HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

MAKALAH TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Disusun Oleh : Kelompok

: 12

Nama Mahasiswa

: Hari Purnama Hendrik Rahganda Siti Zunuraen

(1206202015) (1206261264) (1206261182) (1206202072)

Departemen Teknik Kimia FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, 2014

Jawaban Pemicu 2 : Hukum Pertama Termodinamika MA Termodinamika Teknik Kimia – Teknik Kimia FTUI 4 Maret, Instruktur : Dr. Ir. Praswasti PDK Wulan, MT

1. Buatlah daftar semua jenis energi dan Berikan contoh dalam kehidupan nyata masingmasing. Jawaban : Tabel 1. Jenis-Jenis Energi dan Conrohnya Jenis Energi

Contoh Dalam Kehidupan Nyata Sehari-hari

1 Mechanical energy

Buah kelapa jatuh dari pohon dengan kecepatan 1 m/s

2 Kinetic energy

Mobil melaju dengan kecepatan 40 Km/jam

3 Potential energy

Apel berada diatas pohon

4 Sound energy

Suara petir menggetarkan rumah

5 Thermal energy

Telur direbus dengan air mendidih

6 Chemical energy

Reaksi asam klorida dengan pita Mg

7 Electric energy

Nyamuk yang tewas tersengat perangkap listrik

8 Electrostatic energy

Balon yang digesek kain perca dapat menarik kertas

9 Magnetic energy

Kutub magnet yang berlawanan saling tarik-menarik

10 light energy

Matahari menyinari bumi

2. Menurut anda, ada berapa jeniskah kapasitas panas dalam termodinamika dan berikan definisinya berdasarkan gambar yang diberikan. Jawaban : Ada dua jenis kapasitas panas, yaitu kapasitas panas volume konstan dan tekanan konstan. Definisi untuk volume konstan : ( Definisi untuk tekanan konstan :

Termodinamika Teknik Kimia

)

(

)

3. Jelaskanlah mengapa kedua satuan yang diberikan dapat identik! Jawaban : Yang diperhitungkan dalam kapasitas panas hanyalah perbedaan temperatur awal dan temperatur akhir sistem. Misalkan

adalah temperatur awal dan

adalah temperatur akhir

dalam oC, sehingga untuk satuan kJ/kg.oC, perbedaan suhunya adalah:

Untuk temperatur dalam kelvin, temperatur awalnya adalah temperatur akhirnya

dan

o

sehingga untuk satuan kJ/kg. K, perbedaan suhunya

adalah:

sehingga

4. Berikan penjelasan untuk satuan kapasitas panas yang menggunakan basis molar! Jawaban : Kapasitas panas menggunakan basis molar untuk menghadapi permasalahanpermasalahan di bidang kimia yang seringkali lebih mudah diselesaikan dalam basis molar. Bergantung pula dengan tetapan nilai R yang digunakan. 5. Jelaskan mengapa ada diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air! Jawaban : Hal ini terjadi karena adanya kekhususan yang terjadi pada nilai Cp air fase cair. Pada fase tersebut, air akan memiliki kapasitas panas yang lebih besar. Diskontinuitas disebabkan adanya usaha pembengkokan ikatan hidrogen saat kenaikan suhu pada H2O fase cair. Sehingga dibutuhkan lebih banyak energi untuk menaikkan suhu H2O fase cair, karena Termodinamika Teknik Kimia

sebagian energi terpakai untuk membengkokkan iktan hidrogen tersebut. Hal tersebut tidak ditemui pada H2O fase padat dan gas. 6. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas metana 300-800K menggunakan data yang ditampilkan! Jawaban : Untuk mempermudah perhitungan, maka kurva kapasitas panas tekanan konstan pada rentang 300- 800 K adalah linier (kondisi awalnya memang hampir linier) dengan kapasitas kalornya adalah 8.1 cal/mol K pada 300 K, dan 15 cal/mol K pada 800 K, sehingga panas yang dibutuhkan adalah : (

)

Terjadi diskontinuitas pada kurva H2O dikarenakan terjadi perubahan fase dari solid menjadi liquid, dan liquid menjadi gas. Dapat dilihat bahwa Cp H2O melonjak sangat tinggi saat perubahan fase dari solid menjadi liquid, dan diskontinu turun saat berubah fase menjadi gas. 7. Apakah anda pikir masuk akal mengasumsikan kapasitas panas yang konstan untuk rentang suhu menyeluruh? Jawaban : Masuk akal selama selama substansinya adalah gas monoatomik seperti yang terlihat pada gambar 3(a) untuk gas helium. 8. Bagaimana pendapat anda untuk gambar 3 (b)? Jawaban : Untuk volume konstan : ( Dengan menerapkan hukum I termodinamika


)

pada volume konstan

sehingga

dan persamaan menjadi: (

)

