terjadi spontan, S < 0 perubahan akan terjadi spontan ke arah

sebaliknya, dan jika S = 0 sistem dalam kesetimbangan. Jika hukum pertama mengisyaratkan

bahwa energi alam raya ini konstan, maka hukum kedua mengindikasikan bahwa energi

mempunyai kualitas/bentuk yang berbeda‐beda dan entropi alam raya menuju kearah

maximum. Dengan makin meningkatnya entropi maka sistem akan menuju kearah grade

energi yang lebih rendah (terpecah‐pecah hal ini karena energi tidak dapat diciptakan atau

dimusnahkan) dalam derajat ketidak teraturan yang tinggi antar anggota sistem yang bersifat

irreversibel, sehingga sistem akan menuju pada krisis energi, atau polusi entropi.

Energi bebas. Dalam sistem alam entropi alam adalah

ΔSuniverse = ΔSsistem + ΔSlingkungan (x)

= ΔSsistem + Tqlingkungan

> 0 (xi)

karena, ΔΗ = qsistem = ‐q lingkungan (xii)


5

ΔSuniverse = ΔSsistem ‐ T

H sistemΔ> 0 (xiii)

dengan mengalikan –T pada persamaan, didapat

0≤Δ=Δ−Δ=Δ− sistemsistemsistemuniverse GSTHST (xiv)

ΔGsistem didefinisikan oleh persamaan (xiv) dan dikenal sebagai perubahan energi

bebas Gibbs dari sistem. Sehingga jika ΔG < 0, reaksi akan berlangsung spontan; dan jika ΔG =

0 sistem berada dalam kesetimbangan. Dengan persamaan (iv) dan (xiv), dapat diperoleh

persamaan energi bebas gibbs dalam bentuk :

ΔG = ΔH + PΔV ‐ TΔS (xv)

dan dengan persamaan (ii) diperoleh

ΔG = q – w + PΔV ‐ TΔS (xvi)

Jika sistem hampir reversibel, q menjadi qrev dan w menjadi wmax dan kualitas

maximum kerja dapat didapat dengan

ΔG = qrev – wmax + PΔV ‐ qrev (xvii)

dan ‐ ΔG = wmax ‐ PΔV (xviii)

Hukum ke‐tiga termodinamika. Pada kajian entropi sifat keteraturan kristal akan

makin bagus jika suhu sistem diturnkan. Dalam perhitungan kristal akan berada dalam

keadaan sangat teratur dan fix jika suhu mendekati nol absolut (0 K), dan pada suhu 0 K

entropi sistem nol dan bahkan elektron dalam atom akan berada pada tempat yang fix

(elektron akan berhenti berputar). Secara prinsip tidak mungkin dapat dicapai temperatur nol

absolut di sistem alam dan tidak mungkin pula didapatkan efesiensi proses (mesin carnot)

yang mencapai 100 %. Siklus Carnot sampai saat ini dipercaya sebagai siklus termodinamika

yang paling efisien untuk operasi panas mesin, merupakan siklus reversibel yang terdiri atas 2

isotermal dan 2 adiabatis. Efisiensi Carnot dinyatakan:

(xix)

1.2 Sifat‐sifat Termodinamika

Sistem termodinamika mungkin terdiri atas satu atau beberapa bagian yang disebut

fasa. Satu fasa zat harus bersifat homogen baik secara fisik maupun kimia. Sifat‐sifat

termodinamika system dibagi dalam dua jenis yaitu sifat extensive, yang tergantung pada

jumlah substansi yang ada seperti massa‐volume‐dan energi, dan sifat intensive, yang

memiliki harga tidak tergantuing dari jumlah substansi seperti tekanan‐temperatur‐volume

1 1 100%c cC

h h

Q TeQ T

= − = − <


6

molar‐potensial kimia. Beberapa fungsi termodinamika dapat diturunkan dari beberapa kode

kalimat berikut :

