BAB VI

BAB VINERACA ENERGI

6.1 Prosedur dan Konsep Dasar Neraca Energi

Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam menyelesaikan permasalahan neraca energi adalah membuat gambar dan label flow chart dengan benar. Ketika membuat label flow chart pastikan memasukan informasi yang dibutuhkan untuk menghitung spesifik enthalpy dari tiap aliran komponen, termasuk tekanan dan temperature yang diketahui.

Dalam penambahan kondisi yang menunjukan agresi dari proses material ketika tidak nyata : jangan menulis H2O secara sederhana, sebagai contoh, tulis H2O(s), H2O(l) atau H2O(v), itu yang menunjukan apakah air itu berwujud solid, liquid, atau uap.

Sesuai dengan hukum energi (hukum Termodinamika -1) yang mencakup prinsip kekekalan energi. Neraca energi merupakan persamaan sistematis yang menyatakan hubungan antara energi masuk dengan energi keluar. Penentuan neraca energi dari suatu proses/ system, perlu didasarkan pada satuan waktu operasi.Konsep secara makroskopis dari neraca energi, serupa dengan konsep makroskopis dari neraca massa.

perlu dibedakan pengertian antara proses alir dimana bahan masuk dan keluar system secara kontinyu, dengan proses bukan alir (batch) dimana masuk dan keluar system tidak secara kontinyu.

Energi yang perlu diklarifikasikan dalam beberapa golongan :1. Energi Dalam : dinyatakan dengan U persatuan massa atau

2. Energi untuk memasukan bahan ke dalam system. Kerja ini sama dengan mpV, dimana p : tekanan system, V : volum m = massaKerja alir ini juga digunakan untuk mengeluarkan bahan dari system, bentuk energi ini hanya ada dalam proses alir.

3. Energi potensial dari system Ep = m.z dimana z = tinggi terhadap bidang reference, g/gc = gravitasi 4. tenaga kinetic dari bahan yang masuk dan keluar system, dinyatakan dengan Ek =

energi dapat ditransfer/ dipindahkan dalam bentuk panas (Q) atau dalam bentuk kerja (W).

6.2 Energi Potensial, Energi Kinetik, Energi Dalam, Enthalpy dan Manfaat Enthalpy

a. Energi Potensial

Suatu benda dengan massa m dinaikan dari ketinggian z1 ke z2, percepatan grafitasi ditempat itu g, bila massa dipandang sebagai system, maka kerja yang harus diberikan pada system adalah

Ep = m.g.(Z .1)b. Energi Kinetik

Suatu massa m bergerak melalui lintasan x dengan kecepatan v1. benda tersebut dipercepat gerakannya dengan diberi gaya F sehingga kecepatannya menjadi v2. maka kerja yang diberikan pada system dapat dinyatakan sebagai :

Ek = ..2)c. Energi InternalSuatu system yang diam, dari keadaan satu keadaan yang lain tanpa ada perubahan dalam kecepatan maupun ketinggian, tetapi volume, tekanan dan temperature berbeda. Maka energi dan kerja diubah dalam bentuk internal energi.

(E = Q W = U1 U2 = (U ..3)Energi internal adalah fungsi dari suhu dan volume. Untuk komponen murni, dan tiap satuan massa, maka energi internal :

U = U (T,V) .4)

.5)Integrasi persamaan

U1 U2 = ..5)d. Fungsi Enthalpy

Enthalpy merupakan besasran yang relatif terhadap keadaan reference. Untuk suatu komponen murni, dan satu fasa, maka enthalpy tiap satuan massa adalah :H = H (T,P) 7)

.8)Integrasi persamaan

H1 H2 = ..9)Pada umumnya untuk system alir, kerja persatuan waktu yang dinyatakan dengan W terdiri dari dua kontribusi yaitu :

1. kerja yang ditunjukkan oleh system yang mengalir sebagai akibat dari masuk keluarnya bahan pada system

2. semua kerja lain yang terjadi dalam system.

.10)

= Spesifik enthalpy

P = Tekanan total

= Spesifik energi dalam

= spesifik volum

Contoh Soal :

1. Air mengalir ke unit proses melalui suatu pipa dengan diameter 2 cm ID dengan kecepatan 2 m3/h. hitung Ek untuk aliran ini dalam J/sPenyelesaian :

2. Minyak mentah di pompa dengan kecepatan 45 kg/s dari sumur dengan kedalaman 220 m ke tangki penampung dengan ketinggian 20 m diatas tanah. Hitung keceptan yang menyertai peningkatan eneri potensial

Penyelesaian :

(z = z final z initial = + 240 m (Ep =

(Ep =

3. spesifik energi dalam dari helium pada suhu 300 K dan 1 atm adalah 3800 J/mol, dan spesifik mol volum pada suhu dan tekanan yang sama adalah 24,63 liter/mol. Hitunglah spesifik enthalpy dari helium pada suhu dan tekanan ini, dan kecepatan pada saat enthalpy ditransportasikan oleh aliran dari helium pada suhu 300 K dan tekanan 1 atm dengan kecepatan aliran 250 kmol/h.

