Makalah Termo Pemicu 2

8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2

1/26

TERMODINAMIKA

MAKALAH PEMICU 2

Hukum Pertama Termodinamika

Annisaa Nurqomariah !"#$$#%#%2&

E'(usta Masanari !"#$)*!+#!&

Nau,a' -.a,iq !"#$$#/+%!&

Nur Annisa !"#$))2+*!&

Tu0a(us Ri1a'd. !"#$))2+)#&

Ke'omok $

Deartemen Teknik Kimia

3aku'tas Teknik Uni4ersitas Indonesia

Deok5 2#!$

1


2/26

DA3TAR I-I

Ha'aman Co4er 66677777777777777777777777777777 !

Da,tar Isi 7777777777777777777777777777777766

2

Zeroth Problem ………………………………………………………………………………. 3

First Problem ………………………………………………………………………………….

4

Second Problem ……………………………………………………………………………… 5

Third Problem ………………………………………………………………………………...

7

Fourth Problem ……………………………………………………………………………... 12

Fifth Problem ……………………………………………………………………………….. 14

Sixth Problem ………………………………………………………………………………..

17

Seventh Problem …………………………………………………………………………….

2

!i"ht Problem ………………………………………………………………………………. 21

Kesimu'an 7777777777777777777777777777777

2)

Da,tar Pustaka 7777777777777777777777777777766 2$

2


3/26

Zeroth Problem

Scientist and engineers, with careful measurements and analysis of non-nuclear processes,

have consistently observed that mass and energy are conserved. Due to its overall

applicability and generality, these observations have been known as the first law of

thermodynamics: energy can not be created nor destroyed, it can only transform from one

form to another. Energy comes in many forms. List all kind of energy and give real-life

example of each.

Jawab :

1. Energi Bunyi

Energi bunyi adalah sebuah energi yang dihasilkan dari suara atau bunyi-bunyian,

seperti bunyi halilintar bunyi gitar, bunyi petasan dan lain sebagainya.

2. Energi Kimia

Energi kimia merupakan sebuah energi yang masih tersimpan pada persenyawaan

kimia berdasarkan proses kimia yang terjadi. Adapun besarnya jumlah energi kimia

yang dihasilkan sendiri bisa dihitung berdasarkan jumlah dan jenis pereaksi pada

sebuah reaksi kimia tertentu. Sementara alat untuk menghasilkan energi ini,

contohnya adalah baterai dan aki.

3. Energi Panas

Energi yang dihasilkan dari matahari, yang disebut juga sebagai energi kalor adalah

energi panas. Seperti kita ketahui, matahari atau surya adalah sumber dari energi

panas yang begitu besar kapasitasnya. Dengan adanya tenaga matahari ini bisa

3

http://benergi.com/macam-macam-dan-contoh-sumber-energi-bunyihttp://benergi.com/contoh-energi-kimia-dalam-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/contoh-energi-panas-di-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/contoh-energi-kimia-dalam-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/contoh-energi-panas-di-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/macam-macam-dan-contoh-sumber-energi-bunyi


4/26

memenuhi kebutuhan semua makhluk hidup yang ada di dunia.

4. Energi Listrik

Energi yang paling banyak dibutuhkan untuk kebutuhan rumah tangga lainnya adalahenergi listrik . Energi yang satu ini bisa diganti ke dalam bentuk energi lainnya,

misalnya energi panas, energi bunyi, energi gerak dan lainnya. Contohnya adalah

penggunaan berbagai alat elektronik seperti TV, AC, setrika dan lain – lain.

5. Energi Potensial

Energi yang dimiliki oleh sebuah benda berdasarkan kedudukannya terhadap sebuah

acuan tertentu adalah energi potensial. Contohnya adalah orang yang berdiri di atas

gedung tinggi memiliki energi potensial.

6. Energi Potensial

Energi yang dimiliki oleh sebuah benda berdasarkan gerakannya adalah potensial.

Contohnya koin yang dijatohkan dari ketinggian mempunyai energi kinetic hingga

menyentuh dasar tanah.

First Problem

You are planning a birthday party for your niece and need to make at least 4 gallons of Kool-

Aid, which you would like to cool down to 32°F (0°C) before the party begins.

