azas teknik kimia (1).pdf
TRANSCRIPT
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
1/42
AZAS TEKNIK KIMIA(NERACA ENERGI)
PRODI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
2/42
KESETIMBANGAN ENERGI
Konsep dan Satuan
Perhitungan Perubahan Entalpi
Penerapan Kesetimbangan Energi Umum
tanpa terjadinya reaksi kimia
Kesetimbangan Energi Mekanis
Grafik Kelembapan dan Penggunaannya
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
3/42
KONSEP DAN SATUAN
Menjelaskan konsep dari energi, sistem, lingkungan,jenis-jenis sistem, jenis-jenis energi
Memilih sistem yang sesuai untuk memecahkanmasalah baik sistem tertutup maupun terbuka,
keadaan steady state, unsteady state, danmenetapkan batasan sistem
Membedakan jenis energi potensial, kinetik, daninternal
Menyatakan kesetimbangan energi dalam kata-katadan enulis kesetimbangan tersebut dalam simbolmatematis untuk sistem terbuka maupun tertutup
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
4/42
KONSEP POKOK
Sistem merupakan sembarang massa materi ataubagian peralatan tertentu pada apa kita harusmencurahkan perhatian kita. Suatu sitemdipisahkan dengn lingkungan oleh suatu batas
sistem Lingkungan adalah segala sesuatu yang berada di
luar sistem
Batas sistem merupakan suatu permukaan yang
memisahkan antara sistem dengan lingkungan.
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
5/42
MACAM SISTEM
Sistem Tertutup Sistem Terbuka
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
6/42
MACAM SISTEM
Sistem terbuka (sistem aliran)merupakan sistem dimana memungkinkanterjadinya pertukaran massa maupun energi antarasistem dengan lingkungan
Sistem tertutup (sistem non-aliran)Merupakan sistem yang tidak memungkinkanterjadinya pertukaran massa antara sistem dan
lingkungan namun masih memungkinkan terjadinyapertukaran energi
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
7/42
PROPERTY SYSTEM
Property merupakan segala variabel/parameteryang dapat diamati maupun diukur dari suatusistem. Misalnya: tekanan, temperatur, volume,dll
Berdasarkan ukurannya dibagi menjadi dua yaitusifat intensif (intensif property) dan sifatekstensif (ekstensif property)
Sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuran
sistem sedangkan sifat ekstensif dipengaruhioleh ukuran sistem
Contoh sifat intensif: temperatur, tekanan,densitas, dll. Contoh sifat ekstensif: massa,
volume, dll
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
8/42
Energi
Dua jenis energi berpindah antara sistem danlingkungan tanpa menyertai perpindahan massa
yaitu Kerjadan Panas (kalor) Kerja (work) adalah suatu bentuk energi yang
menunjukkan perpindahan (transfer) antarasistem dan lingkungannya. Kerja merupakanenergi yang tidak dapat disimpan.
Besarnya kerja oleh gaya mekanis:
W= .
dimana F adalah gaya, ds adalah perpindahan Tanda W positif (+) kerja jika dilakukan pada
sistem dan Wnegatif (-) jika sistem melakukankerja
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
9/42
Kerja
Karena kerja bergantung pada lintasan yangdiambil maka kerja merupakan fungsi lintasan(path function)
Contoh: kerja mekanis pada piston
suatu gas ideal pada 300 K dan 200 Kpa beradadidalam silinder tertutup dan tanpa gesekan. Gastersebut menekan piston sehingga secara perlahanvolume mengembang dari 0,1 m3 ke 0,2 m3. hitung
kerja gas pada piston jika digunakan dua lintasanyang berbeda:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
10/42
Jawab
Lintasan A (tekanan konstan) : karena kerja
dilakukan oleh sistem (gas) maka W bertandanegatif
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
11/42
GRAFIK P-V
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
12/42
Lintasan B (suhu konstan)
kerja dalam proses isotermal (suhu konstan):
Dengan n untuk gas ideal
Sehingga kerja:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
13/42
KALOR (HEAT)
Kalor (Heat, panas) merupakan bagian dari energiyang mengalir melintasi batas sistem yangdisebabkan oleh perbedaan suhu antara sistem dansekitarnya
Kalor merupakan energi yang tidak dpat disimpan
Tanda untuk aliran kalor: positif (+)jika mengalirmasuk ke dalam sistem dan negatif (-)jikamengalir keluar sistem
Besarnya energi kalor yang mengalir:
Q= U. A. T
U adalah koefisien heat transfer
A adalah luas area perpindahan panas
T adalah beda temperatur
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
14/42
ENERGI KINETIK
Energi kinetik (KE) adalah energi yangdimiliki oleh suatu sistem karenakecepatannya relatif terhadap sekitarnya
Besarnya K dapat dihitung:
atau energi persatuan massa (spesifik energikinetik)
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
15/42
Contoh soal:air dipompa dari sebuah tangki penyimpanan ke dalam
pipa berdiameter dalam 3 cm pada laju 0,001 m3/s.berapa energi kinetik spesifiknya?
