Applied Thermodynamics in Process EngineeringEmmanuella Deassy Edelweiss/1206248924Departement of Chemical Engineering !ni"ersity of #ndonesiaSalah satu cabang penting dari engineering adailah Process Engineering, yangmemfokuskanpadadesain, operasi, control, danoptimisasi dari suatuproses kimia, fisika,maupun biologis. Pekerjaan process engineering termasuk menerjemahkan kebutuhanmasyarakat menjadi suatu fasilitas yang mampu menkonversi suatu raw material atau barangmentahmenjadi bahanataukomponendengannilai yanglebihtinggi. Process engineeringmencakup industiu yang sangat luas seperti industri kimia, petrokimia, agrikultur, pengolahanmineral, makanan, farmasi, bioteknologi, dan banyak lagi. alam makalah ini, pembahasan akanlebih menjurus ke arah pemrosesan hidrokarbon.Pada gambar di bawah ini, ditunjukkan block diagram untuk suatu system total produksigas, yang di dalamnya terdapat bagian gas conditioning and processing.!ntuk memudahkan,tiapsystemini akandibagi menjadi beberapamodul. "isalnya, suatuunit dehidrasi, akanmenjadi satu module# begitu juga dengan menara fraksinasi dan peralatan pelengkapnya.$ambar %. Skema dari suatu Sistem Proses Produksi &otal di 'asilitas ProduksiPada skema di atas, terlihat bahwa kita mendapatkan hidrokarbon berupa crude oil darireservoir, yang kemudian akan masuk ke modul separasi. ari modul separasi pertama ini, akandidapatkan(fasayaitugas, oil, danair.'asagasakanditeruskankemodul pengolahangas)sebagian dibuang ke flare*, serta minyak diteruskan ke modul crude oil treating dan kemudianke penyimpanan )field storage)untuk kemudian dijual dan didistribusikan, sedangkan air akanditeruskan ke modul pengolahan airproduksidankemudian dibuangataudigunakan kembaliuntuk mengambil hidrokarbon )reinjection*.alammendesainataumerencanakansuatusystemseperti di atas, penerapankonseptermodinamika sangatlah berperan penting, yaitu untuk bisa menciptakan suatu system yang bisabekerja sesuai kebutuhan dan juga efisien, khususnya dalam konteks bahan, energy dan tentunyacost. alam termodinamika teknik,tiga hal yang menjadi perhatian utama adalah panas, kerja,dan energy.+. asar &eori,. Sistem &ermodinamikProperties atau sifat dari suatu -at seperti massa, suhu, volume, serta tekanan, merupakanvariabel.variabel dalam termodinamika. Sifat.sifat ini akan mendefinisikan keadaan dari suatu-at.Sifattermodinamis sautu-at dapatdigolongkanmenjadi sifat intensifdan sifat ekstensif.Sifat ekstensif )e/tensive property* adalah jika nilai dan keseluruhan sistemmerupakanpenjumlahan nilai dari setiap bagian yang menyusun sistem tersebut. 0ilai sifat ekstensif yangterukur bergantung pada seberapa banyak materi yang diukur. "assa, panjang dan volume adalahsifat.sifat ekstensif. Semakinbanyakmateri, semakinbesar massanya. 0ilai.nilai dari sifatekstensif dapat di jumlahkan. Sifat intensif)intensiveproperty* tidakdapat di akumulasikanseperti sifat ekstensif. 0ilai sifat intensif tidak dipengaruhi olehukuransistemdandapatbervariasi di setiapbagiansistempadawaktuyangberbeda. engandemikian, sifat intensifmerupakansifatposisifungsiwaktu. 1olumespesifik, tekanandantemperaturadalahcontohsifat intensifyangdigunakan. Suatusifat intensifsistemadalahsifat.sifat yangsamadengansifat.sifat yang bersesuaian dengan masing.masing subsistem tersebut. Sifat.sifat ini merupakanvariabel dan seluruh nilainya saling terhubung oleh suatu persamaan, yaitu persamaan keadaan)equation of state*.Suatu systemtermodinamik adalah sejumlah tertentu -at2bahan, dimana batas luarimajiner di sekeliling system tersebut adalah batasannya )boundary*. Suatu system dimana dapatterjadi pertukaran energy dan massa dengan lingkungannya disebut system terbuka. Sedangkansystemdimanahanyadapat terjadi pertukaranenergydenganlingkungannyaadalahsystemtertutup.