MAKALAH TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Disusun Oleh :Kelompok: 12Nama Mahasiswa: Hari Purnama (1206202015) Hendrik (1206261264) Rahganda (1206261182) Siti Zunuraen (1206202072)

Departemen Teknik KimiaFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS INDONESIADEPOK, 2014KETERKAITAN ILMU FILSAFAT DENGAN TEKNIKPage 1

Termodinamika Teknik Kimia

Jawaban Pemicu 2 : Hukum Pertama TermodinamikaMA Termodinamika Teknik Kimia Teknik Kimia FTUI4 Maret, Instruktur : Dr. Ir. Praswasti PDK Wulan, MT

1. Buatlah daftar semua jenis energi dan Berikan contoh dalam kehidupan nyata masing-masing.Jawaban :Tabel 1. Jenis-Jenis Energi dan ConrohnyaJenis EnergiContoh Dalam Kehidupan Nyata Sehari-hari

1 Mechanical energyBuah kelapa jatuh dari pohon dengan kecepatan 1 m/s

2 Kinetic energyMobil melaju dengan kecepatan 40 Km/jam

3 Potential energyApel berada diatas pohon

4 Sound energySuara petir menggetarkan rumah

5 Thermal energyTelur direbus dengan air mendidih

6 Chemical energyReaksi asam klorida dengan pita Mg

7 Electric energyNyamuk yang tewas tersengat perangkap listrik

8 Electrostatic energyBalon yang digesek kain perca dapat menarik kertas

9 Magnetic energyKutub magnet yang berlawanan saling tarik-menarik

10 light energyMatahari 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 :

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 dan temperatur akhirnyasehingga untuk satuan kJ/kg.oK, perbedaan suhunya adalah:

sehingga

4. Berikan penjelasan untuk satuan kapasitas panas yang menggunakan basis molar!Jawaban :Kapasitas panas menggunakan basis molar untuk menghadapi permasalahan-permasalahan 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 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 non-monoatomikEnergi vibrasional : energi tersebut juga berasal dari struktur molekul non-monoatomik 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 Temperatur1. 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 0oCNoSifat TermodinamikaKeterangan

1TemperaturNaik,

2TekananTetap, (101 kPa)

3Energi dalamMeningkat seiring kenaikan suhu

4Volume SpesifikMeningkat seiring kenaikan suhu

5EntalpiPanas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkatseiringkenaikansuhu.

2. Panas mencairnya es pada 0oCTabel 3. Sifat Termodinamika mencairnya Es pada suhu 0oCNoSifat TermodinamikaKeterangan

1TemperaturTetap, yaitu 0

2TekananTetap,( 101 kPa)

4Energi dalamMeningkat seiring kenaikan suhu

5Volume SpesifikMeningkat seiring kenaikan suhu

6EntalpiPanas tetap(kalor lebur), Tidak ada perubahan suhu,Adanya perubahan Fase dari padat ke cair

7Kapasitas Panas8,712 J/(g mol)oC

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 100oCNoSifat TermodinamikaKeterangan

1TemperaturMeningkat,

2TekananTetap,(101 kPa)

3Energi dalamMeningkatseiringkenaikansuhu

4Volume SpesifikMeningkatseiringkenaikansuhu

5EntalpiPanas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkatseiringkenaikansuhu,

6KapasitasPanasMeningkatkarenaterjadikenaikansuhu

4. Panaspenguapan air pada 100oCTabel 5. Sifat Termodinamika Air pada Suhu 100oCNoSifat TermodinamikaKeterangan

1TemperaturTetap, yaitu 100

2TekananTetap, (101 kPa)

3EnergidalamMeningkatseiringkenaikansuhu

4Volume SpesifikMeningkatseiringkenaikansuhu

5Entalpi.Panas tetap disebut kalor laten karena tidak ada perubahan fase

6KapasitasPanas29.386 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.NoSifat TermodinamikaKeterangan

1TemperaturMeningkat,

2TekananTetap, (101kpa)

3EnergidalamMeningkat seiring kenaikan suhu

4Volume SpesifikMeningkat seiring kenaikan suhu

5EntalpiPanas sensible(tidak ada perubahan fase) meningkat seiring kenaikan suhu

6KapasitasPanasMeningkat seiring kenaikan suhu

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 psiaT1 = 100 FP2 = 1 atmT2 = 300 FV2 = ?A2 = ?Steam

Gambar 3. Nozzleh1 = 1520.3 btu/lbm v1 = 1699 ft3 /lbmh2 = 1192.6 btu/lbmv2 = 1109.6 ft3 /lbm