Unfortunately, your refrigerator is already so full of treats that you know there will be no

room for the Kool-Aid. So, with a sudden flash of insight, you decide to start with 4 gallons

of the coldest tap water you can get, which you determine is 50 °F (10°C), and then cool it

down with a 1-quart chunk of ice you already have in your freezer. The owner's manual for

your refrigerator states that when the freezer setting is on high, the temperature is -20°C. Will

your plan work? States all of your assumptions!

Jawab :

Diketahui:# Massa Kool-Aid = Massa air keran = 4 gallons = 15,14 kg = 15 kg

4

http://benergi.com/manfaat-energi-listrik-bagi-kehidupan-manusiahttp://benergi.com/pengertian-energi-potensial-pegas-beserta-contohnyahttp://benergi.com/manfaat-energi-listrik-bagi-kehidupan-manusiahttp://benergi.com/pengertian-energi-potensial-pegas-beserta-contohnya


5/26

# Massa es = 1 quart = 0,9 kg

# Cair = 4,2

# Ces = 2,1

# Suhu es = -20 oC

# Suhu air keran = 10 oC

# Suhu Kool-Aid = 25 oC# Ts = suhu setimbang

Asumsi :

# Sistem adiabatic = sistem tertutup = tidak ada perpindahan panas yang terjadi pada

sistem

$de % &endin"in'(n )ool#*id den"(n (ir +(n" bertem,er(tur 1 - d(n es b(tu

+(n" bertem,er(tur #2 -.

mes . C es . ∆T es + mes . Les= mair . C air . ∆T air

#6+2 6 #6+"$" 6 2!## 6 Ts 8 9 2#&& : #6+2 6 #6+"$" 6 **$### ; ! 6 !)6!" 6 "2## !# 8 Ts&

Ts ; 26+ OC ; * oC

Secara teoritis tidak berhasil mendinginkan Kool-Aid dengan air yang

bertemperatur 10 C dan es batu yang bertemperatur -20 C karena suhu setimbang

yang di dapat 3 oC sedangkan untuk mendinginkan Kool – Aid yang diharapkan

suhu setimbangnya 0 oC. Walaupun kurang dari 0 oC, Kool – Aid cukup dingin

tetapi tidak sesuai dengan yang diharapkan.

Second Problem

Steam is contained in a closed rigid container with a volume of 1 m3. Initially, the pressure

and temperature of the steam are 7 bar and 500 °C, respectively. The temperature drops as a

5


6/26

result of heat transfer to the surroundings. Determine the temperature at which condensation

first occurs, in °C, and the fraction of the total mass that has condensed when the pressure

reaches 0.5 bar. What is the volume, in m3, occupied by saturated liquid at the final state?

Jawab :

Melihat table superheated

Pada tekanan 7 bar dan suhu 500°C diketahui dari table bahwa volume spesifiknya

0,507 m3 /kg.

• Asumsi :

Volume spesifik awal vapor steam = volume spesifik akhir vapor steam karena terjadi

pada sistem tertutup. Kondensasi mengakibatkan perubahan fasa uap menjadi cairan

sehingga juga terjadi perubahan kondisi dari superheated mejadi saturated steam.

Kondensasi mulai terjadi ketika volume spesifik vapor pada saat superheated sama

dengan pada saat saturated.

• Melihat saturated table

Dilakukan interpolasi suhu 140OC dengan 150OC dan diketahui suhu sebesar 140.17

6


7/26

oC pada saat mulai terjadi kondensasi.

Pada tekanan 0,05 bar diketahu bahwa volume spesifik liquid = 0,00103 m3 /kg dan

vapor = 3,24 m3 /kg. Berdasarkan asumsi massa awal steam = massa akhir steam

maka nilai persen massa uap pada kondisi akhir dapat dihitung sebagai berikut :msteam=mf +m g

msteam= V

Vs=

1m3

0 .507 m

3

kg

=1.972kg

msteam= V f

Vs f +

V g

Vs g

¿ X

Vs f +

(1− X )Vs g

1.972= X

0 .00103 +

(1− X )3 .24

1.972=3 .24 X +0.00103(1− X )

(0 .00103)(3 .24)

