Pemicu 1 - Kelompok C

Hubungan Diagram PVT

Kelompok 3

Giovanni Pasca

Nadhilah Reyseliani

Salman Naufal

Zakki Mubarok

Soal Nomor 1Zetta menemukan dua diagram yang ditunjukan dibawah ini. Akan tetapi Zetta belum yakin diagram manakah yang menunjukan air dalam tiga fase (es, air, dan uap air). Dapatkah anda menolongnya? Menurut anda fakta bahwa es mengapung di dalam air dapat menunjukan diagram yang sebenarnya?

Soal Nomor 1

Es (padatan) MENGAPUNG

diatas air (cairan)

Anomali air (keanehan suatu air)

MENGAPA?

Pada umumnya suatu benda atau zat akan bertambah volumenya (memuai) ketika suhu benda atau zat tersebut bertambah dan benda atau

zat akan berkurang volumenya (menyusut) ketika suhu benda atau zat tersebut berkurang.

Karena...

Lalu Bagaimana dengan Air??

Anomali Air

Air tetap akan memuai ketika suhunya bertambah dan menyusut ketika suhunya berkurang, kecuali pada suhu 0⁰C - 4⁰C.

Antara suhu 0⁰C sampai 4⁰C, volume air akan berkurang (menyusut) seiring bertambahnya suhu. Jika air dipanaskan pada suhu 0⁰C,

semakin panas air, semakin berkurang volume air. Proses penyusutan terhenti ketika air mencapai suhu 4⁰C.

MENGAPA?

Hal tersebut dikarenakan struktur molekul air pada suhu tersebut. Struktur molekul air pada rentang suhu tersebut, semakin dingin akan membentuk struktur yang teratur yang berbentuk tetrahedris.

Struktur ini disebabkan oleh ikatan yang terbentuk diantara oksigen dan hidrogen yaitu ikatan kovalen (berbagi elektron).

Elektronegativitas antara oksigen dan hidrogen berbeda terdapat polaritas yang terjadi.

Sehingga molekul air akan saling berikatan satu sama lain membentuk ikatan hidrogen.

Ikatan hidrogen tersebut tersusun rapi (tetrahedral) ketika air membeku dan saat mencair ikatan hidrogen tersebut tersusun secara acak.

Sehingga dengan jumlah massa yang sama, maka struktur yang rapih tersebut akan menyebabkan volumenya besar. volume yang besar akan tersebut menyebabkan

massa jenis es menjadi kecil.

Dimana

m = massa

V = volume

Selain itu, struktur tetrahedral celah diantara ikatan tersebut.

Celah tersebut menyebabkan udara masuk di dalamnya. Sedangkan,

Hal inilah yang menyebabkan massa jenis air secara keseluruhan lebih kecil jika dibandingkan dengan massa jenis air dan hal tersebut menyebabkan es mengambang di dalam air.

Grafik a

Grafik A Grafik B

Pada grafik A, jika volume spesifiknya digeser ke kanan (nilainya semakin besar), maka terjadi perubahan fase solid menjadi liquid.

Pada grafik B, perubahan fase yang terjadi adalah dari fase liquid menjadi solid. Sehingga jika dikaitkan dengan rumus volume spesifik, yaitu

Maka, semakin besar volume spesifik menunjukan semakin besar volume dari zat tersebut. Kemudian penambahan volume tersebut jika dikaitkan

dengan sifat anomali air, maka perubahan fase yang ditunjukan adalah dari fase liquid menjadi solid (air menjadi es). Untuk itu, grafik yang

menggambarkan dari sifat keanomalian air tersebut adalah grafik B.

Grafik a

Soal Nomor 2Jelaskan mengenai maksud dari permukaan, garis, dan titik (titik kritis) yang terdapat di dalam diagram diatas.

Terdapatnya permukaan yang menghubungkan ketiga variabel, yaitu permukaan p-v-T.

Suatu titik pada permukaan p-v-T menunjukan nilai tekanan, volume spesifik dan suhu temperatur pada kondisi setimbang.

Daerah fase tunggal: solid, liquid dan gas

Proses perubahan fase: mencair, menguap dan menyublim.

Proses perubahan fase suatu zat akan melewati daerah dua fase yang letaknya diantara fase tunggal, yaitu fase liquid-vapour, fase solid-liquid dan fase solid-vapour.