(

)

Untuk tekanan konstan :

Dengan menerapkan hukum I termodinamika

pada tekanan konstan

sehingga

dan persamaan menjadi: (

)

9. Jelaskan energi internal molekul gas dalam hal mode yang berbeda gerak translasi,rotasi, dan mode getaran. Jawaban : Energi Translational : energi ini merupakan energi kinetik molekul gas karena mempunyai komponen kecepatan, semakin cepat pergerakan molekul, semakin besar energi dalamnya, karena itu kenaikan suhu dapat meningkatkan perubahan energi dalam yang diakibatkan oleh bertambah cepatnya molekul gas tersebut. Energi rotasional : energi ini juga merupakan energi kinetik molekul gas karena mempunyai komponen kecepatan. Namun energi tersebut hanya dimiliki oleh gas nonmonoatomik Energi vibrasional : energi tersebut juga berasal dari struktur molekul nonmonoatomik dalam bentuk getaran. 10. Gunakan diagram berikut untuk menunjukkan distribusi populasi boltzmann. Jawaban : Contoh sebaran populasi untuk getaran


Gambar. 1 sebaran Populasi Getaran Untuk rotasional, bentuknya seperti gelombang yang menuju kekanan seiring bertambahnya suhu, sedangkan pada tingkat electronic, sebarannya tidak teratur, tergantung apakah elektron tereksitasi atau tidak. 11. Untuk sistem tertutup, persamaan kesetimbangan energi diberikan

,sangat

menarik dan membantu unutk 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! Jawaban : Neraca energi untuk sistem tertutup

Karena pada kalorimeter bom adiabatik, W= 0 dan Q dari luar sistem juga bernilai 0. Sehingga 12. Salah satu kebutuhan untuk memahami konsep kekelan energi dan massa, dalam rangka unutk memahami bagaimana kalorimeter bekerja. Jelaskan sifat termodinamika yang disebutkan dalam pernyataan berikut dan menentukan nilai-nilai mereka untuk air sebagai bahan murni pada tekanan atmosfer. Jawaban :


Gambar. 2 Kurva Entalpi Air Sebagai Fungsi Temperatur 1. Kapasitas panas yang solid sebagai fungsi temperatur dari -10 sampai 0 dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan es dari -10oC sampai 0oC Tabel 2. Sifat Termodinamika Es Pada Suhu -10oC samapi 0oC No

Sifat

Keterangan

Termodinamika 1

Temperatur

2

Tekanan

Tetap, (101 kPa)

3

Energi dalam

Meningkat seiring kenaikan suhu

4

Volume


Naik,

Spesifik 5

Entalpi

Panas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkatseiringkenaikansuhu.


2. Panas mencairnya es pada 0oC Tabel 3. Sifat Termodinamika mencairnya Es pada suhu 0oC No

Sifat

Keterangan

Termodinamika 1

Temperatur

Tetap, yaitu 0

2

Tekanan

Tetap,( 101 kPa)

4

Energi dalam


5

Volume


Spesifik 6

Entalpi

Panas tetap(kalor lebur), Tidak ada perubahan suhu,Adanya perubahan Fase dari padat ke cair

7

Kapasitas

8,712 J/(g mol)oC

Panas 3. Kapasitas panas cair sebagai fungsi temperature 0oC sampai 100oC dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan air dari 0oC sampai 100oC. Tabel 4. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 0oC sampai 100oC No

Sifat

Keterangan

Termodinamika 1

Temperatur

2

Tekanan

Tetap,(101 kPa)

3

Energi dalam

Meningkatseiringkenaikansuhu

4

Volume Spesifik


5

Entalpi

Panas sensible(tidak ada perubahan

Meningkat,

fase) meningkatseiringkenaikansuhu, 6

KapasitasPanas


Meningkatkarenaterjadikenaikansuhu

4. Panaspenguapan air pada 100oC Tabel 5. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 100oC No

Sifat

Keterangan

Termodinamika 1

Temperatur

Tetap, yaitu 100

2

Tekanan

Tetap, (101 kPa)

3

Energidalam


4

Volume Spesifik


5

Entalpi

.Panas tetap disebut kalor laten karena tidak ada perubahan fase

6

KapasitasPanas

29.386 J/(g mol)oC

5. Kapasitas panas uap sebagai fungsi temperatur dari 100oC – 110oC dan panas yang dibutuhkan untuk memanaskan uap jenuh pada 100oC menjadi superheated steam pada 110oC. Tabel 6. Sifat Termodinamika Uap Jenuh pada Suhu 100oC menjadi steam pada suhu 110oC. No

Sifat

Keterangan

Termodinamika 1

Temperatur

2

Tekanan

Tetap, (101kpa)

3

Energidalam


4

Volume Spesifik


5

Entalpi

Panas sensible(tidak ada perubahan

Meningkat,

fase) meningkat seiring kenaikan suhu 6

KapasitasPanas



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

V1 = 10 ft/sec P1 = 500 psia T1 = 100 F

P2 = 1 atm T2 = 300 F V2 = ? A2 = ?

