PERPINDAHAN MASSA PERPINDAHAN MASSA
MAKALAH MAKALAH
untuk memenuhi tugas perpindahan panas dan massa 2 untuk memenuhi tugas perpindahan panas dan massa 2
Yang D
Yang Dibimbibimb ing Oleh :ing Oleh : Dr. Retno Wul
Dr. Retno Wul andariandari , S. T., M. , S. T., M. T.T.
Oleh : Oleh : LATIEF
LATIEF SETYO SETYO BUDI BUDI (16051(160514610064610065 5 / / E3)E3) NURUDDIN
NURUDDIN ADI ADI PRATPRATAMA AMA (160514610019 / (160514610019 / E3)E3) RIET
RIET MARATRI MARATRI LILLILI I WIDYASWARI WIDYASWARI (16051(160514610024610021 1 / / E3)E3) YUKE
YUKE NOFANTYNOFANTYU U (160514610054 (160514610054 / / E3)E3)
UNIVER
UNIVERSITAS NEGERI MALASITAS NEGERI MALA NGNG FAKULTAS TEKNIK FAKULTAS TEKNIK TEKNIK MESIN TEKNIK MESIN APRIL APRIL 20182018
ABSTRAK
Perpindahan massa adalah aliran molekul dari satu benda ke benda yang lain ketika benda-benda ini bersentuhan atau dalam suatu sistem yang terdiri dari dua komponen ketika distribusi bahan tidak seragam. Ketika pelat tembaga ditempatkan pada pelat baja, beberapa molekul dari kedua sisi akan berdifusi ke sisi yang lain. Ketika garam ditempatkan dalam gelas dan air dituangkan ke dalam gelas, setelah beberapa saat, molekul garam akan berdifusi ke dalam molekul air. Contoh yang lebih umum adalah pengeringan pakaian atau penguapan air yang tumpah di lantai ketika molekul air menyebar ke udara di sekitarnya. Biasanya perp indahan massa terjadi dari lokasi di mana komponen tertentu yang memiliki proporsional tinggi ke lok asi di mana komponen memiliki proporsional rendah. Namun dalam makalah ini hanya perpindahan yang disebabakan oleh gradien konsentrasi yang akan dibahas. Namun, pada kenyataanya banyak masalah perpindahan panas yang signifikan dihadapi dengan melibatkan perpindahan massa. Misalnya, sekitar sepertiga dari kehilangan panas dari orang yang beristirahat adalah karena penguapan. Ternyata perpindahan massa sejalan dengan perpindahan panas dalam banyak hal, dan ada kemiripan erat antara hubungan panas dan perpindahan massa. Dalam makalah ini kita membahas mekanisme transfer massa dan mengembangkan hubungan untuk laju transfer massa untuk situasi yang biasa ditemui dalam praktiknya.
Kata Kunci : Perpindahan Massa, Benda, Mekanisme
ABSTRACT
Mass transfer is the flow of molecules from one bo dy to another when these bodies are in contact or within a system consisting of two components when the distribution of materials is not uniform. When a copper plate is placed on a steel plate, some molecules from either side will diffuse into the otherside. When salt is placed in a glass and water poured over it, after sufficient time the salt molecules will diffuse into the water body. A more common example is drying of clothes or the evaporation of water spilled on the floor when water molecules diffuse into the air surrounding it. Usually mass transfer takes place from a location where the particular component is proportionately high to a location where the component is proportionately low. But in this paper only transfer due to concentration gradient is discussed. However, many significant heat transfer problems encountered in practice involve mass transfer. For example, about one-third of the heat loss from a resting person is due to evaporation. It turns out that mass transfer is analogous to heat transfer in many respects, and there is close resemblance between heat and mass transfer relations. In this paper we discuss the mass transfer mechanisms and develop relations for mass transfer rate for situations commonly encountered in practice.
DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT ... i DAFTAR ISI... ii DAFTAR GAMBAR ... ii DAFTAR TABEL ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 1
1.3 Tujuan Pembahasan ... 1
II. PEMBAHASAN ... 2
2.1 Pengertian Perpindahan Massa ... 2
2.2 Sifat-Sifat Campuran Secara Umum ... 2
2.3 Perpindahan Massa Secara Difusi ... 3
2.4 Hukum Fick tentang Difusi ... 3
2.5 Difusi dan Equimolal ... 4
2.6 Perpindahan Massa pada Medium Stasioner ... 4
2.7 Difusi Satu Arah ... 5
2.8 Difusi pada Kondisi Unsteady ... 5
2.9 Perpindahan Massa Secara Konveksi ... 6
2.10 Persamaan Untuk Perpindahan Massa dan Panas ... 8
2.11 Contoh Soal ... 8 III. PENUTUP ... 9 3.1 Kesimpulan ... 9 3.2 Saran ... 9 DAFTAR PUSTAKA ... 9 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Diagram Tekanan Parsial ... 4
Gambar 2. Aliran Campuran Komponen A dan B ... 6
DAFTAR TABEL Tabel 1. Perpindahan Massa pada Kondisi Unsteady ... 5
KATA PENGANTAR
Pertama-tama mari kita ucapkan rasa syukur dan terima kasih kepada Allah SWT karena bantuan-Nya tim penyusun dapat menyelesaikan menulis makalah dengan judul “Perpindahan Massa” tepat pada waktunya.
Tujuan dalam penyusunan makalah ini adalah untuk memenuhi tugas yang diberikan oleh Ibu Retno Wulandari, selaku dosen dari perpindahan panas dan massa 2.
Dalam menyusun makalah ini, tim penyusun mendapatkan banyak tantangan dan rintangan, namun dengan bantuan dari banyak individu tantangan dan rintangan tersebut bisa teratasi. Oleh karena itu, tim penyusun mengucapkan terima kasih kepada semua individu yang telah membantu dalam proses penyusunan mak alah ini.
Tim penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna, baik dalam pengaturan maupun konten yang dibahas. Oleh karena itu, tim penyusun mengharapkan kritik dari pembaca agar dapat membantu tim penyusun dalam menyempurnakan makalah berikutnya. Terakhir namun bukan yang paling akhir, mudah-mudahan makalah ini dapat membantu pembaca untuk memperoleh lebih banyak pengetahuan tentang perpindahan massa.
Malang, April 2018
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah
Apa itu perpindahan massa? Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering melihat dan mengetahui peristiwa tentang perpindahan massa pada suatu keadaan sistem atau perpindahan panas pada sistem tertentu yang terjadi secara alami ataupun disengaja. Biasanya perpindahan massa terjadi dari lokasi di mana komponen terte ntu yang memiliki proporsional tinggi ke lokasi di mana komponen memiliki proporsional rendah (Bina Syifa, 2017). Contoh sederhananya, ketika garam ditempatkan dalam gelas dan air dituangkan ke dalam gelas, setelah beber apa saat, molekul garam akan berdifusi ke dalam molekul air. Hal ini dikarenakan garam memiliki proporsioal yang lebih tinggi daripada air (Desi Andrayani, 2015).
Selain itu,dalam dunia industri juga terdapat perpindahan massa, yaitu pada proses pembuatan bahan bakar minyak. Minyak mentah merupakan campuran yang kompleks dengan komponen utamaalkana dan sebagian kecil alkena, alkuna,
siklo-alkana, aromatik, dan senyawa anorganik. Untuk memisahkan komponen-komponen tersebut dilakukan dengan cara destilasi bertingkat, yaitu proses pemisahan komponen minyak bumi berdasarkan titik didihnya (Rudi Maulana, dkk., 2018). Proses ini akan menghasilkan bahan bakar minyak yang bermacam-macam dan dapat digolongkan sesuai penggunannya.