The Gibbs Potensial Has Shown Endless Valuable Applications atau,

T= temperatur , G=energi bebas Gibbs, P= tekanan, H= entalpi, S=entropi, E=energi, V=

volume dan A=luas area kerja

Beberapa prinsip formula aplikasi dalam termodinamika :

SdTPdVdATdSVdPdHSdTVdPdG

TdSPdVdE

−−=+=−=+−=

Expressi kerja termodinamik, dw pada sistem

Ekspansi Tekanan, P Volume,V ‐PdV

Listrik Potensial, E Muatan, de ‐Ede

Gravitasi Gaya, mg Tinggi, dh mg dh

Kimia Potensial kimia,μ mol, dn μ dn

Permukaan Gaya antar muka,γ Luas area, dA γ dA

+ T G P –

A H

+ V E S –

PVE

S

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

TSE

V

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

SPG

P

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

, dan seterusnya (xx)

Type Sifat Intensif Variasi Extensif Expressi


7

Perubahan energi yang berhubungan dengan reaksi kimia sangat penting diketahui dalam

teknik lingkungan, karena beberapa sistem terutama dalam pengolahan air limbah, sampah

dan bidang‐bidang lainnya.

Panas spesifik (C) adalah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu suatu

material atau bahan dengan berat 1 gram, sebesar 1 kelvin.

C = q/(m x ΔT) (xxi)

dimana :

C : panas spesifik (kal/mol K atau J/mol K) atau kal/gram K q : panas (kalori, joule). m : berat dalam gram atau dalam mol ΔT : perubahan suhu yang terjadi selama proses dalam kelvin

Dalam ilmu lingkungan pengetahuan panas sangat penting, baik pemanasan itu

sendiri, evaporasi, pengeringan, panas yang digunakan untuk melebur banyak dimanfaatkan

dalam pengolahan sampah, reaksi sistem lingkungan industri dan sebagainya.

Dalam sistem kimia energi dapat diartikan interaksi dari tiga hal yaitu :

Kerja yang dilakukan sistem.

Aliran panas dalam sistem.

Energi yang disimpan dalam sistem.

ΔE = q – w (xxii)

dimana :

ΔE : perubahan energi dalam sistem.

q : aliran panas dalam sistem.

w : kerja yang dilakukan.

Pada suhu dan tekanan konstan perubahan entalpi sama dengan panas yang diserap

oleh suatu sistem. Perubahan kimia dalam entalphi bisa bernilai positif bisa negatif. Bila nilai +

maka proses menyerap panas dinamakan sistem endotermik, sedangkan bila – melepaskan

panas sistem eksotermik.

Standard untuk perhitungan entalpi biasanya dilakukan pada tekanan 1 atm dengan

suhu 25oC (298 K), karena itu untuk standard entalpi dilambangkan dengan : ΔHo298 satuan

dalam kcal/mol. Gross heat : adalah panas yang terbentuk jika uap air dari pembakaran

dikondensasikan menjadi air. Net heat : adalah panas yang tercipta jika air berubah menjadi

uap.

Entropi merupakan kriteria yang sangat umum dan sukar untuk menentukan proses

berlangsung secara spontan atau tidak. Karena itu ada tambahan fungsi untuk mengukur


8

spontan tidaknya suatu rekasi adalah Energi bebas. Energi bebas adalah energi yang

ditentukan oleh entalphi dan entropi dalam suatu rekasi sehingga dapat diketahui reaksi mana

yang berlangsung secara spontan.

G = H – T . S

Pada temperatur dan tekanan konstan perubahan energi bebas akan mengikuti :

ΔG = ΔH – T .ΔS

Berdasarkan persamaan diatas dapat dilihat bah perubahan energi bebas sama dengan kerja

berguna maksimal yang dapat diperoleh sistem bila perubahan dilakukan secara reversible.

ΔG standard pada tekanan dan suhu konstan dinyatakan dengan : ΔGo298 satuan dalam

kcal/mole. Dalam persamaan reaksi kimia:

aA + bB cC + dD

maka :

ΔG = ΔGo + RT ln ({C}c{D}d)/({A}a{B}b)

dimana : ΔG : perubahan energi bebas reaksi sataun kalori. ΔGo : standard perubahan energi bebas satuan dalam kalori. R : konstanta gas = 1.99 cal/deg‐mol. T : suhu absolute dalam oK.

