III ZAT MURNI (PURE SUBSTANCE)Mahasiswa mampu1. menjelaskan karakteristik zat murni dan proses perubahan fasa2. menggunakan dan menginterpretasikan data dari diagram-diagramtermodinamika: Diagram P-v, Diagram P-T, Diagram, P-H3. menggunakandanmenginterpretasikandatadari tabel kukus(steamtable)Tujuan Instruksional Khusus:Materi:Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 13.1. Definisi3.2. Komposisi3.3. Proses Perubahan Fasa3.4. Diagram Fasa (P-T, P-V)3.5. Steam TableMateri:Zat Murni : zat yang selalu mempunyaikomposisikimia yangsamapadasemuatingkat keaadaan, tetapi dapat mempunyaibeberapa fase yang berbeda.Fasa : Sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia danstruktur fisiknya homogenHomogen : Sistem yang mempunyai hanya satu fasaDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 2Heterogen : Sistem yang berisi lebih dari satu fasaUdaraN2Zat murni dapat berupa campuran asalkan komposisinya dalamkondisi homogenDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 3 Nitrogen & udara, keduanya mrp zat murni Udara mrp campuran beberapa gas (terutama N2dan O2)Campuran minyak & air: BUKAN zat murniminyak tidak larut dalam airmembentuk 2 lapisan (fasa), masing-masing komposisinyaberbedaCampuran antara dua fasa atau lebih mrp suatu zat murni, jikakomposisi tiap fasa sama Campuran air dan es: Zat murni, krn komposisi kimia sama Campuran cairan air dan uap air: Zat murni Campuran udara cair dan udara : BUKAN zat murni, karenakomposisi udara cair berbeda dengan komposisi udara (gas)Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 4 Campuran air dan es: Zat murni, krn komposisi kimia sama Campuran cairan air dan uap air: Zat murni Campuran udara cair dan udara : BUKAN zat murni, karenakomposisi udara cair berbeda dengan komposisi udara (gas)UapCairH2OZat MurniUapCairUdaraBukan Zat MurniKOMPOSISIMMMMiiiii= Fraksi MassaMi = Jumlah massa komponen iM= Jumlah massa totalDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 5NNNNxiiiii=Fraksi MolNi = Jumlah mol komponen iN= Jumlah mol totalContoh 3.1:Udaraadalahcampurandari kira-kira3,76mol nitrogenuntuksetiap mol oksigen. Tentukan fraksi mol masing-masing komp. danberat molekul udara! diketahui BM N2 = 28,02 g/gmol dan BMO2 = 32 g/gmolJika dianggap NO2 = 1 mol, maka NN2 = 3,76 molJumlah mol total N = NO2 + NN2=1 mol + 3,76 mol = 4,76 molDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 621 , 0mol 76 , 4mol 1x2O= =79 , 0mol 76 , 4mol 76 , 3x2N= =BM udara = 0,21(32) + 0,79(28,02) = 28,86 g/gmolPROSES PERUBAHAN FASAFasa : padat, cair, gas, minyakBiasanya zat murni dapat berbentuk dua fasa dalamkesetimbangan; misalnya air dan uap air dalamboiler ataucondenserContoh perubahan fase: air dalam ruang piston-silinderDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 7P = 1 atmT = 20oCSTATE 1P = 1 atmT = 40oCSTATE 2P = 1 atmT = 100oCSTATE 3P = 1 atmT = 100oCSTATE 4P = 1 atmT = 300oCSTATE 5heat heat heat heat heatSTATE 1: Ruang piston dan silinder berisi air pada T=20oC dan P=1 atm; Airdalam fase cair disebut cairan sub-dingin atau cairan terkompresiSTATE 2: Panas diberikan kepada air sampai suhunya menjadi 40oC, terjadikenaikan volume spesifik (piston naik)STATE 3: Panas terus diberikan dan tekanan dipertahankan, suhunya naikdanberhenti pada100oC. Fasecair tetapcair, namunjikasejumlahpanas ditambahkan, cairan mulai menguap (berubah menjadi uap).Kondisi cairan yang mulai menguap kondisi cair jenuhSTATE 4: Akhir dari penguapan. Pengurangan panas