Jawab:
Asumsi bahwa air = 1000 kg/m3 ; r pipa = 1,5 cm
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
16/42
ENERGI POTENSIAL
Energi potensial (PE) adalah energi yang dimilikioleh suatu sistem karena kedudukannya(ketinggian) dari suatu permukaan (referensi)
Besarnya energi potensial dapat dihitung:
PE = m. g. h
atau spesifik energi potensial:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
17/42
Contoh soal:
Air dipompa dari sebuah reservoir ke yang lainny
sejauh 300 ft. permukaan air dalam reservoirkedua adalah 40 ft. berapa kenaikan energipotensial spesifik dari air tersebut dalamBtu/lbm?
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
18/42
ENERGI INTERNAL
Energi internal (U) merupakan pengukuran darimelekuler, atomik, dan subatomik, yang semuanyamengikuti kaidah konservasi mikroskopiktertentu
Energi internal merupakan fungsi dari T dan V, = (T,V)
sehingga:
Dimana merupakan kapasitas panas Cv
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
19/42
ENTALPI
Entalpi merupakan kombinasi dari dua variabelenergi yang dapat diformulasikan:
H = U + PVdengan P adalah tekanan, dan V adalah volume
Entalpi persatuan massa merupakan fungsi suhu dantekanan
Entalpi (H) dan internal energi (U) merupakanfungsi keadaan
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
20/42
NERACA ENERGI CLOSED
SISTEM (TANPA REAKSI KIMIA)
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
21/42
NERACA ENERGI SISTEM
TERBUKA (TANPA REAKSI KIMIA)
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
22/42
contoh soal:
1. Berapakah perubahan energi internal bila 10 kgmoludara didinginkan dari suhu 60 C hingga 30 C pada
volume konstan? Cv=2,1 x 104j/mol.K2. Lihat gambar berikut
pada lintasan (A atau B) manakah yang memiliki
terbesar?
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
23/42
3. Lihat gambar berikut:
manakah yang memiliki terbesar, lintasanABD atau ACP?
4. Berapakah perubahan entalpi bila 10 kgmol udaradidinginkan dari suhu 60 C hingga 30 C padatekanan konstan? Cp gas ideal =Cv +R
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
24/42
Gas N2 di dalam silinder pada P 200 kpa dan T 80 C. Gas
didinginkan hingga P 190 kpa dan T 30 C. Berapa besar
kerja yang telah dilakukan oleh gas
Hitung besarnya kerja untuk masing-masing stage:
Selesaikan:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
25/42
ENERGI BALANCE, OPENSISTEM (UNSTEADY STATE)
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
26/42
ENERGI BALANCE, OPENSISTEM (STEADY STATE)
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
27/42
ENTALPI Entalpi suatu unsur dalam fase tunggal (tidak
terjadi perubahan fase) dapat dihitungmenggunakan kapasitas kalor:
=
satuan Cp adalah Kj/kg mol.K atau BTU/lb mol.0F
besarnya Cp padat, cair, maupun gas merupakanfungsi dari temperatur:
Cp = a + bT + cT2
-dimana T suhu dalam C, K, R, F
bila diintegralkan persamaan entalpi menjadi:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
28/42
KAPASITAS KALOR GASIDEAL
Kapasitas panas campuran gas ideal:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
29/42
GRAFIK Cp GAS
kurva kapasitas panas gas hasil pembakaran
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
30/42
CONTOH SOAL
Diketahui data kapasitas kalor untuk CO2:a = 2.675 x 104
b = 42.27
c = -1.425 x 10-2
-Susunlah pers. Cp (j/Kg mol.K) dari data diatas ?