Steam

Gambar 3. Nozzle h1 = 1520.3 btu/lbm v1 = 1699 ft3 /lbm h2 = 1192.6 btu/lbm v2 = 1109.6 ft3 /lbm ̇ ̇ (

)

̇ (

̇ ̇

)

̇

(

)

̇

(

)

Dengan menggunakan persamaan kontinuitas maka luas penampangnya dapat dihitung sebagai berikut : ̇ Termodinamika Teknik Kimia

̇

̇

̇

(

) (

)(

)

14. Tangki pejal mempunyai volume 0,5 m3 diisi dengan refrigerant 134a pada 0,5 Mpa, 50 o

C. Selanjutnya zat ini dipanaskan sampai mencapai keadaan uap jenuhnya. Hitunglah kalor

proses ini. Jawaban :

Gambar 4. Boiler Diketahui : State 1 : State 2 : -

P1 = 0.4 Mpa

saturated steam

o

-

T1 = 50 C

-

Volume = 0,5 m3

-

h1 = 293.59 kj/kg

-

u1 = 265.83 kj/kg 3

-

v1= 0.05859 m /kg

-

m = 8,53 kg


volume 0.5 m3 u2 = (- 0.0589 – 0.0525)/ 0.0075 x 2.19 +231.46= 229.68 kj/kg h2= 249.96 kj/kg

15. Kukus (steam) masuk alat penukar panas (HE) pada 1,4 Mpa dan 300 oC dimana kukus terkondensasi pada keluaran beberapa tube-tube. Kukus yang terkondensasi meninggalkan HE sebagai cairan pada 1,4 Mpa dan 150 oC dengan laju alir 5000 kg/hr. Kukus dikondensasi oleh air yang lewat tube-tube. Air masuk HE pada 20 oC dan menyebabkan kenaikan suhu 20 o

C pada sisi keluaran. Asumsikan HE dalam keadaan adiabatis dan jelaskanlah laju alir yang

diperlukan. Jawaban : Steam P = 1.4 Mpa T = 300 oC ̇ = 5000 kg/h 1 2 T1+20 oC = 313 K

water o T=20 C=293 K

4 3 Kondensat T = 150 oC P = 1.4 Mpa ̇ = ??

Gambar 5. Aliran Fluida Pada alat Penukar Panas

Cp = 4.18 kj/kgoC


h1 = 3041.6kj/kg h3 = 630 kj/kg ̇ ̇

̇

̇

̇ ̇ ̇

̇

̇ ̇

̇

̇

̇

̇ (

)

̇ 16. Nitrogen cair disimpan dalam tangki logam 0,5 m3 yang diinsulasi dengan baik. Perkirakanlah proes 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, entalpinya adalah -120,8 kJ/Kg. Saat katup dibuka, nitrogen mengalir masuk tangki saat evaporasi pertama kali terjadi dalam proses pendinginan tangki. Jika tangki mempunyai massa 30 kg dan logam mempunyai kapasitas panas spesifik 0,43 kJ/Kg.K. Menurut anda berapakah massa nitrogen yang harus mengalir masuk ke dalam tangki hanya untuk mendinginkannya ke suhu yang membuat nitrogen cair mulai terakumulasi di dalam tangki? Asumsikan bahwa nitrogen dan tangki selalu pada suhu yang sama. Sifat-sifat uap jenuh nitrogen (a saturated nitrogen vapor) pada beberapa suhu diberikan sebagai berikut :

Tabel 7. Sifat-Sifat Uap Jenuh Nitrogen Termodinamika Teknik Kimia

T/K

P/bar

Vv/m3kg-1

Hv / kJkg-1

80

1,396

0,1640

78,9

85

2,287

0,1017

82,3

90

3,600

0,06628

85

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 : Diketahui : Volum tangki = 0,5 m3

Hin = -120,8 kJ/Kg

T1 = 295 K

Massa tangki = 30 kg

C = 0,43 kJ/Kg.K

Data untuk uap jenuh nitrogen :

