AZAS TEKNIK KIMIA (1).pdf

(1)

AZAS TEKNIK KIMIA

(NERACA ENERGI)

PRODI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

(2)

KESETIMBANGAN ENERGI



Konsep dan Satuan



Perhitungan Perubahan Entalpi



Penerapan Kesetimbangan Energi Umum

tanpa terjadinya reaksi kimia



Kesetimbangan Energi Mekanis

(3)

KONSEP DAN SATUAN



Menjelaskan konsep dari energi, sistem, lingkungan,

jenis-jenis sistem, jenis-jenis energi



Memilih sistem yang sesuai untuk memecahkan

masalah baik sistem tertutup maupun terbuka,

keadaan steady state, unsteady state, dan

menetapkan batasan sistem



Membedakan jenis energi potensial, kinetik, dan

internal



Menyatakan kesetimbangan energi dalam kata-kata

dan enulis kesetimbangan tersebut dalam simbol

matematis untuk sistem terbuka maupun tertutup

(4)

KONSEP POKOK

 Sistem merupakan sembarang massa materi atau

bagian peralatan tertentu pada apa kita harus mencurahkan perhatian kita. Suatu sitem dipisahkan dengn lingkungan oleh suatu batas sistem

 Lingkungan adalah segala sesuatu yang berada di

luar sistem

 Batas sistem merupakan suatu permukaan yang

(5)

MACAM SISTEM

(6)

MACAM SISTEM



Sistem terbuka (sistem aliran)

merupakan sistem dimana memungkinkan terjadinya pertukaran massa maupun energi antara sistem dengan lingkungan



Sistem tertutup (sistem non-aliran)

Merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran massa antara sistem dan lingkungan namun masih memungkinkan terjadinya pertukaran energi

(7)

PROPERTY SYSTEM

 Property merupakan segala variabel/parameter

yang dapat diamati maupun diukur dari suatu sistem. Misalnya: tekanan, temperatur, volume, dll

 Berdasarkan ukurannya dibagi menjadi dua yaitu

sifat intensif (intensif property) dan sifat ekstensif (ekstensif property)

 Sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuran

sistem sedangkan sifat ekstensif dipengaruhi oleh ukuran sistem

 Contoh sifat intensif: temperatur, tekanan,

densitas, dll. Contoh sifat ekstensif: massa, volume, dll

(8)

Energi

 Dua jenis energi berpindah antara sistem dan

lingkungan tanpa menyertai perpindahan massa yaitu Kerja dan Panas (kalor)

 Kerja (work) adalah suatu bentuk energi yang

menunjukkan perpindahan (transfer) antara sistem dan lingkungannya. Kerja merupakan energi yang tidak dapat disimpan.

 Besarnya kerja oleh gaya mekanis: W= _{𝒌𝒆𝒂𝒅𝒂𝒂𝒏 𝟏}𝒌𝒆𝒂𝒅𝒂𝒂𝒏 𝟐 𝑭. 𝒅𝒔

dimana F adalah gaya, ds adalah perpindahan

 Tanda W positif (+) kerja jika dilakukan pada

sistem dan W negatif (-) jika sistem melakukan kerja

(9)

Kerja

 Karena kerja bergantung pada lintasan yang

diambil maka kerja merupakan fungsi lintasan (path function)

 Contoh: kerja mekanis pada piston

suatu gas ideal pada 300 K dan 200 Kpa berada didalam silinder tertutup dan tanpa gesekan. Gas tersebut menekan piston sehingga secara perlahan volume mengembang dari 0,1 m3 ke 0,2 m3. hitung kerja gas pada piston jika digunakan dua lintasan yang berbeda:

(10)

Jawab

 Lintasan A (tekanan konstan) : karena kerja

dilakukan oleh sistem (gas) maka W bertanda negatif

(11)

(12)

 Lintasan B (suhu konstan)

kerja dalam proses isotermal (suhu konstan):