sekecil apapunmenyebabkanpengembunan. Tingkat keadaanuapdalamkondisi siapmengembun kondisi uap jenuh. Kondisi diantara state-3 dan state-4adalahcampuranfasecair danuapjenuh, sebabfasecair danuapberada dalam kesetimbangan.STATE 5: Jika perubahan fase telah berakhir, panas yang diberikandigunakan untuk menaikkan suhu (misalnya, sampai 300oC). Kondisi inidisebut kondisi uap superheated (superheated vapor)Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 8STATE 1: Ruang piston dan silinder berisi air pada T=20oC dan P=1 atm; Airdalam fase cair disebut cairan sub-dingin atau cairan terkompresiSTATE 2: Panas diberikan kepada air sampai suhunya menjadi 40oC, terjadikenaikan volume spesifik (piston naik)STATE 3: Panas terus diberikan dan tekanan dipertahankan, suhunya naikdanberhenti pada100oC. Fasecair tetapcair, namunjikasejumlahpanas ditambahkan, cairan mulai menguap (berubah menjadi uap).Kondisi cairan yang mulai menguap kondisi cair jenuhSTATE 4: Akhir dari penguapan. Pengurangan panas sekecil apapunmenyebabkanpengembunan. Tingkat keadaanuapdalamkondisi siapmengembun kondisi uap jenuh. Kondisi diantara state-3 dan state-4adalahcampuranfasecair danuapjenuh, sebabfasecair danuapberada dalam kesetimbangan.STATE 5: Jika perubahan fase telah berakhir, panas yang diberikandigunakan untuk menaikkan suhu (misalnya, sampai 300oC). Kondisi inidisebut kondisi uap superheated (superheated vapor)300T oC1002012345vSaturatedmixtureSaturated vaporSaturated liquidCompressed liquidSuperheated vaporDIAGRAM T-v untuk proses pemanasan air pada tekanan tetapDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 9300T oC1002012345vSaturatedmixtureSaturated vaporSaturated liquidCompressed liquidSuperheated vaporDIAGRAM P-T utk zat murnidisebut jugadiagramfasakarenaketigafasadipisahkansatusama lain oleh 3 garisTPVAPORSOLIDLIQUIDCriticalpointSubstancethat expandon freezingSubstancethat contracton freezingTriple pointVaporizationSublimationMeltingTriple point: pertemuanke-3 garis dimanaketiga fasa dalamkeadaan setimbang.Ujunggaris uapadalahadalah titik kritis, sebabtidak ada pembedaanantara fasa cair danfasa uap di atas titikkritis.Zat yangberkerut ataumengembang saatmembeku dibedakan pagaris lelehnya.Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 10TPVAPORSOLIDLIQUIDCriticalpointSubstancethat expandon freezingSubstancethat contracton freezingTriple pointVaporizationSublimationMeltingTriple point: pertemuanke-3 garis dimanaketiga fasa dalamkeadaan setimbang.Ujunggaris uapadalahadalah titik kritis, sebabtidak ada pembedaanantara fasa cair danfasa uap di atas titikkritis.Zat yangberkerut ataumengembang saatmembeku dibedakan pagaris lelehnya.TPVAPORSOLIDLIQUIDCriticalpointSubstancethat expandon freezingSubstancethat contracton freezingTriple pointVaporizationSublimationMelting1Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 11TPVAPORSOLIDLIQUIDCriticalpointSubstancethat expandon freezingSubstancethat contracton freezingTriple pointVaporizationSublimationMelting30 40 100 300Kesetimbangan Padat-CairClapeyron equation: perubahan titik beku thd tekananS LS Lfh h) v v ( Thv TdPdT=AA=Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 12dimana Ahf = panas laten peleburan (latent heat of fusion)Utksebagianbesar zat murni, dT/dPkecil danpositif, namununtuk transisi es-air pada 0oC dT/dP = 0,007 K/atm; Keanehanini karena fase padat kurang rapat d.p. fase cair: (vL-vS) < 0Contoh 3.2:Hitung perbedaan suhu terhadap tekanan sistem