Daerah fasa cair-uap diusun berupa lengkungan atau kubah yang dinamakan vapor dome.

Sehingga, suatu titik menunjukan fase dari suatu zat tersebut.

Triple line adalah garis yang menandai bahwa tiga fasa dapat terjadi atau terbentuk dalam kesetimbangan.

Selain triple line, pada grafik tersebut terdapat garis yang membatasi vapor dome yaitu garis saturasi cair dan saturasi uap.

Garis saturasi merupakan garis dimana terdapat pada kesetimbangan dua fasa, sehingga apabila diganggu dengan perubahan tekanan dan suhu akan berubah fasanya.

Titik puncak vapor dome, dimana garis saturasi cair dan saturasi uap disebut dengan titik kritis. Titik tersebut ditandai dengan Pc, vc dan Tc.

Pc adalah tekanan pada titik kritis.

Vc adalah volume spesifik pada titik kritis.

Tc adalah suhu kritis dari sebuah zat murni dimana menunjukan suhu maksimum pada saat fasa cair dan gas dapat terbentuk bersama-sama dalam kesetimbangan.

Apabila posisi suatu zat berada diatas temperature kritis, maka zat tersebut tidak dapat terkondensasi menjadi liquid, setinggi apapun tekanan yang diberikan tidak akan dapat menjadikan zat menjadi liquid. Hal ini berlaku untuk semua zat.

Apabila suhu dan tekanan melebihi titik kritis maka menjadi fluida superkritis dimana tidak dapat dibedakan lagi fase fluida tersebut.

Soal Nomor 3

Pemilihan Diagram P-V-T Air

a b

1. Mengidentifikasi perbedaan yang mendasar pada kedua diagram di atas

2. Mengetahui diagram fasa (P-T) masing-masing dari diagram P-V-T

a b

Mencari triple point zat (melalui data laboratorium maupun tabel)

Triple point air adalah (suhu, Tekanan) 273,16 K, 0,6113 KPa.

Analisa diagram fasa pertama (gambar a)

Peningkatan temperatur dan tekanan (melebihi triple pont) pada fasa solid mengakibatkan fasa solid bertambah volumenya (memuai).

Analisa diagram fasa kedua (gambar b)

Peningkatan temperatur dan tekanan (melebihi triple pont) pada fasa solid mengakibatkan fasa solid berkurang volumenya (menyusut).

SUBSTANCE

Subtance atau zat yang digunakan dalam konsep ini adalah zat murni atau campuran gas tak bereaksi (komposisi kimia sama dan tetap). Contoh : air

Fasa Cair

Fasa vapor

Saturated Condition

saturated condition adalah keadaan dimana suatu perubahan fasa berawal dan berakhir. Air memiliki saturated liquid (kualitas, x=0) dan saturated vapor (kualitas x=1), dimana area antara saturated liquid dan saturated vapor adalah mixture (kualitas, x antara 0 hingga 1)

Equilibrium between Phase

kesetimbangan adalah keadaan dimana sifat termodinamika tidak mengalami perubahan terhadap waktu. Namun pembelajaran pada masalah ini kita berfokus pada zat murni dimana setiap fasa berada pada temperatur dan tekanan yang sama (dalam tabel bukan nilainya).

Gibs Phase Rule

“kesetimbangan dalam keadaan apapun dalam keadaan tertutup, jumlah variabel bebas(derajat kebebasan, F) sama dengan jumlah komponen C ditambah 2 dikurangi jumlah fasa P”:

F= C+ 2-P

pada surface 1 (S/L/V) memiliki komponen C=1 (air), dan memiliki fasa P=1 (S/L/V) sehingga bila dimasukan dalam persamaan. F=2.

pada surface 2 (S-L/S-V/L-V) F=1.

pada surface 3 (S-L-V) memiliki F=0.

