Proses Transfer -

Click here to load reader

  • date post

    06-Nov-2015
  • Category

    Documents

  • view

    1.226
  • download

    529

Embed Size (px)

Transcript of Proses Transfer -

  • BAHAN AJAR

    MATA KULIAH

    PROSES TRANSFER

    oleh: Nurul Hidayati Fithriyah, S.T., M,Sc., Ph.D.

    Rahmawati, S.T., M.Sc.

    Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

    Universitas Muhammadiyah Jakarta 2013

    Zainal Abidin

    Zainal Abidin

  • Modul Pembelajaran Proses Transfer 2

    SILABUS MATA KULIAH PROSES TRANSFER

    BAHAN UTS (30%): I. PENDAHULUAN !

    1. Peristiwa Perpindahan " 2. Hukum Kekekalan " "

    II. TRANSFER MOMENTUM " 1. Viskositas dan Mekanisme Transfer Momentum "

    1) Hukum Newton tentang viskositas " 2) Fluida Newtonian " 3) Fluida Non-Newtonian # Pertemuan ke-1 4) Viskositas sebagai fungsi suhu dan tekanan " 5) Fluks Momentum Gabungan " "

    2. Distribusi Kecepatan dalam Aliran Laminar " 1) Neraca momentum dan syarat batas " 2) Aliran dalam penampang balok: " 3) studi kasus aliran jatuh lapisan tipis (falling film) $ 4) Aliran melalui pipa silinder (cylinder tube) ! 5) Aliran aksial dan tangensial dalam anulus # Pertemuan ke-2

    3. Analisa Dimensi $ 4. Aliran dalam Pipa !

    1) Aliran bergolak (turbulen) " 2) Selisih tekanan (pressure drop) # Pertemuan ke-3 3) Perbahan luas penampang aliran "

    5. Aliran Meliputi Benda $ 6. Neraca Mikro dengan Persamaan Perubahan !

    1) persamaan kontinuitas # Pertemuan ke-4 2) persamaan gerak $ 3) aplikasi persamaan perubahan # Pertemuan ke-5

    7. Rangkuman, Latihan Soal, Pembahasan Tugas, Kisi UTS $ BAHAN UAS (50%): III. TRANSFER PANAS !

    1. Konduktivitas Panas dan Mekanisme Transfer Panas " 1) Hukum Fourier tentang konduksi panas " 2) Pengaruh suhu dan tekanan terhadap konduktivitas panas# Pertemuan ke-6

    2. Distribusi Suhu dalam Padatan dan Aliran Laminar " 1) Neraca energi dan syarat batas $ 2) Konduksi panas secara mantap dan takmantap ! 3) Konveksi alamiah dan paksa # Pertemuan ke-7 4) Transfer panas melalui radiasi # Pertemuan ke-8

    3. Rangkuman, Latihan Soal, dan Pembahasan Tugas $

  • Modul Pembelajaran Proses Transfer 3 IV. TRANSFER MASSA

    1. Difusivitas Massa dan Mekanisme Transfer Massa ! 1) Hukum Fick tentang difusi massa biner (molekular) " 2) Pengaruh suhu dan tekanan terhadap difusivitas massa " # Pertemuan ke-9

    2. Distribusi Massa dalam Aliran Laminar " 1) Neraca massa dan syarat batas " 2) Teori lapisan (film theory) " 3) Difusi massa secara mantap dan takmantap $ 4) Perpindahan massa secara konveksi ! "

    3. Perpindahan Panas dan Massa secara Simultan (bersamaan) # Pertemuan ke-10 " 4. Rangkuman, Latihan Soal, Pembahasan Tugas, Kisi UAS $

    TUGAS 4! (20%): 2! Transfer Momentum; 1! Transfer Panas; dan 1! Transfer Massa

  • Modul Pembelajaran Proses Transfer 4 Pertemuan ke-1 Kompetensi: Memahami mekanisme proses transfer momentum, konsep fluida Newtonian, serta perilaku viskositas Indikator:

    1. Dapat menjelaskan mekanisme transfer momentum secara molekuler dan konvektif 2. Dapat menjelaskan perilaku fluida Newtonian dan Non-Newtonian 3. Dapat menjelaskan perilaku viskositas

    BAB I PENDAHULUAN

    1.1 Proses Perpindahan Peristiwa fisika akan selalu diiringi dengan berpindahnya satu atau lebih dari tiga besaran utama berikut ini: massa, momentum, dan energi (khususnya panas). Peristiwa perpindahan ini akan dijumpai dalam semua operasi teknik kimia. Proses Transfer mempelajari kejadian fisik yang berlangsung selama suatu operasi teknik kimia dan mencari suatu model matematis ideal yang dapat menggambarkan perubahan-perubahan yang berlangsung dalam peristiwa tersebut. Dalam menggunakan model matematis tersebut, perlu dikuasai prinsip dan langkah perhitungan geometris, diferensial dan integral. Di samping itu, semua besaran dan sifat fisika diperlakukan sebagai variabel (peubah), sehingga dengan sendirinya ketentuan-ketentuan ilmu fisika, imia, dan termodinamika tetap berlaku terhadap peubah-peubah tersebut. Perubahan-perubahan dalam peristiwa perpindahan dapat dinyatakan dengan persamaan matematis melalui penyusunan neraca berdasarkan hukum kekekalan. Perubahan besaran dan sifat fisika dinyatakan dengan perbandingan diferensial. Sistem koordinat dan satuan digunakan utuk memudahkan perhitungan sesuai dengan bentuk geometri dari sistem yang diamati. Diperlukan keterampilan mengubah satuan besaran antarsistem dengan meninjau faktor konversi dari satuan-satuan yang terlibat dalam perhitungan. 1.2 Hukum Kekekalan Hukum kekekalan massa, momentum, dan energi menyatakan bahwa massa, momentum dan energi (panas) tidak dapat dimusnahkan (oleh manusia), akan tetapi hanya berubah bentuk. Hal ini dinyatakan dalam persamaan umum neraca sistem per satuan waktu sebagai berikut: akumulasi = laju alir masuk - laju alir keluar + pembentukan - konsumsi (1.1) Untuk menyelesaikan suatu neraca dibutuhkan syarat-syarat batas yang membatasi volum-banding dari sistem tersebut.

  • Modul Pembelajaran Proses Transfer 5

    BAB II TRANSFER MOMENTUM

    2.1 Viskositas Dan Mekanisme Transport Momentum Bagian pertama dari mata kuliah ini adalah tertuju kepada masalah aliran fluida yang viscous (viscous fluids). Dalam bahasa Indonesia, padanan kata viscous menurut pengertian awam adalah kental, dan viscous menyatakan derajat kekentalan. Akan tetapi dalam pembahasan transport phenomena (Proses Transfer), istilah viscous fluid diartikan sebagai fluida yang mempunyai viscosity> 0, atau dapat diterjemahkan mempunyai viskositas yang lebih besar daripada nol.

    Istilah viskositas secara eksplisit digunakan untuk menyatakan sifat fluida yang merefleksikan besarnya hambatan di dalam fluida terhadap gerak aliran fluida. Hambatan ini digagaskan terjadi karena adanya gesekan di antara molekul-molekul fluida yang saling bersinggungan atau berbenturan. Dengan demikian, apakah suatu fluida kental atau tidak kental (encer), selama terjadi gesekan atau benturan antar molekul bilamana fluida mengalir, dan efek gesekan dan benturan tersebut mempengaruhi kemudahannya untuk mengalir, maka fluidanya disebut fluida yang viscous, dan viskositasnya > 0. Bila viskositas suatu fluida berharga nol, maka fluida itu disebut fluida invicid. 2.1.1 Hukum Newton tentang Viskositas Kita tinjau suatu eksperimen maya (imajiner), dengan mengimajinasikan sistem yang skemanya ditunjukkan di Gambar 1. Fluida ada diantara dua pelat (atau lempeng) paralel berjarak Y satu sama lain dan mempunyai dimensi L (panjang). Luas masing-masing pelat adalah A yang mempunyai dimensi L2. Dalam tinjauan terhadap sistem aliran termaksud, luas permukaan pelat yang bersinggungan dengan fluidanya yaitu A, diasumsikan sangat besar harganya. Dengan ketentuan itu, efek keadaan di sisi-sisi ujung pelat, yang menumpu aliran fluida, diabaikan.

