II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Konsep Energi dan Eksergi
Keseimbangan energi adalah konsep penting untuk analisis kinerja, yang didasarkan pada hukum pertama termodinamika. Hukum pertama termodinamikaa sering disebut hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Oleh sebab itu, keseimbangan energi dalam suatu sistem harus dipertahankan. Saat sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan seimbang (keadaan akhir), sistem tersebut dapat menyerap atau melepas energi ke lingkungannya. Keadaan seimbang adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan dalam sistem, atau antara sistem dengan lingkungannya. Pada keadaan setimbang suhu dan tekanan adalah seragam di seluruh sistem dan tidak ada lagi gaya-gaya tak seimbang yang bekerja (Kamarudin et al., 1998).
Pada prakteknya, total kandungan energi pada suatu keadaan (awal atau akhir) sangat sulit ditentukan, sehingga pendekatan termodinamika sering dilakukan dengan mengukur beda kandungan energi antara keadaan awal dan akhir, yaitu jumlah energi yang dipertukarkan antara sistem dengan lingkungannya selama proses berlangsung (Burghardt M. D and Harbach J. A., 1993). Hukum pertama Termodinamika dinyatakan dalam bentuk Pers. (1.5),
dimana Q adalah energi yang diberikan atau dilepaskan sistem (kJ), ΔU adalah
peubahan energi dalam sistem (kJ) dan W adalah kerja yang terjadi selama proses (kJ).
Q= ΔU + W ...(1.5) Pada sistem terbuka dapat ditulis sebagai berikut:
VdP dH
Q
...(1.6) Dimana H adalah entalpi (kJ), V adalah volume (m3), dan P adalah tekanan (Pa).
Hukum pertama termodinamika menunjukkan bahwa berbagai bentuk energi dapat saling dikonversikan, dan terdapat korespondensi kuantitatif antara berbagai jenis energi. Perubahan bentuk energi, misalkan dari energi kimia ke
energi panas, tidak melanggar hukum pertama karena panas adalah bentuk energi yang paling dikenal dan mudah diukur, ekivalensi bentuk-bentuk energi yang berbeda dan pertukaran energi yang terjadi pada proses fisika maupun kimia sering ditelaah berdasarkan perubahan panasnya.
Setiap kejadian fisika ataupun kimia umumnya disertai dengan penyerapan atau pelepasan panas ke lingkungannya. Karena itu, panas adalah bentuk atau media universal dan sederhana dengan mana energi dapat ditunda. Jika suatu proses berlangsung dengan melepaskan panas ke lingkungan, disebut proses
eksotermik. Sedangkan sebaliknya, proses yang berlansung dengan pengambilan panas dari lingkungan, disebut proses endotermik. Tidak melalui semua zat dapat terjadi perpindahan panas, meskipun terdapat perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya. Zat yang melalui, yang mana dapat terjadi perpindahan panas disebut adiathermic sedangkan yang tidak dapat disebut adiabatic. Pada ilmu pindah panas dan massa kemampuan suatu zat dalam memindahkan panas dinyatakan dalam terminologi konduktivitas panas. (Kamarudin et al., 1998).
Kapasitas panas jenis menyatakan jumlah panas yang diserap atau yang dilepas oleh suatu satuan massa benda, jika suhunya berubah sebesar satu derajat celcius. Satu joule merupakan jumlah energi yang dihasilkan oleh gaya satu Newton sepanjang jarak satu meter. Penyerapan atau pelepasan akibat perubahan suhu menyebabkan perubahan kandungan panas sensible benda tersebut. Jika m adalah massa benda (kg), panas jenis Cp (J/kg C), dan terjadi perubahan suhu sebesar ΔT (C), maka terjadi kandungan panas sensibel sebesar. (Kamarudin et al., 1998).
Q = m Cp ΔT ... (1.7) Dalam perhitungan energi harus diketahui proses perubahan fase pada bahan, karena energi yang dibutuhkan ada dua tahap yaitu untuk mengubah suhu dan mengubah wujud. Perubahan fase terjadi, apabila sudah tercapai titik didih suatu bahan pada tekanan tertentu, sehingga energi yang diserap bahan tersebut digunakan untuk mengubah wujud. Tabel 4 menunjukkan titik didih dan tekanan penguapan dari tiap komponen bahan pada proses tranesterifikasi proses produksi biodiesel berbahan baku palm oil.
Tabel 4 Titik didih tiap komponen bahan
Komponen Titik didih (oC) Tekanan penguapan (Pa)
Methanol 64.9 a 101300 Glycerol 290 a 101300 Methyl palmitate 338 b 101300 Methyl stearate 352 b 101300 Methyl oleate 349 b 101300 Methyl linoleate 366 b 101300 Tripalmitin 298 c 6.66 Tristearin 313 c 6.66 Triolein 235-240 d 2399 Trilinolein - - a Perry’s, 1997 c Swern, 1979 b
Yuan et al, 2005 d Weast and Astle, 1981
Tabel 5 menunjukkan titik didih normal pada tekanan atmosfer asam lemak dan FAME dari myristic, palmitic, stearic, oleic dan linoleic.