INTENSIVE Vs EKSTENSIVE

Intensive extensiveTidak dapat diakumulasikan Nilai dari keseluruhan

sistem merupakan penjumlahan nilai dari setiap bagian penyusun

Tidak dipengaruhi oleh sistem Dipengaruhi oleh sistemBervariasi di berbagai bagian sistem pada waktu yang berbeda

sama

Contoh: tekanan, volume spesifik, temperatur dll

Contoh: massa, volum, energi, dll

SYSTEM

Terbuka Tertutup

fokus di sistem ini

PENGGUNAAN P-T DAN P-V

Soal 1: Air mula-mula ada pada tekanan yang lebih tinggi dari pada tekanan jenuh (compress liquid), yaitu 30 psia pada temperatur konstan hingga berubah bentuk menjadi uap air (path 1-2); kemudian dipanaskan pada tekanan konstan sehingga entalpinya menjadi 6 kali dari entalpi saturated water pada 30 psia(2-3).

Penyelesaian:

Identifikasi masalah

Melengkapi data yang kurang

Menentukan variabel

Menentukan kondisi

Analisa

Evaluasi dengan diagram PT dan P-V

IDENTIFIKASI MASALAH

PENENTUAN KONDISI

Kondisi 1

karena Psat= 30 psia maka Tsat=396 K (lihat tabel saturated)

Kondisi 2: isotermal

karena Tsat=396 K (lihat tabel kompress liquid air), maka tekanan (P1 > 30 psia)

• Kondisi 3karena P2=P1 maka (P2 > 30 psia) (tabel superheated), maka T2> 396 K

ANALISA DAN EVALUASI

PENGGUNAAN P-T DAN P-V

Soal 2: diketahui: kualitas x=0.5 (mixture dalam keadaan kesetimbangan) dipanaskan pada suhu 130 0C:

(Membuka steam table pada T=1300C (karena tidak ada tabel khusus mixture maka kami menggunakan steam table saturated))

Penyelesaian:

Identifikasi masalah

Melengkapi data yang kurang

Menentukan variabel

Menentukan kondisi

Analisa

Evaluasi dengan diagram PT dan P-V

PEMBACAAN TABEL

MENCARI VOLUME SPESIFIK

v= vL + x (vg-vL)

v= 1.0797 + 0.5 (668.5-1.0797)

v= 334,7898 m3/kg (mixture pada initial state)

terjadi perubahan spesifik volume menjadi 3.2 kali dari mixture pada initial state

v= 334,7898 m3/kg x 3.2

v=1071,3275 m3/kg (akhir)

RELEVANSI

adanya peningkatan temperatur dalam system yang dibutuhkan fasa vapor, membuat volume spesifik akhir (1071,3275 m3/kg ) lebih besar dibandingkan dengan volume spesifik awal (334,7898 m3/kg). Data spesifik akhir yang melewati fasa vapor ini menunjukan bahwa kondisi pada system ini adalah superheated dimana kualitas=

RELEVANSI

Perubahan fasa dari mixture (antara saturated liquid dan saturated vapor) akan bergeser ke arah kanan (garis merah).

Soal Nomor 4Jelaskan mengapa derajat kebebasan untuk satu permukaan fasa (S/L/V), dua (S-L,S-V,L-V), dan tiga fasa stabil (garis triple) masing-masing adalah dua, satu, dan nol.

Solusi

Derajat kebebasan berkaitan dengan Hukum Fasa Gibbs

Hukum Fasa Gibbs dinyatakan sebagai

F = C-P+2 ;F = derajat kebebasan, C = Jumlah senyawa dalam sistem, P = Jumlah fasa dalam sistem.

Pembuktian nilai derajat kebebasan dengan Hukum Fasa Gibbs,

1. Satu Permukaan Fasa

C = 1 (Air), P = 1 (Fasa tunggal)

F = 1-1+2 = 2 (terbukti pernyataan dalam problem)

2. Dua Permukaan Fasa

C = 1 (Air), P = 2 (dua fasa)


3. Tiga Permukaan Fasa

C = 1 (Air), P = 3 (dua fasa)


Jadi, untuk mengetahui derajat kebebasan kita dapat menggunakan Hukum Fasa Gibbs.

Soal Nomor 5Dengan menggunakan pendekatan diagram PT dan/diagram PV untuk menjelaskan mengapa :

• Permukaan fase solid sangat curam dibandingkan permukaan kedua fase lainnya dalam jarak dan interaksi antar molekul air masing-masing fase tersebut.

• Pemain ski dapat meluncur dengan mudah melintasi es menggunakan sepatu ice-skating

• Membutuhkan waktu yang lama untuk merebus telur di Bandung daripada di Jakarta menggunakan peralatan memasak yang sama, jumlah air, telur, dan kondisi panas.