$ambardi bawahini menunjukkansuaturangkaiansilinderpiston, dimanasuatugasditekanolehpiston. $arisputus.putusmerepresentasikanbatasansystem. Seperti yangdapatdilihat, karena adanya bukaan di silinder, gas dapat terbebas keluar ketika piston bergerak masuk,dan sebaliknya gas masuk ke dalam system ketika piston bergerak keluar. ,ni berarti sistemnyamerupakan system terbuka.$ambar 3. Sistem terbuka silinder pistonaerah diluar suatu system disebut lingkungan. Sistem bersama dengan lingkungan disebut semesta. Suatu system yang tidak mengalami pertukaran massa maupun energy dengan lingkungan disebut system terisolasi. ,stilah lain yang digunakan untuk mendefinisikan system adalah control volume. alam kasus suatu system tertutup dimana massa -at dalam system tetap konstan, volume control disebut sebagai control mass. Suatu control volume dikatakan tertutup oleh suatu control surface.&ermodinamik klasik berurusan dengan system dalam keadaan setimbang )equilibrium*. 4eadaan setimbang didefinisikan oleh nilai.nilai dalam system yang kuantitasnya dapat diamati, yang disebut system properties2 sifat.sifat system. 5umlah variabel minimum yang diperlukan untuk mendeskripsikan suatu system tergantung pada derajat kebebasan (degrees of freedom) dari system. erajat kebebasan adalah jumlah sifat yang dapat divariasikan secara independen antara satu sama lain dalam suatu system. 1ariabel system yang umum adalah tekanan, suhu, dandensitas, namun sifat fisik lainnya dapat digunakan jugaPerubahan dalam suatu system disebut proses. Ketika keadaan awal dan akhir dari suatu proses adalah sama, maka proses tersebut disebut siklus (cycle). Jika suatu proses dapat dijalankan dengan arah sebaliknya tanpa perubahan pada system dan lingkungan, maka proses disebut proses reversible, jika tidak bisa, maka disebut proses irreversible. Proses dimana suhu selalu tetap disebut proses isothermal. Suhu tetap bukan berarti tidak ada peristiwa perpindahan panas atau kerja, namun hasil volume dan tekanan untuk suatu gas ideal adalah konstan (PV!onstant).,,. 6ukum ke.7 &ermodinamik6ukum ini menyatakan bahwa jika objek + berada pada keadaan ekuilibrium termal dengan objek 8 dan objek 9, maka seluruh system ada dalam keadaan kesetimbangan termal antara satu sama lain. 6ukum termodinamika inilah yang menjadi dasar kerja dari thermometer. 4etika suatu -at dikontakkan dengan thermometer, -at itu akan mencapai kesetimbangan termal dengan kaca thermometer, dan kaca thermometer akan mencapai kesetimbangan termal dengan li:uid di dalamnya. 8erdasarkan hukum ini, seluruh system ada dalam kesetimbangan termal satu.sama lain, dan karena mereka ekivalen secara termal, makan suhunya pun sama.$ambar (. ,lustrasi 6ukum ke.7 &ermodinamik,,,. 6ukum ke., &ermodinamikalam termodinamika, energy terdapat dalam bentuk panas )kalor* serta kerja )work*. 4erja );*dikatakandilakukanolehsystemjikaefekterhadaplingkungannyadapat direduksi menjadikemampuan mengangkat beban. 4erja hanya dilakukan pada batasan suatu system.alamkasussystemsilinder.piston, kerjayangdilakukandalamsatusiklusadalah;,dimana W = F dx = p dV, dan F = p . 1ariabel p adalah tekanan di dalam piston. engankatalain, kerjayangdilakukanadalahluas di bawahdiagramp!V. isini,Fadalahgayaeksternal yang melawan, yang setara dan berlawanan dengan gaya yang dikeluarkan oleh system.+kibat dari pernyataan tersebut ialan bahwa suatu system yang mengalami ekspansi bebas tidakmelakukan kerja. efinisi tadi hanya berlaku pada kasusquasi!static, ketika kerja yangdilakukan adalah kerja reversible.