OVERVIEW - tekim.undip.ac.id filetV : volume total V : volume molar n : ... Volume gas ideal ......
Transcript of OVERVIEW - tekim.undip.ac.id filetV : volume total V : volume molar n : ... Volume gas ideal ......
OVERVIEW
Persamaan keadaan adalah persamaan yang menyatakan hubungan antara state variable yang menggambarkan keadaan dari suatu sistem pada
kondisi fisik tertentu
State variable adalah property dari
sistem yang hanya tergantung pada
keadaan sistem saat ini, bukan pada jalannya proses.
• Temperatur • Tekanan • Volume • Internal energy • Enthalpy • Entropy • Kapasitas Panas • Energi bebas Gibbs
HUKUM AVOGADRO
2
t2
1
t1
n
V
n
V
If we hold the pressure and temperature constant, the volume is proportional to the number of moles.
Jika Hukum Boyle, Hukum Charles, Hukum Gay Lussac, dan Hukum Avogadro digabung, akan menjadi: Hukum Gas Ideal
Dengan P : tekanan Vt : volume total V : volume molar n : jumlah mol R : konstanta gas universal T : temperatur
atau
nRTPVt
nRTPV
Asumsi:
• Molekul/atom gas identik dan tidak menempati ruang
• Tidak ada gaya antar molekul
• Molekul/atom penyusunnya menabrak dinding wadah dengan tabrakan yang elastis sempurna
Keberlakuan:
P 0 (P < 1,5 bar)
Isotherms of an ideal gas
T1
T2
T4
Isotherms of a real gas
T1
T2
T4
T3
T5
T6
Perbedaan antara gas ideal dan gas nyata
Pideal gas > Preal gas
Vreal, empty = Vcontainer – Vmolecule
Perlu faktor koreksi untuk membandingkan Gas nyata dan gas ideal
Copressilbility factor (Z)
idealV
VZ
P
RTVideal
ZRTPV
Definisi compressibility factor
Volume gas ideal
Persamaan keadaan gas nyata
Sepanjang garis isotermal T1: P >> V << (Contoh untuk steam pada temperatur 200C)
P (bar) V (m3/kg) 1 2.1724 2 1.0805 3 0.7164 4 0.5343 5 0.4250 6 0.3521 7 0.3000 8 0.2609 9 0.2304 10 0.2060 11 0.1860 12 0.1693 13 0.1552 14 0.1430 15 0.1325
C
T > Tc
T = Tc
T1 < Tc
T2 < Tc
Pc
Vc
P
V
PV P 2.1724 1 2.1610 2 2.1493 3 2.1373 4 2.1252 5 2.1127 6 2.1000 7 2.0870 8 2.0738 9 2.0602 10 2.0463 11 2.0321 12 2.0174 13 2.0024 14 1.9868 15
PV = a + bP + cP2 + …
PV = a (1 + B’P + C’P2 + . . . )
Jika b aB’, c aC’, dst, maka
Pada contoh di atas:
PV = – 117,4 + 196,5 P – 65,37 P2
Secara umum:
Pada tekanan sangat rendah (P 0):
aPVPVlim *
0P
UNIVERSAL GAS CONSTANT
H2
N2 Udara
O2
PV
(l b
ar m
ol-1
)
P
(PV)t* = 22,7118 l bar mol-1
T = 273,16 K (Triple point air)
20
25
30
35
40
45
200 300 400 500 600
(PV
)* (
bar
l/m
ol)
T (K)
Slope = 0,083145
R = 0,083145 bar l mol-1 K-1
PV = 0,083145 T
1/V PV 0.4603 2.1724 0.9255 2.1610 1.3959 2.1492 1.8716 2.1372 2.3529 2.1250 2.8401 2.1126 3.3333 2.1000 3.8329 2.0872 4.3403 2.0736 4.8544 2.0600 5.3763 2.0460 5.9067 2.0316 6.4433 2.0176 6.9930 2.0020 7.5472 1.9875
Pengolahan data dengan cara lain:
Jika b aB, c aC, dst, maka
Pada contoh di atas:
Secara umum:
V
026,0186,2PV
2V
c
V
baPV
22 V
C
V
B1RT
V
C
V
B1aPV
2V
C
V
B1
RT
PVZ
Persamaan virial bentuk pendek
o Karena persamaan virial dalam bentuk deret tak ter-hingga tidak praktis dalam perhitungan, maka biasanya persamaan virial hanya diperpendak hanya sampai 2 atau 3 suku.