Pendekatan diagram PT dan/diagram PV

Permukaan fase solid sangat curam dibandingkan permukaan kedua fase lainnya dalam jarak dan interaksi antar molekul air masing-masing fase tersebut.

Solid

Jarak rapat

Interaksi antar

molekul kuat

Molekul-molekul

sulit dipisahkan

Pemain ski dapat meluncur dengan mudah melintasi es menggunakan sepatu ice-skating

Sepatu ice skating dilengkapi pisau pada solnya, untuk menggesek permukaan es dibawahnya sehingga lapisan es mencair menjadi lapisan tipis air.

Luas permukaan pada skate(pisau dibawah sol sepatu) kecil, sehingga tekanan yang dihasilkan besar.

Lapisan tipis air ini yang membuat pemain ski dapat meluncur.

Membutuhkan waktu yang lama untuk merebus telur di Bandung daripada di Jakarta menggunakan peralatan memasak yang sama, jumlah air, telur, dan kondisi panas.

Perbedaan tekanan udara

•Bandung : Tekanan udara rendah, Jakarta : tekanan udara tinggi

Perbedaan titik didih

air

•Jakarta : 100•Bandung : 80

Perbedaan Kalor yang diberikan

air

• Jakarta> Bandung

Soal Nomor 6Dalam diagram PT dan PV tentukan (dimana seharusnya) posisi dari:

a) Tekanan, volume, dan suhu dari air pada titik kritis dan titik tripel

b) Massa jenis es, air, dan uap air pada suhu ruangan (25oC)

c) Tentukan fasa atau fasa sistem pada kondisi berikut dan gambarkan diagram p-v dan T-v yang menunjukan lokasi dari setiap keadaan

d) Point A (5 bar, 151.9oC), point B (5 bar, 200oC), point C (2.5 MPa, 200oC); tuliskan label dari fasa

Solusi Point a

Tekanan pada titik tripel sebesar 0,006 atm (607,95 Pa)

Tekanan pada titik kritis sebesar 218 atm (22,089 MPa)

Suhu pada titik tripel sebesar 0,001oC (273,16 K)

Suhu pada titik kritis sebesar 374oC (647,15 K)

Spesifik Volume pada titik kritis sebesar 3,155 m3/kg (saturated liquid) dan 0,003155 m3/kg (saturated vapor).

spesifik volume pada saat titik tripel yaitu sebesar 1,0002 m3/kg (saturated liquid) dan 206,136 m3/kg (saturated vapor).

Solusi Point b

Asumsi pada kondisi suhu ruangan, tekanan berada pada 1 atm.

Gunakan grafik PT diatas, buat titik temu antara tekanan 1 atm dan suhu 25oC.

Wujud air berada dalam fasa cairan. Kesimpulan, pada kondisi tersebut air hanya

memiliki densitas pada fasa cair. Nilainya sebesar 1000Kg/m3.

Solusi point c

Pada point A (5 bar, 151,9 oC) dilihat dari steam tabel memiliki spesifik volume sebesar 1,0926 m3/kg untuk saturated liquid dan 0,3749 m3/kg untuk saturater vapor. Pada kondisi ini air berada dalam fasa cair-gas.

Pada point B (5 bar, 200oC) dilihat dari steam tabel memiliki spesifik volume sebesar 0,4249 m3/kg, karena pada keadaan ini air berada pada keadaan superheated vapor. Air berada dalam fasa gas.

Pada point C (2.5 MPa, 200oC) dilihat dari steam tabel memiliki spesifik volume sebesar 1,1843 m3/kg untuk saturated liquid dan 0,0884 m3/kg. Air berada dalam fasa liquid karena belum melewati suhu saturatednya.

Solusi Point d Mengasumsikan bahwa suhu

pada soal belum mencapai atau melebihi suhu saturasi.

Menarik kesimpulan bahwa zat tersebut masih berada dalam fasa cair.

Melihat suhu saturasi pada steam tabel.

P = 5 bar, T = 151,9oC berada dalam fasa peralihan antara fasa cair dan gas.

P = 5 bar, T = 200oC Fasa Gas.