1.972=3 .24 X +0.00103−0 .00103 X

0.0033

0 .00547=3.238 X X =1.71 x 10−3 m3

Massa terkondensasi =

V f

Vs f =

X

Vs f =

0 .00103m3/kg

¿1 .71 x 10−3 m3

¿= 1.66

% Massa terkondensasi = Massa terkondensasi

Massa steam x 100% =

1.66

1.972 x 100% = 84.18%

% Massa uap = 100% - % Massa terkondensasi = 100% - 84.18% = 15.82%

Keterangan : V = Volume

Vs = Volume spesifik

7


8/26

X = Volume terkondensasi

Third Problem

Students of the thermodynamics class are excited. The instructor had spent two class sessions

to discuss about transferable skills needed in the work place and how PBL is a suitable

learning method for students to improve their skills. The instructor told them that if they

improve their problem solving, interpersonal communication, group and self-directed

learning skills, they will understand thermodynamics better. The first law of thermodynamics

is about conservation of mass and energy. This law is the results of careful observations of

physical and chemical processes that lead to the conclusion that mass and energy can not be

created nor destroyed nad they could only transform from one point to another. Please read a

paper on the development of a calorimeter to measure heat capacity and enthalpy of fluids

(An automated flow calorimeter for the determination of liquid and vapor isobaric heat

capacities: Test results for water and n-pentane, J.A. Sandarusi, K. Mulia and V.F. Yesavage,

Rev. Sci. Instrum., 63, 2, (1992), 1810:1821). Please read only the first two pages (1810-

1811) of the paper and then try to answer the following questions:

1. One need to understand the concept of conservation of energy and mass, in order to

understand how a calorimeter works. Start from the general formula of the first law of

thermodynamics and describe all of the terms in the equation using real-life examples.

Read the paper and try to simplify the general formula based on the information of the

calorimeter set-up and the how the measurement is carried-out. If you work in a

systematic way then you should obtain the first equation (equation 1) given in the

paper. State all of your assumptions clearly. Apparently heat loss term Qlst is not

included in the final working equation for heat capacity measurment (equation 3).

Consider all kind of heat transfer modes that potentially contribute to this term and

explain how they were minimized in the experiment.

2. The steam table listed in introductory chemical engineering thermodynamics books

contain data of enthalpy as a function of temperature and pressure. The data were

obtained using calorimeters such as the one reported in the paper by Sandarusi et al.

8


9/26

Describe how you carry-out the experiment to determine h=h(T,P).

Jawab :

1. First Law Thermodynamics

d

dt E sys=ṁ¿ ( H i+ vi

2

2+ g zi)−ṁO ( H our + vO

2

2+g zO)+Q−W sys … …(1)

Pada persamaan tersebut, Q merupakan kalor (heat ), yaitu suatu bentuk energi yang

dihasilkan dari getaran molekul yang dapat dipindahkan melalui konduksi, konveksi, dan

radiasi. Contoh dari adanya kalor adalah terjadinya panas yang meyebar pada air yang

sedang di masak keseluruh partikel molekul air tersebut. W merupakan kerja (work ), yaitu

bentuk energi yang dihasilkan akibat gaya dari luar dan menyebabkan adanya perubahan

pada objek yang dikenai gaya. Contoh dari kerja adalah mengaduk air teh yang panas

kemudian membuat air tersebut berputar dan mempercepat perpindahan panas yang

terjadi. H merupakan entalpi (enthalpy), nilai entalpi pada sistem tidak dapat diukur, nilai

yang hanya dapat diukur adalah perubahan eltalpi pada sistem.v2

2 menggambarkan

energi kinetik dan gz merupakan energi potensial , pada kehidupan sehari-hari contoh

dari adanya energi kinetik dan energi potensial adalah jatuhnya apel dari ketinggian

tertentu dan kecepatan tertentu yang berubah-rubah terhadap waktu.