o Dengan demikian koefisien virial yang dipakai hanya B (koefisien virial kedua) dan C (koefisien virial ketiga).
o Persamaan virial bentuk pendek dalam volume biasanya lebih akurat daripada bentuk tekanan.
o Data eksperimen B dan C untuk berbagai macam senyawa telah banyak didokumentasikan.
o Beberapa peneliti telah mengusulkan persamaan untuk mengkorelasikan koefisien virial dengan parameter-parameter lain.
o Salah satu yang paling terkenal adalah yang diusulkan oleh Pitzer dkk.:
10
c
c BBP
RTB
6,1r
0
T
422,0083,0B
2,4r
1
T
172,0139,0B
CONTOH SOAL
Hitung Z dan V dari uap isopropanol pada 200C dan 10 bar dengan menggunakan persamaan sbb.:
a) Persamaan keadaan gas ideal
b) Persamaan keadaan virial dengan 2 suku
c) Persamaan keadaan virial dengan 3 suku
Diketahui koefisien virial untuk uap isopropanol pada 200C:
B = 388 cm3 mol1 C = 26.000 cm6 mol2
RT
BP1
RT
PVZ 2V
C
V
B1
RT
PVZ
PENYELESAIAN
T = 200C = 473,15K
R = 83,14 cm3 bar mol1 K1
a) Persamaan gas ideal
Z = 1
13 molcm934.310
15,47314,83
P
RTV
b) Persamaan virial 2 suku
RT
BP1
RT
PVZ
9014,0
15,47314,83
546.310
RT
PVZ
13 molcm546.338810
15,47314,83B
P
RTV
Persamaan diselesaikan secara iteratif.
c) Persamaan virial 3 suku
2V
C
V
B1
RT
PVZ
21i1i
i V
C
V
B1
P
RTV
2V
C
V
B1
P
RTV
Iterasi 1:
200
1 V
C
V
B1
P
RTV
Sebagai tebakan awal digunakan V0 = Vgas ideal = 3.934
539.3934.3
000.26
934.3
3881934.3V
21
Iterasi 2:
211
2 V
C
V
B1
P
RTV
495.3539.3
000.26
539.3
3881934.3V
22
Iterasi diteruskan sampai selisih antara Vi Vi-1 sangat kecil, atau:
Setelah iterasi ke 5 diperoleh hasil:
Z = 0,8866
4
i
1ii 10V
VV
V = 3.488 cm3 mol1
Campuran Gas
Untuk campuran gas, maka nilai koefisien virial untuk campuran dihitung dengan menggunakan MIXING RULE:
i j
ijji ByyB
Untuk campuran 2 komponen:
2222211212211111 ByyByyByyByyB
B12 dan B21 atau secara umum Bij disebut cross-virial coefficient.
Cross-virial coefficient, yang dapat diperoleh dengan COMBINING RULE:
jiijij BBc1B
cij disebut interaction parameter, yang dapat dihubung-kan dengan potensial ionisasi:
j
i5,0
jiij I
IlnII17,0c
Dalam banyak hal, cij dapat diperlakukan sebagai adjustable parameter.
Untuk campuran 2 komponen:
2112 cc
211212 BBc1B
122121 BBc1B 2112 BB
1111111 BBBc1B
0cc 2211
2222222 BBBc1B
2222211212211111 ByyByyByyByyB
2222122111
21 ByByy2ByB
Untuk campuran multi-komponen:
233213311221
2221
21
ByyByyByy2
ByByB
CONTOH SOAL
Koefisien virial kedua dari 3 senyawa yang berada dalam campuran pada temperatur 321K adalah: propana (1) – 340 cm3/mol butana (2) – 635cm3/mol metilbromida (3) – 451cm3/mol Hitung compressibility factor campuran gas yang terdiri dari 40% propana, 30% butana, dan 30% metilbromida pada temperatur 321K dan tekanan 3 bar dengan menggunakan persama-an virial bentuk pendek (2 suku). Diketahui c12 = 0; c13 = 1,909; c23 = 1,856
233213311221
3232
221
21
ByyByyByy2
ByByByB
4593,03,0
3563,04,07,4643,04,02
4513,06353,03404,0 222
7,431
V
B1
RT
PVZ
BRTRTVPV2
Molekul dipandang sebagai partikel yang memiliki
volume, sehingga V tidak boleh kurang dari suatu
konstanta V diganti dengan (V – b)
Pada jarak tertentu molekul saling berinteraksi
mempengaruhi tekanan, P diganti dengan (P +
a/V2)
RTbVV
aP
2
32T V
a2
bV
RT
V
P
Derivat parsial pertama dari P terhadap V
43
T
2
2
V
a6
bV
RT2
V
P
Derivat parsial kedua dari P terhadap V
2V
a
bV
RTP
Pada titik kritis, kedua derivat sama dengan nol:
0
V
a2
bV
RT3c
2
c
c
0
V
a6
bV
RT24
c
3
c
c
c
2c
2
a
c
2c
2
P
TR
P
TR
64
27a
c
cb
c
c
P
TR
P
TR
8
1b
Ada 2 persamaan dengan 2 bilangan anu (a dan b)
T = Tc
P = Pc
V = Vc
Z = Zc
Mengapa disebut persamaan kubik?