Proses perpindahan, baik panas maupun massa perlu diperhitungkan dengan seksama yang sangat berguna bagi skala industri sebab hal ini berkaitan dengan biaya yang dikeluarkan dalam satu siklus industri, dan perhitungannya pun diusahakan serinci mungkin. Selain itu, Perpindahan massa juga merupakan salah satu mata kuliah di jurusan Teknik, utamanya pada jurusan Teknik Mesin yang berhubungan dengan perancangan mesin dan alat. Karena masuk pada ranah teknik, maka tentu saja mata kuliah ini berhubungan dengan perhitungan.
Dalam makalah ini, akan dibahas tentang perpindahan massa. Namun dalam hanya perpindahan massa yang disebabakan oleh gradien konsentrasi yang akan dibahas., walaupun pada kenyataanya banyak masalah perpindahan panas yang melibatkan perpindahan massa. Selain itu makalah ini juga membahas mekanisme transfer massa dan mengembangkan hubungan untuk laju transfer massa untuk situasi yang biasa ditemui dalam praktiknya.
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud perpindahan massa?
2. Apa itu Hukum Fick dan bagaimana persamaannya?
3. Bagaimana persamaan untuk perpindahan massa dan panas? 1.3 Tujuan Pembahasan
1. Dapat memahami dan mengerti tentang perpindahan massa. 2. Dapat memahami dan mengerti Hukum Fick tentang difusi.
3. Dapat memahami dan mengerti persamaan untuk perpindahan massa dan panas.
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Perpindahan Massa
Perpindahan massa adalah suatu aliran molekul dari satu benda ke benda yang lain ketika benda-benda ini bersentuhan atau dalam suatu sistem yang terdiri dari dua komponen ketika distribusi bahan tidak seragam. Ketika pelat tembaga ditempatkan pada pelat baja, beberapa molekul dari kedua sisi akan berdifusi ke sisi yang lain. Ketika garam ditempatkan dalam gelas dan air dituangkan ke dalam gelas, setelah beberapa saat, molekul garam akan berdifusi ke dalam molekul air. Contoh yang lebih umum adalah pengeringan pakaian atau penguapan air yang tumpah di lantai ketika molekul air menyebar ke udara di sekitarnya. Perpindahan massa terjadi dari lok asi di mana komponen yang memiliki proporsional tinggi ke lokasi komponen proporsional rendah.
2.2 Sifat-Sifat Campuran Secara Umum
Dalam campuran yang terdiri dari dua atau lebih bahan, massa per satuan volume dari setiap komponen disebut konsentrasi massa. Jika ada dua komponen A dan B, maka konsentrasi massa A adalah :
sedangkan untuk konsentrasi massa B adalah :
Konsentrasi massa total adalah ma + mb, yang juga merupakan densitas campuran. Konsentrasi massa juga dapat din yatakan dalam bentuk densitas individu dan total campuran :
di mana, pa adalah densitas komponen A dab pb adalah densitas komponen campuran.
Sedangkan untuk menyatakan konsentrasi dalam berat molekul komponen dapat dilakukan dengan cara seperti berikut.
Fraksi mol (Na) dapat dinyatakan :
Number of Mole atau Jumlah Mol didapat dari massa/berat molekul. Untuk gas :
atau Radalah konstanta universal untuk gas konstan.
Jika terdapat suhu pada T maka persamaan menjadi :
di mana :
Caadalah konsentrasi mol A pada campuran. Paadalah tekanan A pada campuran.
PTadalah tekanan total campuran.
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
3
2.3. Perpindahan Massa Secara Difusi
Perpindahan massa secara difusi terjadi tanpa g erakan massa makroskopik atau pencampuran. Gumpalan gula yang jatuh ke dalam secangkir teh akan larut dengan difusi. Tetapi akan membutuhkan waktu lama agar gula mencapai semua volume dalam cangkir. Namun itu akan menyebar ke volume secara perlahan. Seperti pada sebuah ruangan di mana dua gas yang berbeda pada tekanan dan suhu yang sama dipisahkan oleh penghalang tipis. Ketika penghalang dihapus, gas akan mulai menyebar ke masing-masing volume lainnya. Setelah beberapa waktu, kondisi campuran seragam yang stabil akan tercapai.