Penyelesaian :

= 3800 j/mol + (1 atm).(24,63 liter/mol)

untuk menyamakan bentuk kedua dari sebelah kanan diperlukan faktor (J/liter.atm). dari tetapan gas didapat 0,08206 liter.atm/mol K = 8,314 J/mol K, dengan membagi sebelah kanan oleh sebelah kiri , maka :

maka :

= 3800 J/mol +

jika n = 250 kmol/h

H = n. =

6.3 Neraca Energi Untuk Sistem TertutupDalam hal ini energi disusun pada suatu system dimana tidak diperhitungkan aliran massa masuk maupun keliuar system. Contoh dari neraca energi pada system tertutup adalah system proses batch. Bentuk persamaan neraca enerdi untuk system tertutup adalah :

Akumulasi = input + output 11)Untuk energi akan ditransfer berupa panas dan kerja jadi persamaan diatas pada sisi kanan tidak dapat di hilangkan secara langsung. Sebagaimana neraca massa nilai akumulasi sebanding dengan nilai akhir dari jumlah yang diseimbangkan (dalam hal ini energi system) dikurangi dengan nilai awal dari jumlah ini. Jadi persamaan diatas dapat ditulis menjadi :

..12)Energi system awal = Ui + Uki + Epi ..13)

Energi system akhir = Uf + Ukf + Epf 14)

Energi yang ditransfer = Q + W ..15)

Dengan mensubtitusikan persamaan 13,14,15 ke persamaan 12 didapat :(Uf - Ui) + (Ekf Eki) + (Epf Epi) = Q + W

atau digunakan symbol ( untuk (final initial)

(U + (Ek + (Ep = Q + W ..16)untuk menggunakan persamaan diatas beberapa hal yang harus diperhatikan yaitu :

1. Energi dalam dari system tergantung pada komposisi kimia, temperature dari material system; tidak tergantung pada tekanan untuk gas ideal dan hamper tidak dipengaruhi oleh tekanan untuk liquid dan solid. Maka jika tidak ada perubahan suhu, phase, atau komposisi kimia yang terjadi dalam system maka (U 0

2. Jika system dan lingkungan mempunyai suhu yang sama (atau jika system di sekat dengan sempurna) maka Q = 0. system disebut dengan bentuk adiabatic

3. Jika tidak ada bagian yang berpindah atau yang menyebabkan terjadinya arus dalam system tertutup maka W = 0

4. Jika perubahan energi potensial dipengaruhi oleh perbedaan tinggi yang terlibat dalam system. Bentuk hitungan harus dimasukkan dalam bentuk (Ep.

Contoh :

Suatu gas yang terdapat dalam silinder yang bisa disesuaikan dengan memindahkan piston .

temperature awal adalah 25oC

silinder ditempatkan pada air yang mendidih dengan piston yang diberi pegangan untuk memperbaiki posisi. Panas dengan jumlah 2 kcal diabsorpsi oleh gas, dengan suhu setimbang adalah 100oC (dan tekanan tinggi). Lalu piston terdorong and gas mendorong piston dengan kerja 100 J membentuk kesetimbangan piston yang baru. Suhu akhir adalah 100oC. Tulis persamaan kesetimbangan energi untuk tiap 2 posisi dari proses ini, dalam tiap menyelesaikan soal untuk bentuk energi yang tidak diketahui dalam persamaan . dalam menyelesaikan problem, pertimbangkan gas dalam silinder menjadi system, abaikan perubahan dalam energi potensial dari gas pada saat piston bergerak vertical, dan assumsi gas menjadi ideal. Tunjukan seluruh energi dalam JoulePenyelesaian :

1.

(U + (Ek + (Ep = Q + W(Ek = 0 (system tidak bergerak)

(Ep = 0 (tidak ada perpindahan vertical)

W = 0 ( tidak ada batasan yang bergerak)

(U = Q

Q = 2 cal

Q =

(U = 8364 J

2.

(U + (Ek + (Ep = Q + W

(Ek = 0 (system tidak bergerak pada saat kondisi awal dan akhir)

(Ep = 0 (assumsi diabaikan)

(U = 0 ( U dipengaruhi hanya pada T untuk gas ideal, dan T tidak berubah)

0 = Q + W

W = - 100 J

Q = 100 J

Penambahan 100 J panas yang diabsorbsi oleh gas saat meningkat dan kembali setimbang pada saat 100oC6.3 Neraca Energi Pada Sistem Terbuka

Hukum pertama thermodinamika untuk system tertutup pada keadaan steady state berbentuk :

Input = Output

Input disini menunjukan total kecepatan transport dari kinetic, potensial, dan nergi dalam oleh seluruh aliran masuk proses ditambah dengan kecepatan pada saat energi ditransfer berupa panas dan kerja, dan Output adalah total kecepatan transfer energi oleh aliran keluar.