9


10/26

(mb(r 1. Outline of calorimeter operation principle. /Sumber % Test result for water and n-pentane0.*. S(nd(rusi0 ). &uli( (nd .F. es(v("e0 ev. Sci. $nstrum.0 302 /16620 181%1821

Asumsi :

# Steady sate system, ( ddt Esys=0)# Kecepatan pada saat in dan out sama , ( vi −vo=0 )# Aliran sistem konstan, (ṁ¿=ṁout )# Aliran tidak mengalami perbedaan ketinggian, ( z i− zo=0 )

# Sistem tidak menerima kerja (pengadukan), W (¿¿ sys=0)¿

# Kalor yang keluar sistem dalam bentuk heat loss,Q

(¿¿ out =Q1 st )¿

d

dt E sys=ṁ¿( H i + vi

2

2+ g zi)−ṁO ( H out + vO

2

2+g zO)+Q−W sys

0=ṁ¿ ( H i )−ṁout ( H o )+Q¿−Qlst

0=ṁ ( H i− H o )+Q¿−Qlst

ṁ ( H o− H i )=Q I −Q lst … …(2)

• Nilai kapasitas kalor

c =( ! H ! " ) … … (3)c d" =dH … …(4)

10


11/26

∫c d" =∫dH ……(5)

c # " =# H ……(6)

c (

" o

−" i )

= H o

− H i

……(7)

c = H o− H i(" o−" i )

……(8)

• Subtitusi Persamaan 7 ke persamaan 2

ṁ c (" o−" i )=Q I −Q1 st … … (9)

c = Q I −Q1 st ṁ (" o−" i )

… …(10)

• Menyamakan nilai c sehingga didapat persamaan 11 yang merupakan Eq.1 seperti

pada Jurnal tersebut.

c = H o− H i(" o−" i )

= Q I −Q1 st ṁ (" o−" i )

… … (11)

• Sehingga digunakan rumus kapasitas panas rata-rata untuk mengestimasi nilai cp yang

sesungguhnya dengan adanya suhu dan tekanan koreksi. Koreksi tekanan perludiperhatikan, terutama pada fluida dengan tekanan rendah karena efek Joule-Thomson

yang besar. Digunakan pendekatan menggunakan teknik koreksi yang sederhana yang

dibutuhkan pada eksperimen ini dengan blank determination dengan pengukuran

penurunan tekanan dan perubahan suhu sepanjang kalorimeter, dimana tidak ada panas

yang masuk ke dalam fluida. Kapasitas panas yang sebenarnya dapat dirumuskan sebagai:

di mana perbedaan suhu blank experiment (b) ditambahkan sesuai dengan perbedaan suhu

pada penambahan kalor (a).

• Pada persamaan diatas, hilangnya panas Qlst pada persamaan 3 tidak dimasukkan karena

nilai Qlst dianggap terlalu kecil, sehingga nilai tersebut diabaikan. Maka didapatkan

persamaan%

11

ć =c ("́ $ %o )= Q¿

ḿ

[ (" o−" i )

a

−(" o−" i )&

]

… … (12)

´ $ %o )= Q¿

ḿ [ (" o−" i )a−(" o−" i )& ] … … (12)


12/26

c ( "́ $ %o )= Q¿

ṁ [ (" o−" i )a−(" o−" i )& ] … …(13)

dimana:

(T o - T i)a = perbedaan temperatur kalorimeter dengan input panas.

(T o - T i)b = perbedaan temperatur pada blank’s experiment .

2. Percobaan Joule Thompson yang menyatakan bahwa penentuan entalpi

berdasarkan fungsi temperatur dan tekanan maka :

Persamaan ini hanya berlaku untuk gas ideal, namun untuk perhitungan gas nyata tidak

dapat menggunakan persamaan ini dan membutuhkan dua fungsi lainnya karena derajat

kebebasan bernilai 2. Fungsi yang tersedia antara lain temperature, pressure, internal

energy, entropi dan spesifik volum. Dalam kasus ini kita memilih parameter temperatur

dan tekanan

Apabila dengan perubahan entalpi yang kecil, maka :

Dan apabila persamaan ini di integrasikan maka :

Fourth Problem

An evacuated tank with 1 m3

capacity is initially empty with no fluid inside. Water in the

amount of 2 L and at 25 °C is transferred into the tank. At midday, thermal equilibrium is

assumed to be attained and fluid temperature of 60°C is uniform throughout the tank. At this

12


13/26

condition do we find water in the tank as a mixture of liquid and vapor or only as water

vapor? If only as water vapor, how much additional water we have to add so that water in the

tank exist only as saturated water vapor?