$ambar 7 disebut dengan proses adiabatik. Suatu gas didalamsuatuvessel terinsulasi mengalami proses adiabatic. Proses adiabaticjugaterjadi meskipunvessel tidak terinsulasi jika prosesnya begitu cepat sehingga tidak cukup waktu bagi kalor untuklepas. Proses adiabatic juga adalah pendekatan ideal untuk berbagai proses nyata seperti ekspansiuapdalamturbin, dimanakehilangankalor )"eat loss* jauhlebihkecil daripadakerjayangdilakukan.Pernyataan Hukum ke-I Termodinamika6ukum pertama menyatakan bahwa ketika interaksi kalor dan kerja terjadi antara suatu system tertutup dan lingkungannya, penjumlahan aljabar dari interaksi kalor dan kerja untuk suatu siklusadalah nol. Secara matematis, ini setara dengan?dQ+dW=0 for any cycle closedmass flow= adalah kalor yang dipindahkan dan ; adalah kerja yang dilakukan oleh atau terhadap system. 4arena inilah satu.satunya cara energy dapat dipindahkan, maka ini mengimplikasikan bahwa energy total dari suatu system dalam siklus tersebut adalah konstan. @leh karena itu hukum pertama termodinamika disebut juga dengan konsep konservasi energy. 4onsekuensi dari pernyataan ini adalah bahwa energy total dari suatu system adalah sifat2property dari system.alam termodinamika, energy total suatu system disebut dengan internal energy atau energy dalam, yaitu energy dari suatu system akibat suhunya. Pernyataan dari 6ukum , &ermodinamika mengacu kepada suatu siklus termodinamik. engan konsep energy dalam, 6ukum , &ermodinamika dapat dinyatakan untuk proses non.siklik.6ukum pertama termodinamika dapat dituliskan juga sebagai?E=Q+Wisini E merepresentasikan energy dalam )!* dari system beserta energy kinetik )Ek* dan energy potensialnya )Ep* dan disebut energy total dari system.E=U+Ek+Ep,ni adalah pernyataan 6ukum , &ermodinamika untuk proses non.siklik, selama mereka masihtidakmengalami aliranmassa. 0ilai EkdanEpadalahnilai energykineticdanpotensial darimolekul gas dalam system tersebut. !ntuk gas ideal, nilai Ek dan Ep cukup kecil sehingga variabelyang penting adalah fungsi energy dalam #. 4hususnya pada gas ideal, variabel keadaan u dapatditentukan olehu(v$ %)$dimana v adalah volume spesifik dan & adalah suhu. !ntukmenggambarkanketergantunganpadasuhuini, kapasitaskalor volumekonstandidefinisikanjuga sebagai?cv=(u/ t ) v"enurut hukumpertamatermodinamika, d=Ad;>dE. 5ikaseluruhkerjanyaadalahkerjatekanan volume, maka didapatkan?dW=pdVdQ=dU+pdV=d(U+pV )Vdpd(U+pV )=dQ+Vdp4ita definisikan& ' # ( pV sebagai entalpi system dan " = u ( pv adalah entalpi spesifik. 4hususnya untuk proses dengan tekanan konstan.Q=HSama halnya dengan cv, nilai cp = ()"*)t)p. 4arena ", p, dan t adalah variabel keadaan, cp juga merupakan variabel keadaan. +kibatnya, untuk gas ideal, cp = cv ( +, dan untuk fluida inkompresibel, cp = cv .,1. 6ukum ke.,, &ermodinamika6ukumpertamatermodinamikaberbicaratentangkonservasi energy. ,ni berarti, kerjadapatdikonversi secara total menjadi kalor. 0amun pada kenyataannya kita amati bahwa di alam, halini tidak terjadi secara spontan. 6ukum termodinamika pertama hanya membicarakanperpindahan energy tanpa menentukan arah perpindahan energi yang akan terjadi pada keadaantertentu. "akadariitu,pernyataanhukumkedua termodinamikayang akanmemberi tahukearahmanakahproses dapat terjadi secaraspontan. Pernyataanhukumkeduatermodinamikadibantu oleh konsep "eat engine atau mesin kalor. Suatu mesin kalor bekerja dalam suatu siklusdan mengkonversi kalor menjadi kerja. Suatu reservoir termal didefinisikan sebagai suatu systemyangadapadakeadaansetimbangdancukupbesarsehinggaperpindahanpanasdari dankedalam mesin tersebut tidak merubah suhunya secara berarti.Suatu mesin kalor bekerja di antara dua reservoir termal, yaitu reservoir suhu rendah )dingin*dan suhu tinggi )panas*. Performa mesin kalor diukur dari efisiensi termalnya, yang didefinisikansebagai perbandingan dari output kerja )net kerja yang dilakukan oleh system* terhadap inputkalornya )panas yang dipindahkan dari reservoir suhu tinggi*.=W / Q16ukum kedua termodinamika memiliki 3 pernyataan )postulat* klasik, yang ekivalen satu sama lain, yaitu?%. 