2V
a
bV
RTP
bVV
bVaRTVP
2
2
Samakan penyebut ruas kanan:
PV2 (V – b) = RTV2 – a (V – b)
Kalikan dengan V2 (V – b):
0P
abV
P
aV
P
RTbV 23
Campuran Gas
Untuk campuran gas, maka nilai parameter a dan b untuk campuran dihitung dengan menggunakan MIXING RULE:
i j
ijji ayya
Dengan combining rule:
jiijij aak1a
i
ii byb
Semua fluida jika diperbandingkan pada Tr dan Pr
yang sama akan memiliki faktor kompresibilitas
yang hampir sama, dan semua penyimpangan
dari perilaku gas ideal juga hampir sama
TEORI CORRESPONDING STATE DENGAN 2 PARAMETER
c
r T
TT temperatur tereduksi
c
r P
PP tekanan tereduksi
Faktor asentrik merupakan ukuran non-sphericity
(acentricity) dari suatu molekul, dan didefinisikan
sebagai:
1Plog satr pada Tr = 0,7
dengan:
c
satsat
r P
PP Tekanan uap tereduksi
Itu benar untuk fluida sederhana (Ar, Kr, Xe), tapi
untuk fluida yang lebih komplek, ada penyimpangan
sistematik, sehingga Pitzer dkk. mengusulkan adanya
parameter ke 3, yaitu faktor asentrik,
FAKTOR ASENTRIK
-3
-2
-1
0
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
1/Tr
log
(P
r)
Slope = - 2,3
(Ar, Kr, Xe)
Slope = - 3,2
(n-Oktana)
1/Tr = 1/0,7 = 1,435
7,0T
satr r
Plog0,1
Persamaan RK ini cukup akurat untuk prediksi sifat-sifat gas pada kondisi:
bVV
a
bV
RTP
c
c
P
TRa
22
42748,0
c
c
P
TR08662,0b
cc T2
T
P
P
2V
a
bV
RTP
21rT
bVV
a
bV
RTP
c
2c
2
P
TR42748,0a
c
c
P
TR08662,0b
25,0r
2 T115613,055171,148508,01
r2 T30288,0exp202,1:HUntuk
Campuran Gas
Untuk campuran gas, maka nilai parameter a dan b untuk campuran dihitung dengan menggunakan MIXING RULE:
i j
ijji ayya
Dengan combining rule:
jiijij aak1a
i
ii byb
Peng & Robinson (1976): mengusulkan persamaan yang lebih baik untuk memenuhi tujuan-tujuan:
1. Parameter-parameter yang ada harus dapat dinyatakan dalam sifat kritis dan faktor asentrik.
2. Model harus bisa memprediksi berbagai macam property di sekitar titik kritis, terutama untuk perhitungan faktor kompresibilitas dan density cairan.