Jenis difusi ini dapat terjadi pada benda padat j uga. Tingkat padatan akan sangat lambat. Difusi dalam situasi ini terjadi pada tingkat molekuler dan persamaan yang mengatur mirip dengan konduksi panas di mana perpindahan energi terjadi pada tingkat molekuler. Hukum dasar yang mengatur perp indahan massa pada tingkat difusi molekuler dikenal sebagai hukum Fick. Hukum ini mirip dengan hukum konduksi panas Fourier. Dalam perpindahan massa, jumlah molal lebih mudah digunakan dibandingkan dengan unit massa, karena perpindahan massa disebabkan oleh pergerakan molekul sebagai kuantitas yang terpisah. Oleh karena itu akan lebih mudah untuk menggunakan jumlah mol, atau konsentrasi molar bukan densitas dan sejenisnya.
2.4 Hukum Fick tentang Difusi
Hukum Fick dapat dinyatakan dalam rumus :
di mana, Naadalah jumlah molekul yang berdifusi dalam tiap luasan mol/m2detik. Dabadalah koefisien difusi dari A ke B m2/detik.
Caadalah konsentrasi mol A m3/detik.
adalah arah difusi.
Jumlah mol dikalikan dengan massa molekul ( berat molekul) akan mendapatkan nilai perpindahan massa dalam kg/detik.
Persamaan difusi massa umum untuk A dalam kondisi steady diberikan oleh persamaan :
Perubahan massa 'A' oleh reaksi kimia tidak dipertimbangkan dalam persamaan ini karena hanya meninjau molekul.
Nilai Dab untuk campuran tertentu tersedia dalam literatur. Sedangkan ada beberapan kasus yang menggunakan penamaanDba,tetapi perlu diketahui bahwa Dab = Dba.
(7)
4
2.5 Difusi dan Equimolal
Tekanan total yang dimiliki campuran adalah konstan. Oleh karena itu perbedaan tekanan parsial akan sama. Persamaan Fick saat diintegrasikan untuk volume yang miliki ketebalan L ditunjukkan oleh persamaan :
Ca1dan Cb1adalah konsentrasi mol pada bagian 1 dan Ca2 . Cb2adalah konsentrasi molekul pada bagian 2.
L adalah jarak antar bagian. Untuk gas :
2dan1merupakan jarak dari bagian, hampir sama halnya dengan
Gambar 1. Diagram Tekanan Parsial
2.6 Perpindahan Massa pada Medium Stasioner
Dalam difusi gas dari suatu wadah, ada difusi gas dari dalam ke luar tanpa molekul logam menyebar ke dalam gas. Dalam hal ini konsentrasi gas pada permukaan harus diketahui. Kelarutan gas pada permukaan menentukan konsentrasi mol di permukaan.
Sehingga dapat dirumuskan :
di mana R adalah resistansi difusi.
Untuk menentukan R dalam beberapa kasus adalah sebagai berikut : Dinding Datar : (9) (10) (11) (12) (13) (14)
5
Silinder Berongga :
Silinder Pejal :
2.7 Difusi Satu Arah
Dalam kasus ini salah satu komponen berdifusi sementara yang lainnya diam. Dalam kondisi stabil, penyebaran massa harus diserap terus menerus pada batas. Dalam kasus-kasus tertentu hal ini tidak mungkin dilakukan. Contoh yang populer adalah air yang menguap ke udara. Dalam hal ini, seperti yang disebutkan sebelumnya, gerakan massa menggantikan udara yang cenderung berakumulasi pada antarmuka tanpa diserap, menyebabkan peningkatan laju difusi.