kesetimbanganes-air pada suhu 273 K.diketahui: es = 0,917 g/cm3; air = 1 g/cm3; Ahf = 79,6 cal/gatmK00752 , 0calcm K311 , 0gcal6 , 79gcm)917 , 0 11 ( K 273hv TdPdT33f = ==AA=Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 13atmK00752 , 0calcm K311 , 0gcal6 , 79gcm)917 , 0 11 ( K 273hv TdPdT33f = ==AA=Kesetimbangan Uap-CairKetika kesetimbangan melibatkan fasa uap, maka tekanandinyatakansebagai tekananuap, Po. Dari bentukasli Clapeyroneq. diperoleh:) v v ( Th hv ThdTdPL vL v v o=AA=jika dianggap gas dalam keadaan idealoPRTv = Adimana Ahv = panas laten penguapanDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 14jika dianggap gas dalam keadaan idealoPRTv = A2v o v oRTh Pv ThdTdP A=AA=RhT / dTP / dPv2o oA=RThc P lnvoA =diintegrasikanc adalah konstanta;dapatdigunakanuntukinterpolasi atauekstrapolasi tekananuap, sertauntukprediksi panaslatenpenguapandari datatekanan uap.Pers. Antoine mrp. salah satu pendekatan empiris persamaantekanan uap jenuht CBA Po+ = logt CBA Po+ = lnatauDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 15dimana A, B, C adalah konstanta Antoine;t adalah suhut CBA Po+ = lnTekanan uap jenuh (Poj) dan konstanta kesetimbangan (Kj) suatukomponen kimia dapat ditentukan dari persamaan AntoineContoh 3.3:, , C T BA Pjo+ = lnPPKjoj =Poj = tekanan uap jenuh komponen j [kPa]T= temperatur sistem [K]P= tekanan sistem [kPa]A, B, C = konstanta Antoinej komponen A B CDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 16PPKjoj =j komponen A B C1 Benzene 14,16 2948,78 -44,562 Toluene 14,25 3242,38 -47,183 O-Xylene 14,12 3412,02 -58,68Jika tekanan sistem, P = 150 kPa, dan suhu sistem, T = 400 K,tentukantekananuapjenuh(Poj) dankonstantakesetimbangan(Kj) tiap komponen.------------------------------------------komponen (j) Poj [kPa] Kj------------------------------------------1 352.0806 2.34722 157.6065 1.05073 61.7724 0.4118------------------------------------------Jawaban Contoh 3.3:Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 17------------------------------------------komponen (j) Poj [kPa] Kj------------------------------------------1 352.0806 2.34722 157.6065 1.05073 61.7724 0.4118------------------------------------------DIAGRAM P-vPPPPQPRvPQRJika tekanan uap naik, titik didih(boiling point) juga naik, Titik P, Q,dan R mewakili titik didih cairanpada PP, PQ, dan PR.Volume spesifik pada Ptinggi jugaagak lebih besar d.p. pada PrendahDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 18PPPPQPRvPQRPPPQPRvPQRP Jika cairan dipanaskan pada tekanankonstan, tambahan panas dapatmengubah fase dari cair menjadiuap;Panasini disebutpanaslatenpenguapanAhv pada Ptinggi lebih kecil d.p.pada Prendah (lihat P, Q, dan R) Tekanan pada titik pertemuan gariscair jenuh dan garis uap jenuh(titik C) disebut tekanan kritis, PC pada titik C, Ahv = 0Zat yangterdapat di dalamloopt.d.d. campuran cairan dan uapkering disebut uap basah (wetvapor)PPPQPRvPQRPCPQRCPCritical PressureSaturated vaporlineSaturated liquid lineDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 19 Tekanan pada titik pertemuan gariscair jenuh dan garis uap jenuh(titik C) disebut tekanan kritis, PC pada titik C, Ahv = 0Zat yangterdapat di dalamloopt.d.d. campuran cairan dan uapkering disebut uap basah (wetvapor)PPPQPRvPQRPCPQRCPCritical PressureSaturated vaporlineSaturated liquid line Keadaan jenuh: perbahan fase terjadi pada P tetap atau T tetap. titik didih P, Q, dan R membentuk saturated liquid line. titik didih P, Q, dan R membentuk