Jawab :

Campuran Uap dan Liquid atau tidak

Massa air pada kondisi awal :

V =v . m

2 .10−3

m3=0,0010029

m3

kg . m

m= 2 .10−3

0,0010029kg

m=1,9942 kg

Untuk mengetahui apakah kesetimbangan pada keadaan akhir adalah air+uap/uap, maka

harus dihitung terlebih dahulu volume spesifik totalnya:

m. v=V

v =V

m

v total= 1m

3

1.9942 kg=0.5015

m3

kg

Maka, melalui grafik P-V:

13


14/26

Dapat dilihat bahwa pada keadaan volume spesifik total = 0,5015 m 3 /kg dan T=60oC maka

titik berada dalam region liquid-vapor maka kondisi akhir kesetimbangan, terdapat dua fasa

pada tangki yaitu air dan uap.

Jumlah air yang ditambah ketika kondisi uap

Massa air yang tersisa pada saat T = 60oC:

V total=V air+V ua

V total= x . vair+(mtotal− x )vua

1m3= x .0,0010172

m3

kg+(1,9942 kg− x )7,671

m3

kg

1=0,0010172 x+15,296−7,671 x

−14,296=−7,67 x

mair= x=1,864 kg

mua=1,994− x =0,13 kg

Jika air dalam tangki hanya berupa uap pada kesetimbangan, maka massa uap akhir pada

14


15/26

volume tangki 1 m3:

V total=V air+V ua

V total=0.v air+m . vua

1m3=0+m.7,671 m3

kg

1=7,671m

m= 1

7,671kg=0,13036 kg

Maka, agar pada kondisi akhir kondisi tangki hanya berisi uap, air harus dikurangi, bukan

ditambah, dengan jumlah pengurangan massa:

m=1,99421 kg−0,13036 kg

m=1,86385 kg

Fifth Problem

Internal energy and enthalpy are two thermodynamics quantities or variables that are used in

energy balance equations. Thermal energy added to a gas of polyatomic molecules can appear

15


16/26

as rotational and vibrational, as well as translational energies of the gas molecules. Describe

the internal energy of a gas molecule in terms of its different modes of motion: translational,

rotational, and vibrational modes, in addition to electronic contributions. Use the following

diagram showing the Boltzmann distribution of populations for rotation, vibration, andelectronic energy levels at room temperature.

Jawab :

Energi Internal Molekul Gas Dalam Hal Mode Gerak Dan Distribusi Boltzmann

Energi internal (energi dalam) molekul gas dapat didefinisikan sebagai berikut:

' =∫( v d" Pada gerak translasi, nilai kapasitas panas dari molekul gas adalah:

( v=3

2n)

Sehingga, energi dalamnya adalah:

' =3

2n)"

Ketika molekul gas mulai mengalami gerak rotasi, nilai kapasitas panasnya menjadi:

( v=5

2n)


' =5

2n)"

Dan ketika molekul gas mulai mengalami gerak rotasi, nilai kapasitas panasnya menjadi:

( v=

7

2 n)


' =7

2n)"

Hal ini dapat dijelaskan dalam gambar berikut:

16


17/26

Gambar 2. Diagram Cv versus T pada Molekul Gas

sumber: www.ux1.eiu.edu

Distribusi Boltzmann dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

* i * +

=e−( Ei− E +

k"

)

Dengan “k” adalah nilai konstanta Boltzmann sebesar 1,381 x 10-23 J/K. Dalam

pengaplikasiannya untuk tingkat energi, terdapat beberapa hal penting yang harus

diperhatikan, yaitu sebagai berikut:

Semakin tinggi keadaan energi suatu molekul, semakin sedikit populasi molekul yang

menempati keadaan tersebut.

Semakin tinggi suhu suatu molekul, semakin banyak populasi molekul yang

menduduki keadaan energi tinggi,

Tingkat energi akan semakin banyak terpopulasi apabila perbandingan antara “ E i –

E j” dengan “kT ” dekat (seperti dalam gerak translasi dan gerak rotasi).

Dari fig.4 ditunjukan bahwa tingkat energi pada gerak rotasi lebih banyak terpopulasi

daripada gerak vibrasi dan gerak elektronik pada suhu ruangan. Hal ini bersesuaian dengan

poin ketiga dari pernyataan mengenai distribusi Boltzmann diatas. Lalu, pada diagram,

semakin tinggi tingkat energinya, semakin sedikit populasi molekul yang menempati tingkateergi tersebut. Hal ini bersesuaian dengan poin pertama dan poin kedua dari pernyataan

17


18/26

mengenai distribusi Boltzmann diatas.