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

14. Tangki pejal mempunyai volume 0,5 m3 diisi dengan refrigerant 134a pada 0,5 Mpa, 50 oC. Selanjutnya zat ini dipanaskan sampai mencapai keadaan uap jenuhnya. Hitunglah kalor proses ini.Jawaban :

Gambar 4. Boiler Diketahui :

State 2 : saturated steam volume 0.5 m3u2 = (- 0.0589 0.0525)/ 0.0075 x 2.19 +231.46= 229.68 kj/kgh2= 249.96 kj/kg State 1 : P1 = 0.4 Mpa T1 = 50 oC Volume = 0,5 m3 h1 = 293.59 kj/kg u1 = 265.83 kj/kg v1= 0.05859 m3/kg m = 8,53 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 oC pada sisi keluaran. Asumsikan HE dalam keadaan adiabatis dan jelaskanlah laju alir yang diperlukan.

Steam P = 1.4 MpaT = 300 oC = 5000 kg/hT1+20 oC = 313 KwaterT=20 oC=293 KKondensatT = 150 oCP = 1.4 Mpa = ??1234Jawaban :

Gambar 5. Aliran Fluida Pada alat Penukar Panas

Cp = 4.18 kj/kgoCh1 = 3041.6kj/kgh3 = 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 NitrogenT/KP/barVv/m3kg-1Hv / kJkg-1

801,3960,164078,9

852,2870,101782,3

903,6000,0662885

955,3980,0448786,8

1007,7750,0312687,7

10510,830,0222387,4

11014,670,0159885,6

Jawaban :Diketahui :Volum tangki = 0,5 m3 Hin = -120,8 kJ/Kg C = 0,43 kJ/Kg.K T1 = 295 K Massa tangki = 30 kgData untuk uap jenuh nitrogen : 80 1,3960,1640 85 2,287 0,1017T = 90 K P = 3,600 bar V = 0,06628 m3/kg 95 5,3980,04487100 7,7750,03126105 10,830,02223110 14,670,01598

78,9 82,3H = 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, UvapDengan persamaan 2.29 dikalikan dengan dt,d(nt.Ut) H.dm = dQT mewakili tangki. H dan m mewakili aliran masuk. Karena di awal tangki dievakuasi, maka integrasi akan menghasilkanmvap.Uvap Hin.mvap = mtangki.C. (Tvap T1)dan mvap = Vtangki / VvapSelanjutnya kita dapat menghitung energi dalam sebagai berikut (U = H - PV)

56,00659,041U = 61,139 kJ/kg62,57963,39563,32562,157Jika 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 KDengan menyambungkan persamaan 1 dan 2 akan dihasilkan :Uvap (Tvap) Hin = mtangki . C . (T1-Tvap) . Vvap . (Tvap) / VtangkiTvap = Find (Tvap)Tvap = 97,924 Kmvap = Vtangki / Vvap (Tvap) mvap = 13,821 kg17. 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 tungkuBasis : 1 mol CH4 and 30% udara berlebihJumlah mol metana = 1 molJumlah mol oksigen = 130% x 2 x 1 mol = 2,6 molJumlah mol nitrogen = 79/21 x 2,6 mol = 9,78 molJumlah mol semua gas kering = nCH4 + nO2 + nN2 = 1+2,6+9,78 mol = 13,38 molTekanan 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 molHasil ProdukCO2 = 1 molH2O = 2 + 0,585 mol = 2,585 molO2 = 2,6 2 mol = 0,6 molN2 = 9,78 molNeraca Energi di tungku :Q = H = H298 + Ahp 1 5,457 1,045 -1,157 n = 2,585 A = 3,470 B = 1,450 x10-3 D = 0,121x105 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) = 59,89511AHp = R . MCHP (1773,15 303,15)AH298 = (-393,509 + 2x(-241,818) (-74,520) Joule = -802,625 JolueQ = Hp + H298 = -70.612 JAlat Penukar PanasFlue 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 kPaTekanan uap air pada 500C adalah 12,34 kPa dan air akan mencair untuk menurunkan tekanan parsialnya sampai titik iniJumlah mol gas kering menjadi : n = n1+n3+n4 n = 11,38Jumlah mol uap air yang meninggalkan alat penukar panas :n2 = 12,34 / (101,325 12,34) . n n2 = 1,578Jumlah mol air berkondensasi : n = 2,585 1,578Kalor laten air pada suhu 500C adalah 2382,9 x 18,015Panas 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) = 59,89511Q = R . MCHP (323,15 - 1773,15) n . AH50Q = -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, Shapiro, Howard. 2010. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. US : John Wiley