saturated vapor line.PPPQPRvPQRPCPQRCPST1T1T2T2T3T3TCTCT1T2T3T4T5Temperatur kritisKurva P-vT6Uapjenuhdisebut jugadenganjenuh kering (dry saturated)menekankan bhw tidak adacairan pada kondisi uap. Garis temp. konstan disebutisothermal.Garis temp. menjadi horizontalantara g.c.j. dan g.u.j. (PP,QQ, RR)Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 20PPPQPRvPQRPCPQRCPST1T1T2T2T3T3TCTCT1T2T3T4T5Temperatur kritisKurva P-vT6Uapjenuhdisebut jugadenganjenuh kering (dry saturated)menekankan bhw tidak adacairan pada kondisi uap. Garis temp. konstan disebutisothermal.Garis temp. menjadi horizontalantara g.c.j. dan g.u.j. (PP,QQ, RR) Grs temp. kritis TCmenyentuh puncak loop titikkritis C.titikS: Superheatedvapor;derajat superheated = T3T2Campuran Uap-Cair JenuhJikadiketahui suatuzat terletakpadasuhuT2dantekanan PQ, Apakah anda dapat mendefinisikankeadaan dari zat tersebut?cair? ... cair jenuh? .. uap basah? uap jenuh?Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 21Pada(PP, QQ, RR), suhudantekananbukanvariabelbebas, karena mereka konstan pada rentang volume spesifikv. Keadaan dapat didefinisikan jika salah satu sifat (misalnya v)diketahui.Padakeadaansangat superheated, garis isothermal padadiagram P-v cenderung hiperbolik (Pv = konstan). Contohnya,garis isothermal T6Gas ideal (Gas sempurna) diasumsikan ketika garis suhuisothermal mengikuti bentuk hiperbola sehingga pers.Pv/T=konstan dapat tercapai.Semua zat cenderung memiliki sifat gas sempurna padakeadaan sangat superheated. Contohnya, O2, N2, H2 akandibahas di bab y.a.d.Dryness fraction,x = massa uap kering di dalam 1 kg campurannyaWetness fraction = 1 xNote:x = 1 uap jenuh; x = 0 cair jenuhDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 22Padakeadaansangat superheated, garis isothermal padadiagram P-v cenderung hiperbolik (Pv = konstan). Contohnya,garis isothermal T6Gas ideal (Gas sempurna) diasumsikan ketika garis suhuisothermal mengikuti bentuk hiperbola sehingga pers.Pv/T=konstan dapat tercapai.Semua zat cenderung memiliki sifat gas sempurna padakeadaan sangat superheated. Contohnya, O2, N2, H2 akandibahas di bab y.a.d.PENGGUNAAN TABEL UAPTabel uaptersediauntukberbagai zat yangmanapadakondisinormal zat dalam fase uap (misalnya, steam, amonia, freon, dll.)Sifat Kondisi Jenuh Psat dan tsat ditabelkan dalam kolom paralel (kolom pertama);tekanan berkisar antara 0,006112 bar s.d. 221,2 bar (Pc);Contohnya, Steam pada p=0,34 bar mempunyai property sbb:Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 23 Psat dan tsat ditabelkan dalam kolom paralel (kolom pertama);tekanan berkisar antara 0,006112 bar s.d. 221,2 bar (Pc);Contohnya, Steam pada p=0,34 bar mempunyai property sbb:p tsvgufughfhfghgsfsfgsg0,34 72,0 4,649 302 2472 302 2328 2630 0,980 6,745 7,725 Perhatikan!! Satuan pada tabel di berbagai literatur mungkinberbeda. Untuk perubahan cair jenuh uap jenuhQ = (u2 u1) + W = (ug uf) + WJika W = (vg vf)p Q = (ug uf) + (vg vf)p= (ug+ pvg) (uf+ pvf)Karenah = u + pv Q = (hg hf) = hfg(panas laten penguapan)Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 24Q = (u2 u1) + W = (ug uf) + WJika W = (vg vf)p Q = (ug uf) + (vg vf)p= (ug+ pvg) (uf+ pvf)Karenah = u + pv Q = (hg hf) = hfg(panas laten penguapan)Properti Uap Basahbasah uap total massaing ker uap volume cairan volumev+= volume spesifik uap basahUntuk 1 kg uap basah, terdapat x kg uap kering dan (1x) kgcairan, maka: Vol. spesifik uap basah :v = vf(1x) + vgxkarena vf sangat kecil, makav vgx Entalpi uap