Kualitas energi - Teknik Kimia UNDIP

HUKUM I TERMODINAMIKA
 Energy and matter cannot be created or destroyed
nor produced or consumed.
 There are no sources or sinks for energy and
matter.
 Energy and matter can only be converted into
different forms.
HUKUM II TERMODINAMIKA
 Energi dan benda dapat diubah ke bentuk lain dengan
mengkonsumsi KUALITAS energi/benda tersebut.
 Kualitas dapat ditingkatkan; akan tetapi hal ini hanya
dapat dilakukan dengan “biaya” besar yang berupa
penurunan kualitas yang lebih besar di tempat lain.
 Menurut Hukum II Termodinamika, kualitas energi
selalu menurun setiap energi digunakan dalam suatu
proses.
 “Kualitas energi” disebut EKSERGI.
 Eksergi suatu sistem adalah jumlah maksimum energi
yang dapat diubah menjadi usaha/kerja hingga sistem
tersebut mencapai keadaan keseimbangan dengan
lingkungan.
 Menurut Hukum II Termodinamika, energi termal
tidak dapat digunakan sepenuhnya / tidak dapat
diubah 100% menjadi usaha karena kita berada di
lingkungan dengan tekanan dan temperatur
atmosferis.
Eksergi diukur secara relatif terhadap keadaan keseimbangan dimana tidak ada gradien apapun (temperatur,
tekanan, density, komposisi kimia, medan gravitasi dan
elektro-magnetik).
Eksergi dari suatu subsistem adalah ukuran seberapa besar
“jarak”-nya dari keseimbangan
• Eksergi mekanik = EK
• Eksergi termal = Q
Konsep ini sangat penting dalam perancangan mesinmesin yang efisien energinya
Gambar bahan bakar yang terbakar
Panas pembakaran (enthalpy) dari bahan bakar kurang
lebih sama dengan kandungan ekserginya
Untuk senyawa bukan bahan bakar, eksergi kimia
merupakan suatu ukuran untuk membedakannya
dengan lingkungan sekeliling.
Bahan tambang kualitas tinggi memiliki kandungan
eksergi lebih tinggi daripada yang kualitasnya rendah,
sehingga diperlukan energi untuk meningkatkan
kualitasnya.
Eksergi juga merupakan suatu konsep yang penting untuk
memahami proses-proses yang terjadi dalam kehidupan.
Struktur-struktur yang sudah mati akan berubah menjadi
struktur yang terorganisir dan dapat berkembang (hidup)
dengan cara mengubah dan menghancurkan sebagian
eksergi
Alam menciptakan keadaan yang jauh dari keadaan
keseimbangan di Bumi melalui design ulang tanpa henti
terhadap lingkungan dengan tenaga yang berasal dari
eksergi sinar matahari
Eksergi merupakan selisih enthalpy bebas (energi
Gibbs) antara pembawa energi dengan senyawa
referensi di lingkungan alam
Air laut memiliki U ataupun H yang luar biasa besar,
akan tetapi kita tidak bisa memanfaatkannya karena
berada dalam keseimbangan dengan lingkungan alam.
afinitas air laut terhadap lingkungan bumi = 0
Eair laut = 0
Senyawa pada T > Tatm atau T < Tatm mengandung
sejumlah energi yang dapat diubah menjadi kerja,
sehingga E > 0
Gas pada P > Patm atau P < Patm  E > 0
Energi dari alam semesta selalu konstan, tetapi eksergi selalu
berkurang.
Hal ini dapat digambarkan dengan tube pasta gigi.
Jika kita membeli energi dari PLN, sebenarnya yang kita
beli adalah eksergi.
Kalau lampu listrik yang kita nyalakan cukup besar, maka
lama kelamaan ruangan akan terasa hangat.
Kita tidak bisa mengambil kembali energi panas dari
ruangan dan mengembalikannya ke PLN untuk ditukar
dengan uang.
KONSUMSI EKSERGI DI ALAM
 Matahari menyinari seluruh permukaan bumi
dengan intensitas yang sama.
 Berbagai tempat di permukaan bumi memiliki
kualitas biologis yang berbda-beda, sehingga sifatsifatnyapun berbeda-beda.
 Hal ini berakibat pada perbedaan konsumsi
eksergi.
HUKUM II TERMODINAMIKA PADA HEAT ENGINE
EKSERGI SUATU SENYAWA
Eksergi fisik
Eksergi kimiawi
Berhubungan dengan:
• perubahan temperatur
(ekergi termal)
• perubahan tekanan (eksergi
tekanan, eksergi dinamis)
• perubahan konsentrasi
(eksergi pencampuran
Berhubungan
dengan perubahan
komposisi kimiawi
senyawa
EKSERGI DAN PANAS
Sumber panas
pada temperatur tinggi T
Q
Kerja yang dilakukan:
Q
E  Wrev
T  T0
 Q  Q0  Q
T
Q0
Lingkungan pada temperatur rendah T0
Konversi panas Q menjadi kerja Wrev melalui suatu reversible heat
engine antara temperatur tinggi T dan temperatur lingkungan T0
Energi termal, Q0 = Q – E = Q (T0/T), yang dilepaskan dari
mesin ke sekeliling pada temperatur T0 tidak dapat
dimanfaatkan, dan itu disebut anergi:
Anergi = Energi – Eksergi
Efisiensi dari het engine yang beroperasi secara reversibel, rev
(= Wrev/Q), menyatakan energy availability Q dari sejumlah
panas Q pada temperatur T:
Wrev E
T0
Q 
 1
Q
Q
T
Jika heat engine beroperasi secara irreversibel, maka jumlah
kerja, Wirr, yang diperoleh dari sejumlah energi termal Q lebih
kecil daripada jumlah maksimum kerja, Wrev, dan tentu saja
lebih kecil daripada eksergi (E) dari energi termal Q pada
temperatur T :
Wirr  E  E irr  Wrev
EKSERGI DAN TEKANAN
P0
P0
Wrev   P dV
P
Kerja yang dilakukan adalah
melawan tekanan atmosferis
P0, yaitu kerja untuk memindahkan sejumlah tertentu gas atmosferis.
V
P
V0
P0
Kerja ini tidak dapat digunakan, sehingga available work
ekivalen dengan eksergi E
dan lebih kecil daripada Wrev
Tekanan P
Temperatur T0
P0
Wrev   P  P0  dV
P
Tekanan lingkungan P0 dan temperatur T0
Eksergi dari gas pada tekanan tinggi P yang mengalami ekspansi
ke tekanan rendah P0 pada temperatur konstan T0
Jika P >> P0  Wrev  E
Persamaan gas ideal pada temperatur konstan T0:
PV = nRT0
P dV + V dP = 0
V 
 nRT0 
dV     dP    2  dP
P
 P 
P0
dP
P
 nRT0 ln
P0
P P
E  Wrev   nRT0 
Eksergi molar dari gas yang mengalami proses perubahan
tekanan adalah:
P
  RT0 ln  T0 s  s0 
P0