3. Mixing rule harus menggunakan satu binary interaction parameter yang tidak tergantung pada T, P, dan komposisi.
4. Persamaan harus berlaku untuk semua perhitungan semua property dalam proses natural gas.
Campuran Gas
Untuk campuran gas, maka nilai parameter a dan b untuk campuran dihitung dengan menggunakan MIXING RULE:
i j
ijji ayya
Dengan combining rule:
jiijij aak1a
i
ii byb
PARAMETER UNTUK PERSAMAAN KUBIK
PERS. a b
vdW 1 0 0 27/64 1/8
RK RK 1 0 0,42748 0,08664
SRK SRK 1 0 0,42748 0,08664
PR PR 1 + 2 1 - 2 0,45724 0,07779
25,0r
2SRK T115613,055171,148508,01
25,0r
2PR T12699,054226,137464,01
21rRK T
AKAR TERBESAR PERSAMAAN KUBIK (Vgas)
bVbV
a
bV
RTP
bVbV
bVaRTbVP
bVbV
bV
P
a
P
RTbV
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
(14)
Persamaan di atas diselesaikan secara numerik, dengan tebakan awal V0 = RT/P
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
00
01
Iterasi 1:
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
11
12
Iterasi 2:
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
1i1i
1ii
Iterasi i:
Iterasi dihentikan jika:
Toleransi
i
1ii VV
VVe
AKAR TERKECIL PERSAMAAN KUBIK (Vliquid)
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
bVbV
bV
P
a
P
VPbPRT
bVabVbVVPbPRT
a
VPbPRTbVbVbV
Persamaan di atas diselesaikan secara numerik, dengan tebakan awal V0 = b
Iterasi 1:
Iterasi 2:
Iterasi i:
Iterasi dihentikan jika: Toleransii
1ii VV
VVe
a
PVbPRTbVbVbV 0
001
a
PVbPRTbVbVbV 1
112
a
PVbPRTbVbVbV 1i
1i1ii
Tekanan uap n-butana pada 350 K adalah 9,4573 bar. Hitung volume molar untuk:
a. Uap jenuh
b. Cair jenuh
dengan menggunakan persamaan RK
Untuk n-butana:
Tc = 425,1 K
Pc = 37,96 bar
R = 0,083145 L bar mol-1 K-1
Tr = 0,8233
Pr = 0,2491
068,14
96,37
1,425083145,042748,0a
22
0807,0
96,37
1,425083145,008664,0b
a. UAP JENUH
bVbV
bV
P
ab
P
RTV
00
01
1021,18233,0T 5,05,0r
bVV
bV
P
ab
P
RTV
00
01
Tebakan awal:
0771,3
4573,9
350083145,0
P
RTV0
0807,00771,30771,3
0807,00771,3
4573,9
1021,1068,14
0807,00771,3V1
Iterasi 1:
= 2,6522 L/mol
11060,16522,2
6522,20771,3error
0807,06522,26522,2
0807,06522,2
4573,9
1021,1068,14
0807,00771,3V2
Iterasi 2:
Pada iterasi ke 6 dst, : Vuap = 2,5556 L/mol
= 2,5762 L/mol
21095,25762,2
5762,26522,2error
b. CAIR JENUH
Tebakan awal: V0 = b = 0,0807 L mol-1
a
PVbPRTbVbVbV 0
001
Vliq = 0,1333 L/mol
i Vi error 0 0,0807 1 0,1051 2,33E-01 2 0,1171 1,02E-01 3 0,1237 5,31E-02 … … … 16 0,1333 8,87E-05
CONTOH SOAL
Hitung volume molar dari campuran equimolar dari gas karbon dioksida(1) dan propilena (2) pada 30C dan 25 bar dengan menggunakan persamaan PR. Asumsi: k12 = 0.
PENYELESAIAN
Karbon dioksida (1) : Tc,1 = 304,2 K Pc,1 = 73,9 bar 1 = 0,224 Propilena (2) : Tc,2 = 365,6 K Pc,2 = 46,3 bar 2 = 0,137
9967,02,304
2,303
T
TT
1,c
1,r
Karbon dioksida (1):
25,01,r
2111 T12699,054226,137464,01
= 1,0023
9322,3
9,73
2,303083145,045724,0
P
TR45724,0a
22
1,c
21,c
2
1
2654,0
9,73
2,303083145,007779,0
P
TR07779,0b
1,c
1,c1
9412,30023,19322,3a 1
8293,06,365
2,303
T
TT
2,c
2,r
Propilena (2):
25,02,r
2222 T12699,054226,137464,01
= 1,1065
1253,9
3,46
6,365083145,045724,0
P
TR45724,0a
22
2,c
22,c
2
2
5107,0
3,46
6,365083145,007779,0
P
TR07779,0b
2,c
2,c2
097,101065,11253,9a 2
Campuran:
3083,6097,109412,3aak1a 211212
i j
ijji ayya
122122221
21 ayy2ayay
3083,65,02097,105,09412,35,0 222
= 6,6637
2211i
ii bybybyb
388,05107,05,02654,05,0
Volume molar uap:
b4142,0Vb4142,2V
bV
P
ab
P
RTV
1i1i
1ii
Tebakan awal:
molL0084,1
25
2,303083145,0
P
RTV0
Iterasi 1:
b4142,0Vb4142,2V
bV
P
ab
P
RTV
00
01