Jika rekasi di atas mengalami keseimbangan maka ΔG = 0, dan persamaan akan menjadi :

ΔGo = ‐ RT ln ({C}c{D}d)/({A}a{B}b)

= ‐ RT ln K

Bila nilai dari ΔG negatif berarti proses berlansung secara spontan, bila positif tidak spontan

dan bila = 0 proses dalam keadaan setimbang.

1.3 Sifat Larutan

TEKANAN UAP PADA ZAT CAIR

Zat cair tidak mempunyai bentuk tetap dan molekulnya bergerak bebas tapi

volumenya tetap. Di alam dalam sistem terbuka kebanyakan partikel tidak akan kembali dan

zat cair dikatakan menguap. Dalam sistem tertutup bagaimanapun juga partikel akan kembali

ke dalam phase cair ke konsentrasinya pada phase gas.

Tekanan uap pada semua zat cair bertambah dengan bertambahnya suhu. Persamaan

untuk menghitung tekanan uap adalah Formula Rankine :

Log P = [A/T] + B log T + C

dimana : P : tekanan uap T : suhu A, B dan C : konstanta


9

Pada saat zat cair dipanaskan, tekanan uap dari zat cair akan naik dan setelah

mencapai 1 atm, maka cairan akan mulai mendidih. Temperatur pada saat tekanan air sama

dengan 1 atm disebut titik didih normal. Pada tekanan rendah, zat cair dapat mendidih pada

temperatur yang jauh lebih rendah daripada titik didih normalnya. Penggunaan tekanan uap

pada teknik lingkungan terutama dalam proses wet oxidation untuk pembakaran organic

sludge.

Hukum Tekanan parsial dinyatakan dengan hukum Dalton untuk gas ideal, diberikan

sebagai berikut:

Pa = Ya P

dimana:

Ya = fraksi mol komponen a dalam campuran gas, dan P = Tekanan total sistem gas dalam campuran

Dan hukum Amagat menyatakan volume komponen gas dalam sistem campuran akan

sebanding dengan prosentase kadar gas tersebut dalam campuran.

Suatu contoh, jika dalam sistem tertutup 10 ft 3 campuran gas dengan tekanan total 2

atm berisi 30% CO2, 5% CO, 5% H2O, 50% N2, and 10% O2, dalam perbandingan volume. Maka

secara sederhana keadaan campuran ini bisa dihitung sebagai berikut:

Tekanan parsial CO2 = 0.30(2) = 0.60 atm Tekanan Parsial CO = 0.05(2) = 0.10 atm Tekanan Parsial H2O = 0.05(2) = 0.10 atm Tekanan Parsial N2 =0.50(2) = 1.00 atm Tekanan Parsial O2 =0.10(2) = 0.20 atm Tekanan Total (P) =2.00 atm

VolumeCO2 = 0.30(10) = 3.00 ft3 Volume CO = 0.05(10) = 0.50 ft3 Volume H2O = 0.05(10) = 0.50 ft3 Volume N2 =0.50(10) = 5.00 ft3 Volume O2 =0.10(10)= 1.00ft3 Volume total = 10.00 ft3

HUKUM GAS IDEAL

Suatu gas ideal adalah gas imaginer yang digambarkan secara sederhana oleh hukum

Boyle, hukum Charels dan hukum gas ideal. Tidak ada gas nyata yang memenuhi hukum gas

ideal secara tepat, meskipun gas‐gas yang sangat encer pada kondisi ambient mendekati sifat

asumsi ini. Seluruh perhitungan terhadap gas akan mendapati deviasi yang nyata dari hukum

gas ideal, namun demikian hukum gas ideal ini digunakan untuk pendekatan perhitungan

teknis karena memberikan gambaran hasil yang cukup memadai. Hukum gas ideal secara

sederhana dinyatakan:

PV = nRT dimana, P = tekanan absolut sistem gas

V = volume T = absolute temperature n = jumlah mol gas R =konstanta hukum gas ideal


10

Nilai konstanta gas dapat digunakan yang sesuai antara lain sebagai berikut:

R = 10.73 psia • ft3/(lbmol • 0R) = 1545psfa‐ft3/(lbmol‐°R) = 0.73 atm • ftVObmol • 0R)

= 555 mm Hg • ft3/(lbmol • 0R) = 82.06 atm • cm3/(gmol • K) = 8.314kPa • m3/(kgmol • K)

= 1.986cal/(gmolK) = 1.986 Btu/(lbmol‐ 0R)

Densitas gas menggunakan cara pendekatan dapat dilakukan dengan menggunakan rumus ρ =

P(MW)/RT; dengan MW untuk gas ambient (udara ambient) diasumsikan rata‐rata 29 g/mol

TEGANGAN MUKA ZAT CAIR

Tegangan permukaan zat cair : gaya yang bekerja pada permukaan cairan sepanjang 1

cm, sejajar dengan permukaan cairan.

Tegangan permukaan ditetapkan melalui kenaikan kapiler, dimana :

γ = 0.5 h d g r.

γ : tegangan permukaan (dyne/cm). h : tinggi cairan d : rapat cairan. g : percepatan gravitasi. r : jari‐jari kapiler.

Tegangan permukaan zat cair biasanya dihitung dengan Du Nuoy Tensiometer.

Tegangan muka zat cair dipengaruhi beberapa faktor antara lain jenis cairan, temperatur

dimana bila temperatur makin tinggi maka γ makin turun. Selain itu adanya zat lain juga

berpengaruh terhadap γ dimana zat seperti sabun, alkohol atau asam (Surfactant) dapat

menurunkan tegangan permukaan zat cair.

Hukum Poiseuille's : Apabila zat cair melalui tabung kapiler biasanya berhubungan

erat dengan viskositas zat cair dan hukum Poiseuille's. Viskositas adalah gaya tahan lapisan

zat cair dengan lapisan lainnya. Viskositas dapat menyatakan kecepatan aliran zat cair.

V = (π P r4/ 8 μ l)

dimana :

P : tekanan. r : radius kapiler. μ : viskositas cairan. l : panjang kapiler.

Pengetahuan mengenai hukum Poiseuille's sangat penting untuk membantu

menjelaskan bagaimana mekanisme proses filtrasi.

OSMOSIS

Osmosis adalah proses perpindahan suatu larutam melalui membran yang

impermiable dari larutan dengan konsentrasi yang rendah atau lebih encer menuju ke larutan


11

konsentrasi lebih tinggi yang lebih pekat. Peristiwa osmosis ini adapat dilihat dari lewatnya air

garam melalui selaput semipermiable. Persamaan dari tekanan osmosa adalah :

π = ((R.T) /(Va)) x ln (Pa0/Pa)

dimana :

π : tekanan osmotik (atm) R : 0.082 dalam 1 am/mol T : suhu (kelvin) Pa0/Pa : tekanan uap larutan pada konsentrasi encer atau pekat. Va : volume larutan per mol (0.018 liter untuk air).

Hukum Raoult, menyatakan bahwa bila dari larutan encer menuju larutan pekat maka

dapat dinyatakan :

π = c RT

dimana c adalah konsentrasi partikel‐partikel yang terdapat dalam larutan (molar).

Pengetahuan tentang osmosis ini sangat penting untuk proses demineralisasi yaitu

untuk penyediaan air bersih bagi penduduk terutama di daerah yag sebagian besar

menggunakan air payau sebagai sumber air utama. Proses tersebut adalah reverse osmosis,

pemanfaatan teknologi membran dalam proses pengolahan air bersih. Membran bertindak

hampir sama dengan filter untuk menahan partikel‐partikel yang tidak diinginkan dalam air

bersih.

thermodinamika untuk tl

Documents