Dengan n untuk gas ideal

Sehingga kerja:

(13)

KALOR (HEAT)

 Kalor (Heat, panas) merupakan bagian dari energi

yang mengalir melintasi batas sistem yang

disebabkan oleh perbedaan suhu antara sistem dan sekitarnya

 Kalor merupakan energi yang tidak dpat disimpan  Tanda untuk aliran kalor: positif (+) jika mengalir

masuk ke dalam sistem dan negatif (-) jika mengalir keluar sistem

 Besarnya energi kalor yang mengalir:

Q= U. A. ΔT

U adalah koefisien heat transfer

A adalah luas area perpindahan panas ΔT adalah beda temperatur

(14)

ENERGI KINETIK



Energi kinetik (KE) adalah energi yang

dimiliki oleh suatu sistem karena

kecepatannya relatif terhadap sekitarnya



Besarnya K dapat dihitung:

atau energi persatuan massa (spesifik energi

kinetik)

(15)

Contoh soal:

air dipompa dari sebuah tangki penyimpanan ke dalam pipa berdiameter dalam 3 cm pada laju 0,001 m3/s. berapa energi kinetik spesifiknya?

Jawab:

(16)

ENERGI POTENSIAL

 Energi potensial (PE) adalah energi yang dimiliki

oleh suatu sistem karena kedudukannya

(ketinggian) dari suatu permukaan (referensi)

 Besarnya energi potensial dapat dihitung:

PE = m. g. h

atau spesifik energi potensial:

(17)

 Contoh soal:

Air dipompa dari sebuah reservoir ke yang lainny sejauh 300 ft. permukaan air dalam reservoir kedua adalah 40 ft. berapa kenaikan energi potensial spesifik dari air tersebut dalam Btu/lbm?

(18)

ENERGI INTERNAL

 Energi internal (U) merupakan pengukuran dari

melekuler, atomik, dan subatomik, yang semuanya mengikuti kaidah konservasi mikroskopik

tertentu

 Energi internal merupakan fungsi dari T dan V,

𝑈 = 𝑈 (T,V)

sehingga:

Dimana merupakan kapasitas panas Cv

(19)

ENTALPI

 Entalpi merupakan kombinasi dari dua variabel

energi yang dapat diformulasikan: H = U + PV

dengan P adalah tekanan, dan V adalah volume

 Entalpi persatuan massa merupakan fungsi suhu dan

tekanan

 Entalpi (H) dan internal energi (U) merupakan

fungsi keadaan

(20)

NERACA ENERGI CLOSED

(21)

NERACA ENERGI SISTEM

(22)

 contoh soal:

1. Berapakah perubahan energi internal bila 10 kgmol

udara didinginkan dari suhu 60 C hingga 30 C pada volume konstan? Cv=2,1 x 104_j/mol.K

2. Lihat gambar berikut

pada lintasan (A atau B) manakah yang memiliki 𝑈

(23)

3. Lihat gambar berikut:

manakah yang memiliki terbesar, lintasan ABD atau ACP?

4. Berapakah perubahan entalpi bila 10 kgmol udara didinginkan dari suhu 60 C hingga 30 C pada

(24)

 Gas N2 di dalam silinder pada P 200 kpa dan T 80 C. Gas

didinginkan hingga P 190 kpa dan T 30 C. Berapa besar kerja yang telah dilakukan oleh gas

 Hitung besarnya kerja untuk masing-masing stage:

(25)

ENERGI BALANCE, OPEN

(26)

ENERGI BALANCE, OPEN

SISTEM (STEADY STATE)

(27)

ENTALPI

 Entalpi suatu unsur dalam fase tunggal (tidak

terjadi perubahan fase) dapat dihitung menggunakan kapasitas kalor:

Δ𝑯 = 𝑪_𝑻𝟏𝑻𝟐 _𝒑𝒅𝑻

 satuan Cp adalah Kj/kg mol.K atau BTU/lb mol.0F  besarnya Cp padat, cair, maupun gas merupakan

fungsi dari temperatur:

Cp = a + bT + cT2 -_{dimana T suhu dalam C, K, R, F}

 bila diintegralkan persamaan entalpi menjadi:

(28)

KAPASITAS KALOR GAS

IDEAL

(29)

GRAFIK Cp GAS

(30)

CONTOH SOAL

 Diketahui data kapasitas kalor untuk CO2:

a = 2.675 x 104

b = 42.27

c = -1.425 x 10-2

-Susunlah pers. Cp (j/Kg mol.ΔK) dari data diatas ? -konversikan pers. Cp tersebut dalam satuan (Btu/Lb mole.0_F)

Jawab

- Persamaan Cp:

(31)

 Untuk mengkonversi dari satuan j/kg mole.K ke

satuan J/lb mole.F dengan mengalikan rus kiri :

kemudian subtitusikan hub. Antara T kelvin dan T fahrenheit pada suku T pada Cp:

sehingga Cp dalam Btu/Lb mole. F:

(32)

 Contoh: konversi buangan padat menjadi gas yang

tidak berbahaya dapat dikerjakan melalui pembakaran sampah. Namun gas buangan harus di dinginkan atau diencerkan dengan udara. Studi kelayakan ekomomi menunjukkan bahwa sampah padat kota dapat dibakar menjadi gas dengan komposisi berikut:

CO2 9.2% CO 1.5% O2 7.3% N2 82%

berapa perubahan entalpi untuk gas ini per lb mol antara bagian atas dan bawah cerobong jika suhu bagian bawah cerobong 550 F dan bag. atas 200 F?

(33)

 Basis 1 lb mol gas

 Persamaan Cp (Btu/Lb mole.F)

 Persamaan Cp dikalikan dengan mol fraksi:

(34)

(35)

PENGGUNAAN TABEL UAP

 Uap didinginkan dari 640 F dan 92 psia sampai

480 F dan 52 psia. Berapa Δ𝐻 dalam Btu/lb?

 Untuk memperoleh entalpi maka harus dilakukan

(36)

APLIKASI ENERGI BALANCE

TANPA TERJADINYA REAKSI

 Closed sistem. Untuk sistem tertutup dimana tidak

ada aliran m1=m2 =0 sehingga

jika tidak ada akumulasi :

 Open sistem dengan heat transfer (steady sate):

dengan EK, Ep, W lebih kecil daripada ΔH sehingga dapat diabaikan (contoh: sistem heat exchanger)

(37)



Open steady state sistem no heat transfer

(38)

Analisa energi balance

 Soal: Lakukan analisa energi balance untuk

menghitung perubahan entalpi dari masing-masing segmen

(39)

 Air sedang dipompa dari dasar sumur dengan

kedalaman 15 ft pada laju 200 gal/hr ke dalam tangki penyimpanan yang berada 165 ft di atas permukaan tanah. Untuk mencegah pembekuan sebuah kalor dipasok sebesar 30000 btu/jam ke dalam air selama perpindahannya dari sumur ke tangki. Klor hilang dari sistem sebesar 25000 Btu/jam. Jika suhu air dari sumur 35 F dan daya pompa 2 hp dengan efisiensi 55%, berapa suhu air masuk tangki?

(40)

(41)

SOAL

 Uap memasuki peti uap, yang terpisah dari

biomassa tersebut, dalam sebuah reaktor, pada 250 C jenuh. Dan diembunkan dengan sempurna dalam peti uap. Laju kehilangan kalor dari peti ke sekitarnya 1.5 kj/s. reaktan diletakkan dalam wadah pada suhu 20 C dan pada akhir pemanasan materi tersebut pada suhu 100 C. jika beban terdiri dari 150 kg materi dengan Cp 3.26 J/g.K. berapa kg uap yang dibutuhkan per Kg beban? Materi tetap di wadah reaksi selama 1 jam

(42)