P = 2,5 MPa, T sat = 224oC, Tsoal = 200oC Fasa Cair.

Soal Nomor 6

Zidan bertanggungjawab menjelaskan diagram fase dari sebuah zat lain daripada air. Bantulah dia untuk menemukan alasan mengapa es kering (padatan CO2) digunakan untuk menjaga es krim tetap dingin dan tidak meleleh ? gunakanlah diagram PT CO2 berikut ini.

Melalui diagram tersebut, CO2 dalam keadaan atmosferik (tekanan 1 atm) hanya berupa fase padat dan gas. Sehingga pada keadaan ini, CO2 langsung berubah fase dari padat menjadi gas dan membutuhkan energi yang lebih besar dibandingkan dari fase padat ke fase cair. Es akan meleleh pada temperature ruangan menjadi cairan dan pada akhirnya menjadi gas saat dipanaskan. Es kering (CO2 berbentuk padatan) menjaga es krim tetap dingin dengan menyerap panas lingkungan agar panas tersebut tidak diserap oleh es krim. Panas tersebut digunakan sebagai energi untuk tersublimasi menjadi uap. Hal ini juga menjaga agar tempat ice cream terkondisikan selalu lembap. Sebagai padatan, es kering (CO2 padatan) bersuhu dibawah -780C yang merupakan suhu yang dingin untuk mempertahankan es tetap dingin dan tidak meleleh , CO2 akan berubah menjadi uap saat suhu diatas -780C .

Soal Nomor 7

Zulfa ditanya oleh Pak Kuncung tentang masalah berikut: Berdasarkan Hukum Fasa Gibbs, bila senyawa murni berada dalam daerah kestabilan fasa tunggal, variabel intensif harus ditentukan sebelum kita menentukan semua variabel intensif lainnya. Dapatkah kita memilih suhu dan total volume dari senyawa untuk ditentukan?

Solusi

Varibel intensif adalah merupakan variabel yang tidak bergantung pada jumlah materi.

Contoh variabel intensif : suhu, tekanan, dan volume spesifik.

Penentuan jumlah variabel intensif dengan mencari nilai derajat kebebasan.

Derajat kebebasan didapat melalui Hukum Fasa Gibbs.

Hukum Fasa Gibbs dinyatakan sebagai

F = C-P+2 ;F = derajat kebebasan, C = Jumlah senyawa dalam sistem, P = Jumlah fasa dalam sistem.

Derajat kebebasan untuk senyawa murni dalam kestabilan fasa tunggal,

C = 1 (senyawa murni), P = 1 (Fasa tunggal)

F = 1-1+2 = 2.

Derajat kebebasan bernilai 2 variabel intensif berjumlah 2.

Benar untuk suhu merupakan variabel intensif, karena suhu tidak bergantung pada jumlah materi dan merupakan variabel independen.

Salah untuk volume merupakan variabel intensif, karena suhu termasuk dalam variabel ekstensif. Variabel yang bergantung pada jumlah materi pada sistem.

Yang benar adalah spesifik volume, sebagai variabel intensif. Karena spesifik volume merupakan volume per satuan massa.

Soal Nomor 8

Persamaan Gas Ideal menunjukkan hubungan antara besar Tekanan (P), Suhu (T), jumlah mol (n), dan volume (V) atau Volume molar (v), diberikan persamaan : P.V = n.R.T or P.V = R.T. Konstanta R adalah konstanta gas universal yang memiliki nilai 8,314 J/(mol.K). ingatlah bahwa semua gas menjadi gas ideal pada tekanan yang rendah dan persamaan gas ideal diatas diaplikasikan untuk tekanan berlimit sama dengan nol, usulkan bagaimana kita menentukan konstanta gas universal secara eksperimental.