basah :h = hf(1x) + hgx = hf + x(hghf) =hf + xhfg Energi internal :u = uf(1x) + ugx = uf + x(uguf)Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 25 Vol. spesifik uap basah :v = vf(1x) + vgxkarena vf sangat kecil, makav vgx Entalpi uap basah :h = hf(1x) + hgx = hf + x(hghf) =hf + xhfg Energi internal :u = uf(1x) + ugx = uf + x(uguf)Contoh 3.4:Tentukan v, h, dan u steam basah pada 18 bar dan x = 0,9Karena dari tabel, vg>>>vf ,Volume spesifik:v = xvg = 0,9 (0,1104) = 0,0994 m3/kgEntalpi:h = hf + x hfg = 885 + 0,9 (1912) =2605,8 kJ/kgEnergi internal:u = (1x)uf + xug= (10,9)883 + 0,9(2598)= 2426,5 kJ/kgDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 26Karena dari tabel, vg>>>vf ,Volume spesifik:v = xvg = 0,9 (0,1104) = 0,0994 m3/kgEntalpi:h = hf + x hfg = 885 + 0,9 (1912) =2605,8 kJ/kgEnergi internal:u = (1x)uf + xug= (10,9)883 + 0,9(2598)= 2426,5 kJ/kgContoh 3.5: Tentukan dryness factor x, vol. spesifik v, energiinternal u steam pada p=7 bar danh=2600 kJ/kgPada p=7 bar hg = 2764 kJ/kg;namun kenyataannya h = 2600 kJ/kg, berarti steampadakeadaan uap basahdarih = hf + x hfg 921 , 02067697 2600h h hxfgf===Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 27921 , 02067697 2600h h hxfgf===Vol. spesifik : v = x vg = 0,921(0,2728) = 0,2515 m3/kgEnergi internal : u = (1 x)uf + xug= (10,921)696 + 0,921(2573)= 2420 kJ/kgProperti Superheated VaporUntuk steam pada daerah superheat, suhu dan tekananmerupakan variabel bebas; artinya, jika suhu dan tekanan telahditentukanuntuksuperheatedsteam, makaproperti laindapatditentukanContoh:steam pada 2 bar 200oC adalah superheated, karena suhu jenuhpada 2 bar adalah 120,2 oC;derajat superheat = 200120,2 = 79,8 KDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 28Contoh:steam pada 2 bar 200oC adalah superheated, karena suhu jenuhpada 2 bar adalah 120,2 oC;derajat superheat = 200120,2 = 79,8 KTabel superheated steam tekanannya berkisar dari 0,006112 bars.d. tekanan kritis 221,2 bar; dan ada tambahan tabeltekanansuper kritis s.d. 1000 barContoh tabel superheated steam pada 20 barp(ts)t 250 300 350 400 450 500 60020(212,2)vuhs0,1115268129046,5470,1255277430256,7680,1386286131386,9570,1511294632487,1260,1634303033577,2830,1756311634677,4310,1995329136907,701Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 29Untuk tekanan > 70 bar,energi internal dapat dicari dengan: u = h pvContoh 3.6: Steam pada 110 bar mempunyai v=0,0196 m3/kg,cari suhu, entalpi dan energi internaldari tabel, padap=110bar, diketahui vg=0,01598m3/kg(lebih kecil dari vnyata) berarti steam adalah superheated; dan h= 2889 kJ/kg1 bar = 105 Pa= 105 N/m2 = 105 kg/(m.s2) pada p = 110 bar, ts = 318 oC,pada v = 0,0196 m3/kg, t = 350 oCderajat superheat = 350 318 = 32 KDr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 30 pada p = 110 bar, ts = 318 oC,pada v = 0,0196 m3/kg, t = 350 oCderajat superheat = 350 318 = 32 K energi internal :u = h pv = 2889 kJ/kg 110x105Pa x 0,0196 m3/kg= 2889 kJ/kg 215600 kg m2/(s2kg)= 2889 kJ/kg 215600 J/kg(1/103) kJ/J=2889 kJ/kg 215,6 kJ/kg= 2673,4 kJ/kgInterpolasiJikadatapadakondisi tertentutidaktersediadi tabel; makadapat dilakukan interpolasi antara nilai-nilai yang ada di tabelt1t2tpp2p1p bart oCSuhu t diantara t1dant2:, 1 21 211t tp pp pt t ]]}

\|+ =Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan Prodi. Tek. Perminyakan FTM - UPNVY Thermo / III / 31t1t2tpp2p1p bart oC, 1 21 211t tp pp pt t ]]}

\|+ =Dengancara yangsama, makaudanhdapat dicari denganinterpolasi