Sixth Problem

Explain how we could estimate the isobaric heat capacity of methane as an ideal polyatomic

gas as a function of temperature from 300 to 800 K based on the equipartition principle. Plot

the theoretical values of methane heat capacity and compare them with the values you

obtained using the ideal gas heat capacity equation and parameters given in the book by

Smith et al. or by Moran and Saphiro. Explain why it is (or is not) reasonable to assume a

constant ideal gas heat capacity for the whole temperature range?

Jawab :

Pinsip Equipartisi

Kapasitas panas dari molekul gas monoatomik, diatomik, atau poliatomik dapat diprediksi

dengan didasarkan pada prinsip equipartisi dengan menghitung degree of freedom dari

molekul gas tersebut. Prinsip equipartisi menyatakan bahwa degree of freedom (dof) dari

suatu gerakan molekul (rotasi, translasi dan vibrasi) berkontribusi (1/2 ) dalam perhitungan

energi dalam (U)

1

2

' = (dof )¿T

Hubungan antara kapasitas panas isobarik (Cp) dengan kapasitas panas isokhorik (Cv)

adalah:

-, 9 -v : a) Molekul Monoatomik

Molekul monoatomik dapat bertranslasi dengan bebas dalam ruangan pada arah x, y dan z.

Gerak translasi ini menyatakan memiliki bahwa molekul monoatomik memiliki tiga degree of

freedom. Pada molekul monoatomik kedua gerakan yang lain (vibrasi dan rotasi) hampir

tidak terlihat sehingga dapat diabaikan.

b) Molekul Diatomik dan Poliatomik dengan Bentuk Linear

18


19/26

Pada molekul diatomik dan poliatomik yang berbentuk linear terdapat gerakan translasi

kearah x, y dan z, serta gerakan rotasi. Terdapat dua kemungkinan sumbu rotasi pada gerakan

ini, sehingga terdapat tambahan dua degree of freedom. Selanjutnya, jika dipanaskan dengan

suhu tinggi maka akan terjadi gerakan vibrasi yang jumlahnya dapat ditentukan denganrumus 2(3 − 5) dimana angka 5 merupakan derajat kebebasan untuk translasi dan rotasi dan

N menyatakan banyaknya jumlah atom dalam suatu molekul. Perlu diperhatikan bahwa untuk

molekul diatomik, pada suhu rendah ±250 hanya terjadi gerakan translasi, pada suhu

sedang ±500 terjadi gerakan translasi dan rotasi, sedangkan untuk gerakan vibrasi baru terjadi

diatas suhu 1000 K.

c) Molekul Poliatomik dengan Bentuk Non-Linear

Pada molekul poliatomik non-linear, terdapat tiga sumbu gerakan rotasinya sehingga

mempunyai 3 degree of freedom. Pada pemanasan dengan suhu tinggi, gerakan vibrasi dapat

ditentukan dengan rumus 2(3N − 6) dimana angka 6 menyatakan derajat kebebasan untuk

translasi dan rotasi. Pengaruh temperatur dalam penentuan jumlah gerakan yang terlibat sama

pada molekul diatomic.

• Penentuan Kapasitas Panas Isobarik Gas Metana Poliatomik (300 K – 800 K)

Berdasarkan Prinsip Equipartisi

Gas metana merupakan gas poliatomik, sehingga dapat menyimpan energy dalam 3 bentuk

yaitu translasi, rotasi, dan vibrasi. Namun, kemampuan gas metana juga bergantung pada

fungsi temperatur. Penentuan derajat kebebesan suatu molekul dapat dilihat di grafik

dibawah, yaitu grafik molekul H2, nilai Cv/R nya yang bergantung pada fungsi temperature

Berdasarkan grafik diatas, dapat terlihat bahwa derajat kebebasan molekul H2 bergantung

19


20/26

pada kondisi temperature. Pada suhu rendah H2 hanya dapat melakukan gerakan translasi.