Persamaan difusi untuk gas dapat diturunkan dengan‘a’ sebagai medium difusi
dan P adalah tekanan total adalah sebagai berikut :
Pada keadaan liquid :
2.8 Difusi pada Kondisi Unsteady
Persamaan untuk Difusi pada Kondisi Unsteady satu dimensi adalah :
Semua persamaan konduksi panas untuk berbagai kondisi batas untuk kondisi Unsteady berlaku untuk perpindahan massa, dengan pengeculalian parameternya berbeda.
Tabel 1. Perpindahan Massa pada Kondisi Unsteady
(15)
(16)
(17)
(18)
6
2.9 Perpindahan Massa Secara Konveksi
Ketika komponen berkonsentrasi rendah mengalir di atas medium yang memiliki konsentrasi komponen tinggi, maka komponen ak an berdifusi ke dalam medium yang mengalir. Difusi dalam arah yang berlawanan akan terjadi jika tingkat konsentrasi massa komponen berbeda. Dalam hal ini lapisan batas mengembang dan perpindahan massa antarmuka terjadi oleh difusi molekul . Lapisan batas kecepatan digunakan untuk menentukan besarnya gesekan dinding. Lapisan batas termal digunakan untuk menentukan perpindahan panas konvektif. Demikian pula lapisan batas konsentrasi digunakan untuk menentukan perpindahan massa konvektif.
Gambar 2. Aliran Campuran Komponen A dan B
Gambar diatas menunjukkan aliran campuran komponen A dan B dengan konsentrasi konstan yang ditentukan di atas permukaan yang banyak akan komponen A. Sebuah lapisan batas konsentrasi mengembang. Gradien konsentrasi bervariasi dari permukaan ke aliran bebas. Di p ermukaan, perpindahan massa dilakukan melalui difusi.
Konveksi koefisien perpindahan massa (hm) ditentukan oleh persamaan berikut, di mana (hm) memiliki satuan m/detik :
Kondisi difusi pada permukaan dirumuskan oleh :
Dalam kasus di atas, jika yang digunakan mass flow persamaan kemudian menjadi:
(20)
(21)
(22)
7
Mirip dengan momentum dan persamaan energi, persamaan konsentrasi massa dapat diperoleh dengan :
Dengan persamaan yang sama untuk ketebalan lapisan batas untuk perpindahan massa batas dapat ditentukan. Ini mirip dengan perpindahan panas. Dalam hal ini, pada bagian bilangan Prandtl diganti dengan bilangan Schmidt menjadi :
Karena merupakan persamaan tak berdimensi maka persamaan menjadi :
Sh adalah bilangan Sherwood, diperoleh dari :
Dalam aliran Laminar Re < 2000 pada plat :
Pada aliran Turbulen Re > 5 x 105
Beberapa tetapan untuk aliran dalam tabung/tube. Laminar Re < 2000
Untuk konsentrasi massa dinding yang seragam : Sh = 3.66
Untuk fluks massa dinding seragam : Sh = 4.36 (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38)
8
Turbulent Re > 5 x 105
2.10 Persamaan Untuk Perpindahan Massa dan Panas
Hal ini dibuktikan dari persamaan antara persamaan konveksi panas dan persamaan konveksi massa untuk mendapatkan nilai (hm) yang akan digunakan untuk menentukan bilangan Lewis.
Banyak korelasi dalam perpindahan panas dapat diterapkan untuk perpindahan massa dalam kondisi yang sama, dengan mengganti nomor Nusselt dengan nomor Sherwood dan nomor Prandtl dengan nomor Schmidt.
2.11 Contoh Soal
Sebuah pipa berisi ammonia pada 1 bar dan bersuhu 40°C dialirkan kedalam tanki besar yang mengandung udara kering dengan tekanan 1 bar dan bersuhu 40°C untuk menghindari kenaikan tekanan. Pipa tersebut memiliki diameter dalam 5 mm panjang 5 m . Tentukan besar laju diffusi ammonia ke dalam tanki tersebut . (D = 0.28 × 10 –4 m2/s).