Dalam sistem silinder toraks, terdapat sebuah gas yang dijaga dalam kondisi temperatur tetap meskipun toraks digerakkan secara bebas sehingga berbagai keadaan kesetimbangan pada temperature tetap dapat dicapai. Misalkan tekanan dan volume spesifik diukur pada setiap keadaan, dan nilai perbandingan Pv/T dapat ditentukan, dimana v adalah volume per mol. Selanjutnya dapat dibuat grafik rasio tersebut terhadap tekanan pada temperatur tetap. Hasil untuk beberapa temperature tersebut yaitu :

T1

𝑃𝑣𝑇

Mengukur data yang terkestrapolasi mendekati tekanan nol

Jika rasio tersebut diekstrapolasi ke tekanan nol, maka suatu nilai batas yang tepat sama diperoleh untuk setiap kurva. Jadi,

Dengan R adalah batasan umum untuk semua temperature. Jika prosedur ini diulang untuk gas-gas yang lain, maka dapat diperoleh bahwa batas rasio Pv/T ketika P mendekati nol pada temperatur tetap adalah sama, yaitu R. karena nilai R tersebut selalu bernilai sama pada seluruh gas, maka nilai R tersebut dinamakan nilai konstanta gas universal.

Nilai R yang didapat dari hasil percobaan eksperimental adalah :

R = 8,314 kKJ/kmol.K = 1,986 Btu/lbmol.0R = 1545 ft.lbf/lbmol.0R

Soal Nomor 9

Terdapat 2kg campuran CO2 dua fase, cairan-uap berada pada 400C dengan volume 0,05 m3. Tentukanlah kulaitas campuran, jika nilai volume spesifik untuk cairan jenuh dan uap jenuh CO2 masing-masing pada suhu tersebut adalah 0,896x10-3 m3/kg dan 3,824x10-2 m3/kg.

Menghitung kualitas

Diketahui :

Massa CO2 = 2 kg

Volume CO2 = 0,05 m3

Volume spesifik cairan jenuh (Vf) = 0,896x10-3 m3/kg

Volume spesifik uap jenuh (Vg) = 3,824x10-2 m3/kg.

Ditanyakan : kualitas (x) ?

Jawab :

Soal nomor 10Anda ingin mengetahui apakah gas berikut dapat dipertimbangkan sebagai gas ideal: (a) uap pada 60 bar dan 200oC, (b) udara pada 1 bar dan 25oC, (c) n-butane pada 10 atm dan 400 K. Apa yang dapat Anda lakukan tanpa melakukan sebuah eksperimen di lab?

Solusi

Syarat sebuah gas dikatakan gas ideal bila memenuhi Z = 1 atau mendekati 1.

Z adalah faktor kompresibilitas, Z = PV/nRT.

Diketahu T & P Z = PV/nRT, maka digunakan Pitzer Correlation for the Compressibility Factor.

Pitzer Correlation for the Compressibility Factor, Z = Z0 + ωZ1.

Z0 & Z1 adalah fungsi dari Tr dan Pr.

Tr = T/Tc dan Pr = P/Pc. P = Tekanan gas pada kondisi tertentu, T = suhu gas pada kondisi tertentu. Pc&Tc = Tekanan dan Suhu kritis.

Setelah itu proses penentuan Z, mengikuti proses dibawah ini.

C

a

ri

P

c

d

a

n

T

c

s

e

ti

a

p

g

a

s

p

a

d

a

t

a

b

e

l

s

if

a

t

z

a

t

m

u

r

n

i

Bila tidak angka pasti untuk Z0 dan Z1 dalam tabel faktor kompresibilitas, lakukan interpolasi atau ekstrapolasi.

Hitung nilai Z, dengan rumus Z = Z0

+ ωZ1.

Buat kesimpulan apakah gas tersebut termasuk gas ideal atau bukan

Berikut perhitungannya untuk mencari Z setiap gas,

Dari perhitungan tersebut dapat dikatakan bahwa uap pada kondisi tersebut bukan merupakan gas ideal karena nilai Z jauh dari 1 yaitu 0,03956.

• Perhitungan Z untuk udara,

Perhitungan Z untuk n-butane,

• Dari perhitungan tersebut dapat dikatakan bahwa udara pada kondisi tersebut merupakan gas ideal karena nilai Z sangat dekat dengan 1 yaitu 0,9955.

Dilihat dari hasil perhitungan tersebut nilai Z dari n-butane adalah 0,0668. Maka n-butane pada kondisi tersebut bukan merupakan gas ideal karena tidak memenuhi Z = 1 atau mendekati 1.

Jadi, dari ketiga gas tersebut yang termasuk gas ideal hanya udara saja pada kondisi 1 bar dan 25o C.

Pemicu 1 - Kelompok C

Documents

Transcript of Pemicu 1 - Kelompok C