Sedangkan pada 250 K, menunjukkan kenaikan Cv/R dan nilai derajat kebebasan, sehingga

molekul dapat melakukan gerakan translasi dan rotasi. Untuk suhu diatas 100 K, molekul H2

baru dapat melakukan vibrasi. Kita dapat menggunakan pendekatan untuk menentukan nilaiCp dari metana dengan prinsip equipartisi melalui grafik H2 diatas. Pada suhu 300 K, gas

metana yang merupakan gas poliatomik memiliki energy untuk bergerak secara translasi dan

rotasi. Oleh sebab itu, rumus kapasitas isobariknya adalah:

(=7

2 (8,314 , Mol - )=29.099 , Mol - Sedangkan pada suhu 800 K, molekul metana 3 degree of freedom gerak translasi dan 3

degree of freedom gerak rotasi. Hal ini dikarenakan energy panas yang diterima oleh mentana

diubah menjadi gerak translasi dan rotasi, tetapi tidak cukup untuk melakukan vibrasi.

Berikut adalah rumus kapasitas isobariknya:

(=4 )=4(8.315 , Mol - )=33,256 , Mol - • Penentuan Nilai Kapasitas Panas Isobarik Gas Metana (300 K – 800 K) dengan

Persamaan Gas Ideal (Smith et. al)

Hubungan antara temperature dengan kapasitas panas ideal pada tekanan digambarkan

melalui persamaan berikut:

(

) = + /" +( " 2+ 0 " −2

Dimana nilai A, B, C, D berbeda-beda untuk tiap jenis gas dapat dilihat pada tabel C.1 buku

Smith et.al. Untuk gas metana (CH4), nilai A = 1,702; B = 9,081x10-3

; C = -2.164x 10-6

;

dan D = 0. Untuk mengetahui nilai kapasitas panas isobarik pada rentang temperatur 300-800

K, maka nilai A, B, C, D gas CH4 disubstitusikan ke persamaan diatas, kemudian dilakukan

plot antara hubungan antara temperatur dan kapasitas panas isobarik metana.

Temperatur

Cp/RCp

(J/mol K)300 4.23154 35.1852

400 4.98816 41.4765

500 5.7015 47.4079

600 6.37156 52.9795

700 6.99834 58.1912800 7.58184 63.0429

20


21/26

Tabel 1. Perbandingan Nilai Cp Gas Metana (300 K – 800 K) Secara Teoritis dengan Nilai Cp dengan

Perhitungan Persamaan Gas Ideal

Apakah kapasitas gas ideal

adalah konstan untuk seluruh

temperatur?

Tidak. Kapasitas panas berubah

seiring perubahan suhu.

Kapasitas panas akan konstan pada

seluruh temperatur berlaku hanya pada gas monoatomik, karena pergerakan molekul hanya

translasi saja. Pergerakan molekul untuk gas poliatomik dan diatomik berubah-rubah dimana

semakin banyak atom penyusun, semakin banyak gerakan dilakukan .

Seventh Problem

Reproduce Figure E4.2b shown in Moran’s book (7th Ed.) using data for water and benzene.

Compare the two plots you obtain.

Jawab :

r(fi' !4.2b ,(d( bu'u &or(n meru,('(n "r(fi' +(n" men+(t('(n b(n+('n+( c(ir(n +(n"

tert(m,un" terh(d(, ;('tu +(n" diberi'(n. P(d( "r(fi' terlih(t b(h;( tem,(t +(n"

di"un('(n (d(l(h silinder den"(n lu(s (l(s 3 ft20 m(ss( m(su' 3 lb


22/26

d2

dt +( 9 1 ) 2= 30 1

@il('u'(n ,enurun(n sehin""(

>ntu' (ir0 ,ers(m((nn+( men?(di

2=3.33 [1−exp (−0.048 t ) ]Sed(n"'(n untu' benAen(0 ,ers(m((nn+( men?(di

2=3.33 [1−exp (−0.0545 t ) ]Sehin""( di,eroleh "r(fi' (ir d(n benAen(

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Benene

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

!ater

Ke"ua #ra$% ter&e'ut menata%an %etn##an ar pa"a &elan# *a%tu an#

&ama+ "apat "l,at "ar #ra$% 'a,*a #ra$% 'enene "an ar meml%

per'e"aan atu pa"a &etap &aat *a%tu an# &ama+ %etn##an 'enene

le', tn## "arpa"a ar.