'ormulasi 9lausiusBSebuah mesin yang bekerja dalam sebuah siklus untuk memindahkan panas dari temperatur rendah ke temperatur tinggi pasti membutuhkan asupan kerja2usaha )work input*.C4alor tidak dapat mengalir dari benda panas ke benda dingin tanpa bantuan kerja eksternal.$ambar D. Proses pada gambar tidak mungkin terjadi menurut postulat 9lausius )kiri*, proses yang akan terjadi )kanan*Suatu alat yang memindahkan panas dari reservoir dingin ke reservoir panas dengan bantuan kerja eksternal disebut dengan "eat pump atau pompa kalor.3. 'ormulasi 4elvin.PlanckBSebuahmesinyangbekerjadalamsebuahsiklustidaklahmungkinmenerimapanasdarisebuah reservoir termal lalu mengubah seluruh panas tersebut menjadi kerja.C$ambar E. Proses pada gambar tidak mungkin menurut postulat 4elvin.Planck )kiri*, proses yang akan terjadi)kanan*4edua postulat diatas dituliskan dalam bentuk pertidaksamaan 9lausius, yang menyatakan bahwa integral siklik dari d=2F sepanjang batas system akan selalu lebih kecil atau sama dengan nol. isini suhu & harus berada dalam satuan 4elvin. Sisi kanan dari persamaan ini bernilai nol ketika tidak ada irreversibilitas dalam siklusnya, seperti friksi atau verte/. "isalkan suatu siklus produksi listrik di bawah ini.$ambar G. Siklus produksi listrikisini ada 3 interaksi panas dalam siklusnya, satu di condenser dan satu lagi di boiler. 5ika diasumsikan tidak ada irreversibilitas pada system dan interaksi panas terjadi pada suhu yang sama, maka pertidaksamaan 9lausius menjadi? Siklus CarnotSiklus karnot adalah siklus reversible pada suatu mesin yang bekerja antara dua reservoir dengansuhu yang berbeda. Siklus ini terdiri dari dua proses isothermal reversible dan dua proses adiabatic reversible. !ntuk suatu siklus %.3.(.%, sehingga p1V1=p2V2, sehingga?Wc !iso=p2V2+p1V1ln rp1V1Wc !iso=p1V1lnr , dimana r=V1V2Sedangkan jika proses kompresinya adiabatic, n="Wc !adia#atic=(""1)mR(21)Wc !adia#atic=m$p(

21)=m(h2h1)Sehingga, efisiensi isothermal?iso=p1V 1ln r(nn1)( p1V1)[( p2p1)n1n1]Efisiensi isothermal kompresor harus mendekati %77J, yangberarti bahwakompresi actualharus terjadi mengikuti proses yang mendekati proses isothermal. !ntuk itu, dibuat mekanismeuntukmempertahankansuhukonstanselamaproseskompres. 8eberapasusunanyangdapatdigunakan adalah? isipasi panas dari dalamkompresor ke luar lebih cepat dengan penggunaan finsepanjang silinder. 'in2sirip memfasilitasi perpindahan panas yang lebih cepat dari udarayang ditekan ke atmosfer sehingga kenaikan suhu selama kompresi dapat diminimalisasi. jacket bisa digunakan disekitar silinder kompresor sehingga kalor dapat diambil ;aterolehair pendinginyangbersirkulasi melalui jaket. Sirkulasi air pendingindisekitarkompresor dapat meregulasi kenaikan temperature dengan signifikan. +irjugadapat diinjeksi di ujungproseskompresi dengantujuanmendinginkanudarayangdikompresi. ,njeksi air di akhir proses kompresi ini membutuhkanpengaturankhusus dalam kompresor dan juga udara tercampur dengan air sehingga perlu dilakukanseparasi sebeumdigunakan. ,njeksi air juga menkontaminasi lapisan pelumas dipermukaan dalam silinder dan dapat menginisiasi korosi. @leh karena itu metode ini tidakbanyak digunakan. alam kasus kompresi bertahap )multistage*pada beberapa kompresor yang beroperasisecara seri, udara yangmeninggalkansatukompresor dapat didinginkansampai kekeadaanambient atausuhuagaktinggi sebelumdiinjeksi kekompresor selanjutnya.Pendinginan fluida terkompresi antara dua kompresor berurutan disebut intercooling dansering digunakan dalam kompresor multistage."empertimbangkan 9learance 1olumePadagambar%7b, terlihat sikluskompresi yangmempertimbangkanclearancevolume. Padasystem yang mempertimbangkan clearance volume, kerja yang dilakukan untuk kompresi udarasecarapolytropikdapat diwakili olehluasdaerahdidalamsiklus%.3.(.