Jawab :
Karena sama-sama memiliki tekanan 1 bar, maka tekanan partialnya adalah 0.
Dalam tiap massa/kg menjadi :
Jadi, nilai laju diffusi ammonia ke dalam tanki tersebut adalah 1.263 × 10 –10 kg/s. (39)
(40)
BAB II PENUTUP 3.1 Kesimpulan
a. Perpindahan massa adalah suatu aliran molekul dari satu benda ke benda yang lain ketika benda-benda ini bersentuhan atau dalam suatu sistem yang terdiri dari dua komponen ketika distribusi bahan tidak seragam (dari lokasi di mana komponen yang memiliki proporsional tinggi ke lokasi komponen proporsional rendah).
b. Hukum Fick adalah hukum dasar yang mengatur perpindahan massa pada tingkat difusi molekuler. Rumus dari hukum Fick, yaitu :
c. Persamaan untuk perpindahan panas dan massa, yaitu :
3.2 Saran
Demikianlah makalah yang kami buat, semoga bermanfaat bagi yang membacanya. Tim Penyusun memohon maaf sebesar-besarnya apabila ada kesalahan dalam penyusunan kata dan kalimat yang tidak jelas, susah dimengerti, dan lugas. Kami juga sangat mengharapkan yang membaca makalah ini akan bertambah motivasinya dan menggapai cita-cita yang di inginkan, karena kami membuat makalah ini mempunyai arti penting yang sangat mendalam. Sekian penutup dari kami semoga berkenan di hati dan kami ucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya.
Dalam makalah ini yang dimana membahas Mass Transfer atau Perpindahan
Massa dirasa masih kurang. Seperti dalam penerapannya dan juga pemberian kasus dirasa masih kurang. Hal ini dikarenakan masih kurangnya ilmu dan wawasan tim penyusun makalah. Begitu juga dengan beberapa konstanta secara lengkap tidak dapat ditampilkan dalam makalah inisehingga tim penyusun menyarankan untuk melihat dari sumber utama penyusunan makalah ini yang terdapat dalam daftar pustaka. Oleh karena itu, tim penyusun menyarankan untuk pembaca agar meninjau sumber-sumber lain, seperti di bawah ini :
A. F. Mills. Basic Heat and Mass Transfer. Burr Ridge, JL: Richard D. Irwin, 1995. A. H. P. Skelland. Diffusional lvfass Transfer. New York: John Wiley & Sons, 1974.
W. M. Kays and M. E. Crawford. Convective Heat and Mass Transfer. 2nd ed. NewYork: McGraw-Hill, 1980.
(1)
(2)
10
DAFTAR PUSTAKA
Andrayani, Desi. 2015. Prototype Pengolahan Air Laut Menjadi Air Minum (Studi Perpindahan
Massa Difusi pada Packing Filter ), (Online),
(http://eprints.polsri.ac.id/1883/2/02.%20BAB%20I.pdf), diakses tanggal 28 Maret 2018. Cengel, Yunus. 2006. Heat And Mass Transfer A Practical Approach-3rd Edition (hlm.
773-840). Singapura : Mc Graw Hill.
Kothandaraman,C.P. 2006. Heat and Mass Transfe-revised-3rd Edition (hlm. 656-701). New Delhi: New Age International Publisher.
Syifa, Bina. 2017. Perpindahan Massa, (Online),
(https://www.binasyifa.com/959/39/27/perpindahan-massa.htm), diakses tanggal 28 Maret 2018.
Maulana, Rudi, dkk. 2018. Proses Pengolahan Minyak Bumi dengan Destilasi Bertingkat , (Online), (https://surabaya.proxsisgroup.com/proses-pengolahan-minyak-bumi-dengan-distilasi-bertingkat/), diakses tanggal 28 Maret 2018.