T=

80

1,396

0,1640

85

2,287

0,1017

90

K

P =

3,600

bar

V = 0,06628 m3/kg

95

5,398

0,04487

100

7,775

0,03126

105

10,83

0,02223

110

14,67

0,01598


78,9 82,3 H=

85

kJ/kg

86,8 87,7 87,4 85,6

Pada titik dimana nitrogen cair mulai terakumulasi di tangki, tangki tersebut diisi dengan uap nitrogen jenuh pada suhu akhir dan memiliki sifat-sifat berikut : mvap, Tvap, Vvap, Hvap, Uvap Dengan persamaan 2.29 dikalikan dengan dt,d(nt.Ut) – H.dm = dQ T mewakili tangki. H dan m mewakili aliran masuk. Karena di awal tangki dievakuasi, maka integrasi akan menghasilkan mvap.Uvap – Hin.mvap = mtangki.C. (Tvap – T1) dan mvap = Vtangki / Vvap Selanjutnya kita dapat menghitung energi dalam sebagai berikut (U = H - PV)


56,006 59,041 U=

61,139

kJ/kg

62,579 63,395 63,325 62,157 Jika data dicocokkan dengan cubic spline : Us = Ispline (T,U)

Vs = Ispline (T,V)

Uvap (t) = interp (Us, T, U, t)

Vvap (t) = interp (Vs, T, V, t)

Tvap = 100 K Dengan menyambungkan persamaan 1 dan 2 akan dihasilkan : Uvap (Tvap) – Hin = mtangki . C . (T1-Tvap) . Vvap . (Tvap) / Vtangki Tvap = Find (Tvap) mvap = Vtangki / Vvap (Tvap)

Tvap = 97,924 K mvap = 13,821 kg

17. Gas metana dibakar dibakar secara sempurna dengan 30% udara berlebih pada tekanan atmosfer. Metana dan udara masuk tungku pada suhu 300C jenuh dengan uap air, dan gas buang meninggalkan tungku pada 15000C. Kemudian gas buang melewati penukar panas dan keluar dari HE pada 500 C. Dengan basis 1 mol metana, Hitunglah banyak panas yang hilang dari tungku, dan banyak panas yang ditransfer dalam penukar panas. Jawaban: Proses di tungku Basis : 1 mol CH4 and 30% udara berlebih


Jumlah mol metana = 1 mol Jumlah mol oksigen = 130% x 2 x 1 mol = 2,6 mol Jumlah mol nitrogen = 79/21 x 2,6 mol = 9,78 mol Jumlah mol semua gas kering = nCH4 + nO2 + nN2 = 1+2,6+9,78 mol = 13,38 mol Tekanan uap air pada suhu 300C = 4,241 kPa, maka jumlah uap air yang masuk ke sistem = nv = 4,241 / (101 – 4,241) x 13,38 mol = 0,585 mol Hasil Produk CO2 = 1 mol H2O = 2 + 0,585 mol = 2,585 mol O2 = 2,6 – 2 mol = 0,6 mol N2 = 9,78 mol Neraca Energi di tungku : Q = H = H298 + Ahp 1 n=

2,585

5,457 A = 3,470

1,045 B = 1,450 x10-3

-1,157 0,121x105

D=

0,6

3,639

0,506

-0,227

9,78

3,280

0,593

0,040

i = 1,2,3,4

∑

R = 8,314 J/K.mol

∑

∑

Total nilai MCPH dari produk : MCPH (303,15 , 1773,15 , 48,692 , 10,897.10-3 , 0,0 , -0,5892.105) = 59,89511 Termodinamika Teknik Kimia

AHp = R . MCHP (1773,15 – 303,15) AH298 = (-393,509 + 2x(-241,818) – (-74,520) Joule = -802,625 Jolue Q = Hp + H298 = -70.612 J Alat Penukar Panas Flue gas mengalami pendinginan dari 15000C ke 500C. Tekanan parsial dari air di flue gas yang meninggalkan tungku adalah : P = (n2) / (n1 + n2 + n3 + n4) . 101,325 = 18,754 kPa Tekanan uap air pada 500C adalah 12,34 kPa dan air akan mencair untuk menurunkan tekanan parsialnya sampai titik ini Jumlah mol gas kering menjadi : n = n1+n3+n4

n = 11,38

Jumlah mol uap air yang meninggalkan alat penukar panas : n2 = 12,34 / (101,325 – 12,34) . n Jumlah mol air berkondensasi :

n2 = 1,578

n = 2,585 – 1,578

Kalor laten air pada suhu 500C adalah 2382,9 x 18,015 Panas sensible dari proses pendinginan flue gas ke suhu 500C dengan semua air sebagai uap : MCPH (303,15 , 1773,15 , 48,692 , 10,897.10-3 , 0,0 , -0,5892.105) = 59,89511 Q = R . MCHP (323,15 - 1773,15) – n . AH50 Q = -766.677 Joule


DAFTAR PUSTAKA 

Boles, Michael, Cengel, Yunus. Thermodynamics an Engineering Approach. Fifth Edition



Smith, J.M, Van Ness.

Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics.

McGraw-Hill 

Moran,

Michael,

Thermodynamics. US : John Wiley


Shapiro,

Howard.

2010.

Fundamentals

of

Engineering

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Recommend Documents