Eigth Problem

A tank containing 45 kg of liquid water initially at 45°C has one inlet and one exit with equal

mass flow rates. Liquid water enters at 45°C and a mass flow rate of 270 kg/h. A cooling coil

immersed in the water removes energy at a rate of 7.6 kW. The water is well mixed by a

paddle wheel so that the water temperature is uniform throughout. The power input to the

water from the paddle wheel is 0.6 kW. The pressures at the inlet and exit are equal and all

22

2=3.33[1−exp(−9t 1 )]


23/26

kinetic and potential energy effects can be ignored. Derive the equation that related the

temperature of water inside the tank to time. What is the final and constant temparature of the

water? Is it equal to the steady-state solution?

1. Plot the variation of water temperature with time.

2. Again plot the variation of water temperature with time but change the liquid to

benzene

Jawab :

" =" i +

(

Q́cv− Ẃ cv

ḿ c

)[1−exp

(

− ḿ

mcv

t

)]" =318 - +(

−7,6, /s−(−0,6) , / s270kg

3600 s .4,2, /kg- )[1−exp (−270kg /345kg t )]1−exp (−6 t )" =318−22¿

• Unsteady State:

" =318−22 [1− 1

exp (6 t )

]

" =318−22 [1− 1

exp4 ]

" =318−22 [1− 1

4 ]

" =318−22 [1−0]" =318−22=296 -

• Steady State:

0= ́Qcv

− Ẃ cv

+ ḿc("

i

−" )

0= ́Qcv− Ẃ cv+ ḿ c " i− ́m c"

ḿ c" = Q́cv− Ẃ cv+ ḿ c " i

" =Q́cv

ḿc−

Ẃ cv

ḿ c +" i

" = −7,6W −(−0,6)W

270 kg

3600 s . 4,2, /kg-

+318 -

" =−22.22+318 - =295,778 -

23


24/26

1


25/26

KESIMPULAN

•Hukum I Termodinamika berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan

tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain.”

• Proses termodinamika terdiri dari proses isobarik, proses isothermal, proses isokhorik,

dan proses adiabatic

• Prinsip ekuipartisi adalah sebuah rumusan umum yang merelasikan temperature suatu

sistem dengan energi rata – ratanya.

• Keadaan pada termodinamika terbagi menjadi 2 yaitu

o Keadaan tunak (steady state) merupakan keadaan di mana suatu sistem berada

dalam kesetimbangan atau tidak berubah lagi seiring waktu, atau tunak, atau

mantap.

o Keadaan tak tunak (unsteady state) yang dikatakan tak tunak jika kecepatan

setiap partikel di suatu titik selalu sama.

• Panas dapat dipindahkan melalui tiga cara yaitu secara konduksi, konveksi, dan

radiasi

• Terdapat 2 sistem pada yang berhubungan dengan aliran massa yaitu

o Sistem terbuka yaitu terdapat aliran massa yang masuk dan keluar pada sistem

o Sistem tertutup yaitu tidak ada aliran massa yang masuk maupun keluar pada

sistem

25


26/26

DAFTAR PUSTAKA

• ASME Steam Tables Compact Edition, Properties of Saturated and

Superheated Steam in U.S. Customary and SI Units from the International

Standard for Indsutrial Use.

• Atkins, P.W. (1989) Kimia Fisika, Edisi ke - 4 Jilid 1. Jakarta : Erlangga

[terjemahan].

• Borgnakke, C. dan Sonntag, R.E. (2009) Fundamentals of

Thermodynamics, 7th Edition. NJ : John Wiley & Sons, Inc.

• Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2002. Thermodynamics an Engineering

Approach. Fourth Ed. Mc. Graw-Hill

• Maron, H. Samuel and Jerome B. Lando. 1974. Fundamentals of Physical

Chemistry. New York : Macmillan Publishing.

• Moran, J. Michael, Shapiro N. Howard. 2006. Fundamentals of

Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.

• Smith, J.M. ; H.C. Van Ness and MM. Abbot. 2005. Introduction to

Chemical Engineering Thermodynamics 7th edition. New York :

McGraw-Hill

• Wark, Knneth. 1983. Thermodynamics. United States : McGraw- Hill,

Inc.

Makalah Termo Pemicu 2

Documents

Transcript of Makalah Termo Pemicu 2