Tabel 5 Titik didih normal fatty acid dan FAME Komponen Titik didih normal (oC)
Acids [e] FAME [f] Myristic Palmitic Stearic Oleic Linoleic 318.0 353.8 370.0 360.0 202.01.4 mmHg 295.0 338.0 352.0 349.0 366.0 e Yuan W, et al., 2005 fGunstone FD, et al., 1994
Hukum pertama termodinamika hanya menjelaskan prinsip kekekalan energi, dan tidak mampu menjelaskan aspek fundamental lain, yaitu arah terjadinya perpindahan panas. Perpindahan panas akan terjadi secara spontan dari bagian bersuhu panas ke bagian bersuhu dingin. Kita melihat bahwa setiap proses akan berlangsung menuju keadaan keseimbangan, dan sekali keadaan
secara spontan ke keadaan awal. Secara sederhana entropi didefinisikan sebagai keacakan atau ketidakteraturan. Hukum kedua termodinamika menyatakan suatu proses tidak mungkin akan berlangsung ke arah sebaliknya (total entropi menurun). Sehingga, proses yang berlangsung dengan peningkatan entropi adalah proses yang tidak mampu balik (irreversible) (Burghardt M. D and Harbach J. A., 1993).
Jika total entropi sistem dan lingkungannya tetap selama proses berlangsung, maka disebut proses mampu balik (reversible), meskipun proses yang mampu balik secara sempurna hanya hipotesa dan tidak mungkin terjadi di alam nyata. Proses nyata selalu tak mampu balik karena perubahan suatu energi ke bentuk lainnya secara kuantitatif tidak dapat terjadi tanpa adanya kehilangan energi. Misalnya, perubahan energi mekanik ke energi listrik selalu diikuti dengan kehilangan energi dalam bentuk panas karena gesekan, yang ditebarkan ke lingkungan dan mengalami pengacakan sehingga tidak mampu menghasilkan kerja. Seluruh materi dan energi di dalam alam mengalami pengacakan tetap, dan menuju suatu keadaan acak sempurna yang disebut sebagai kubah entropi (entropic doom) (Kamaruddin et al., 1998).
Dari keadaan acak tersebut dapat diambil suatu hubungan ( sering disebut sebagai hukum ketiga termodinamika) yang menyatakan bahwa entropic suatu kristal sempurna dari suatu benda pada suhu nol mutlak adalah nol. Pada suhu nol mutlak, tidak terjadi gerakan panas dan atom suatu kristal sempurna akan berada pada keteraturan sempurna. Pada sembarang suhu, entropi benda padat adalah yang paling rendah, entropi cairan adalah menengah dan entropi gas adalah yang paling tinggi. Selanjutnya gas pada suhu tinggi mempunyai entropi yang paling tinggi daripada gas pada suhu yang paling rendah dengan demikian entropi juga merupakan fungsi suhu (Kamaruddin et al., 1998). Dalam buku Burghardt, M.D. dan Harbach, J.A., (1999), secara matematis dapat dirumuskan hubungan antara entropi dengan fungsi suhu dengan Pers. (1.4).
... (1.4) Oleh karena itu, muncullah suatu istilah yang disebut dengan eksergi, dimana eksergi adalah energi yang dimanfaatkan pada saat proses. Analisis eksergi diperoleh dari hukum termodinamika pertama dan hukum termodinamika
q Tds
kedua. Ferreira (2003), berdasarkan hasil studinya, menyimpulkan bahwa metoda analisis eksergi dapat digunakan untuk membandingkan konfigurasi produksi pertanian (misal, apakah akan mempertahankan pertanian tradisional atau modern), dan bahkan sebagai kriteria seleksi untuk pemilihan jenis maupun teknik budidaya yang akan diterapkan. Analisis ini dapat juga diterapkan untuk melihat setiap stasiun proses produksi biodiesel yang kurang efisien, sehingga pasokan energi yang akan diinput dapat diminimalisasi dengan cara memperbaiki disain sistem proses.
Russel dan Adebiyi (1993) mendefinisikan eksergi sebagai kerja maksimal (berguna) yang dapat dihasilkan oleh sistem bila sistem tersebut berinteraksi dengan suatu lingkungan referensi tertentu. Lingkungan referensi yang dimaksudkan di sini biasanya adalah lingkungan luar (atmosfir) yang mempunyai suhu To dan tekanan konstan Po, untuk sistem terbuka (control volume).
Suatu keseimbangan eksergi dapat dinyatakan dalam berbagai format yang bisa disesuaikan dengan kondisi. Secara matematis dapat dinyatakan dengan Pers. (1.5) (Burghardt, M.D. dan Harbach, J.A., 1999).
... (1.5)
Pada kondisi steady state maka = 0 dan = 0
Menurut Talens, L. et. al., (2006), untuk memproduksi 1 ton biodiesel dengan bahan baku UCO (Used Cooking Oil) eksergi yang hilang adalah sebesar 492 MJ yaitu yang hilang pada saat proses sebesar 228 MJ dan pada limbah 264 MJ. Pada penelitiannya efisiensi eksergi biodiesel untuk 1 ton biodiesel berbahan baku UCO (used cooking oil) dengan proses produksi secara katalitik adalah sebesar 98,54 % dan besarnya eksergi yang hilang adalah sebesar 1,46 % dari total eksergi. . . . . . 1 o D i e j o i e j j i e T dE dV Q W P m e m e dt T dt