    Skema (a) di gambar tersebut menunjukkan gambaran sistem secara menyeluruh. Skema (b) menunjukkan penampang tampak samping arah memanjang saat semua bagian sistem ada dalam keadaan tak bergerak, dan ditunjukkan juga sistem koordinat x-y-z. Skema (c) menunjukkan keadaan awal saat pelat bawah digerakkan secara mendadak dengan kecepatan V dalam arah x, sedang pelat atas ditahan dalam keadaan tak bergerak. Karena adanya hambatan dari fluida, untuk mempertahankan gerak pelat tersebut diperlukan gaya tetap sebesar F. Akibat gerak pelat yang di bawah, fluida yang tepat bersinggungan dengan permukaan pelat tersebut ikut bergerak. Diasumsikan bahwa molekul-molekul fluida yang tepat bersinggungan dengan permukaan pelat tersebut melekat (berpegang kuat) pada permukaan. Maka kecepatan geraknya sama dengan kecepatan gerak pelat, yaitu V.

  • Modul Pembelajaran Proses Transfer 6

    Gambar 2.1 Skema percobaan maya (imaginer) untuk menunjukkan perpindahan momentum

    yang disertai pembentukan aliran fluida akibat adanya shear stress

    Gerak lapisan fluida yang bersinggungan dengan permukaan pelat tersebut mengimbas ke molekul-molekul fluida yang ada di lapisan lebih atas, dan terjadilah aliran fluida dalam arah x. Gerak yang terjadi pada saat-saat awal masih belum sempurna terbentuk, dan dalam keadaan transient (transient state) ini distribusi kecepatan fluida dalam arah y ditunjukkan di skema (d) dari gambar I; gerak fluida hanya teramati di daerah yang tak jauh dari permukaan bawah, dan makin ke atas makin kecil kecepatannya. Setelah cukup lama aliran fluida terbentuk sempurna, dan tercapai keadaan tunak (steady state). Profil kecepatan tidak berubah dengan waktu, sebagaimana ditunjukkan di skema (e).

  • Modul Pembelajaran Proses Transfer 7 Dalam sketsa ditunjukkan bahwa kecepatan fluida mengecil secara linear dengan kenaikan dari harga y. Hubungan antara berbagai besaran sistem yang digambarkan tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan yang diberikan sebagai persamaan (2.1).

    !"

    #$%

    &=YV

    AF

    (2.1)

    Persamaan (2.1) menyatakan bahwa gaya persatuan luas permukaan bidang selang antara pelat dan fluida berbanding lurus dengan penurunan kecepatan fluida dalam arah y. Konstanta pembandingnya didefinisikan sebagai viskositas dari fluida. F/A disebut shear stress. Shear stress tersebut terimbas ke fluida, dan karenanya di dalam fluida terasakan juga adanya shear stress dalam arah y karena adanya gaya F yang bekerja pada arah x.

    Bila digunakan lambang yx! untuk menyatakan shear stress di dalam fluida yang bekerja dalam arah x terhadap lapisan fluida pada jarak y dari permukaan bidang selang antar pelat dan fluida, oleh fluida yang ada pada kedudukan kurang dari y, dan untuk menyatakan kecepatan fluida dalam arah x digunakan lambang vx , maka hubungan yang dinyatakan dalam persaman 1 dapat dinyata