Jika Ej adalah total transfer energi oleh aliran j input atau output dari proses, Q dan W di definisikan sebagai kecepatan aliran dari panas dan kerja dalam proses. maka persamaan menjadi :

Q + W + ..17)

.18)jika mj, Ekj Epj dan Uj adalah kecepatan aliran massa, energi kinetic, energi potensial, dan energi dalam dari aliran proses j. maka keceptan pada saat energi ditranfer kedalam atau keluar system oleh aliran ini adalah :

Ej = Uj + Ekj + Epj .19)

Uj = mj

Ekj =

Epj =

Maka :

Ej = mj .20)Total kerja yang dilakukan pada system oleh lingkungan sebanding dengan Sharf Work (Ws) ditambah dengan Flow Work (Wf).

W = Ws + Wf .21)Ws = Shaft Work adalah kerja yang dilakukan pada proses fluida oleh bagian yang bergerak dalam system ( contoh : baling-baling (rotor) pompa)

Wf = Flow Work adalah kerja yang dilakukan fluida pada saat masuk system dikurangi kerja yang lakukan oleh fluida pada keluar system

Wf = Pin.Vin Pout.Vout

dengan mensubtitusikan persamaan 20 ke persamaan 18 maka menjadi :

mj - mj = Q + W 23)Subtitusikan persamaan 22 ke persamaan 23 maka didapat :

Q+Ws=mj-mj Dari persamaan 10 dapat dikombinasikan menjadi :

bentuk dari variable ini di dapat :

Q + Ws=mj -mj .24)

Bentuk persamaan 24 akan menjadi :

(H + (Ek + (Ep = Q + Ws 25)Catatan :

1. Jika proses mempunyai aliran masuk tunggal dan aliran keluar tunggal , dan tidak ada akumulasi massa total dalam system (jadi nin = nout = n) bentuk (H menjadi :(H = n ..26)2. Jika variable spesifik mempunyai nilai sama untuk seluruh aliran input dan output maka persamaan 26 tidak dapat di gunakan. Contoh jika adalah sama untuk seluruh aliran maka persamaannya adalah :

tetapi dari total neraca massa dalam kurung (dengan total massa masuk dikurangi total massa keluar ) saman dengan nol (H = 0Contoh Soal :

Lima ratus kilogram per jam steam menggerakan turbin. Steam yang masuk ke turbin pada tekanan 44 atm dan suhu 450oC bergerak lurus dengan kecepatan 60 m/s dan keluar pada 5 m dibawah turbin masuk pada tekanan atmosfir dan kecepatan 360 m/s. turbin dengan shaft work sebesar 700 kW, dan panas yang hilang dari turbin dihitung menjadi 104 kcal/h . hitunglah perubahan spesifik enthalpy pada prosesPenyelesaian :

m = 500 kg/h

m = 500 kg/3600 s = 0,139 kg/s(Ek =

(Ek =

(Ep =

(Ep =

Q =

Ws = - 700 kW

(H = Q + Ws - (Ek - (Ep

(H = - 11,6 kW + 8,75 kW - 6,81 103 kW

(H = -720 kW

(H = m

=

= = -5180 kJ/kg

_1177527356.unknown

_1177659094.unknown

_1177661457.vsd

_1177670686.unknown

_1177671706.unknown

_1177699811.unknown

_1177700914.unknown

_1229406353.unknown

_1177700925.unknown

_1177700975.unknown

_1177700304.unknown

_1177700830.unknown

_1177700010.unknown

_1177699432.unknown

_1177699530.unknown

_1177699308.vsd

_1177671233.unknown

_1177671553.unknown

_1177670758.unknown

_1177670037.unknown

_1177670233.unknown

_1177670378.unknown

_1177670220.unknown

_1177669697.unknown

_1177669797.unknown

_1177662755.unknown

_1177662756.unknown

_1177662509.unknown

_1177660011.unknown

_1177660201.unknown

_1177659863.unknown

_1177659978.unknown

_1177659266.unknown

_1177528927.unknown

_1177610940.vsd

_1177613766.unknown

_1177613982.vsd

_1177613342.vsd

_1177613399.vsd

_1177605516.unknown

_1177528497.unknown

_1177528648.unknown

_1177527443.unknown

_1177521332.unknown

_1177522983.unknown

_1177523039.unknown

_1177524291.unknown

_1177522757.unknown

_1177522962.unknown

_1177521793.unknown

_1177521722.unknown

_1177521787.unknown

_1177439396.unknown

_1177439582.unknown

_1177438972.unknown