-konversikan pers. Cp tersebut dalam satuan (Btu/Lbmole.0F)
Jawab
- Persamaan Cp:
- J/kmol.K
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
31/42
Untuk mengkonversi dari satuan j/kg mole.K kesatuan J/lb mole.F dengan mengalikan rus kiri :
kemudian subtitusikan hub. Antara T kelvin dan Tfahrenheit pada suku T pada Cp:
sehingga Cp dalam Btu/Lb mole. F:
h k d d
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
32/42
Contoh: konversi buangan padat menjadi gas yangtidak berbahaya dapat dikerjakan melaluipembakaran sampah. Namun gas buangan harus di
dinginkan atau diencerkan dengan udara. Studikelayakan ekomomi menunjukkan bahwa sampahpadat kota dapat dibakar menjadi gas dengankomposisi berikut:
CO2 9.2%
CO 1.5%
O2 7.3%
N2 82%
berapa perubahan entalpi untuk gas ini per lb molantara bagian atas dan bawah cerobong jika suhubagian bawah cerobong 550 F dan bag. atas 200 F?
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
33/42
Basis 1 lb mol gas
Persamaan Cp (Btu/Lb mole.F)
Persamaan Cp dikalikan dengan mol fraksi:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
34/42
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
35/42
PENGGUNAAN TABEL UAP
Uap didinginkan dari 640 F dan 92 psia sampai480 F dan 52 psia. Berapa dalam Btu/lb?
Untuk memperoleh entalpi maka harus dilakukaninterpolasi tabel uap:
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
36/42
APLIKASI ENERGI BALANCETANPA TERJADINYA REAKSI Closed sistem. Untuk sistem tertutup dimana tidak
ada aliran m1=m2 =0 sehingga
jika tidak ada akumulasi :
Open sistemdengan heat transfer (steady sate):
dengan EK, Ep, W lebih kecil daripada H sehinggadapat diabaikan (contoh: sistem heat exchanger)
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
37/42
Open steady state sistem no heat transfer
contoh: aplikasi perhitungan pompa
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
38/42
Analisa energi balance
Soal: Lakukan analisa energi balance untukmenghitung perubahan entalpi dari masing-
masing segmen
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
39/42
Air sedang dipompa dari dasar sumur dengankedalaman 15 ft pada laju 200 gal/hr ke dalam
tangki penyimpanan yang berada 165 ft di ataspermukaan tanah. Untuk mencegah pembekuansebuah kalor dipasok sebesar 30000 btu/jam kedalam air selama perpindahannya dari sumur ketangki. Klor hilang dari sistem sebesar 25000
Btu/jam. Jika suhu air dari sumur 35 F dan dayapompa 2 hp dengan efisiensi 55%, berapa suhu airmasuk tangki?
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
40/42
SKETSA SISTEM
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
41/42
SOAL
Uap memasuki peti uap, yang terpisah daribiomassa tersebut, dalam sebuah reaktor, pada250 C jenuh. Dan diembunkan dengan sempurnadalam peti uap. Laju kehilangan kalor dari peti ke
sekitarnya 1.5 kj/s. reaktan diletakkan dalamwadah pada suhu 20 C dan pada akhir pemanasanmateri tersebut pada suhu 100 C. jika bebanterdiri dari 150 kg materi dengan Cp 3.26 J/g.K.berapa kg uap yang dibutuhkan per Kg beban?
Materi tetap di wadah reaksi selama 1 jam
-
8/10/2019 AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf
42/42
Sketsa sistem