MAKALAH PROSES INDUSTRI KIMIA “Unsteady State, Closed System” Di Susun Oleh: Arbainah (1809065017) Apriliyanti Redhani (1809065022) M. Aldi Gazali (1809065046) PROSES INDUSTRI KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MULAWARMAN 2019 Kata Pengantar Segala puja dan puji syukur kita panjatkan atas kehadiran Allah SWT, karena atas segala rahmat, hidayah dan inayah-Nya, kami dapat menyelesaikan makalah ini tepat pada waktu yang telah yang ditentukan sebelumnya. Shalawat serta salam tak lupa kita haturkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW beserta sahabat-sahabat dan para pengikut-pengikutnya yang telah berjuang menegakkan kalimat Laa ilaaha illallah. Dan semoga sampai kepada kita selaku umatnya yang senntiasa menaati ajarnnya. Makalah ini berjudul “Unsteady State and Closed System”. Dalam makalah ini membahas tentang devinisi neraca energi secara umum, sistem dan sistem lingkungan yang dimana mahasiswa diajak untuk mengenal secara menyeluruh walaupun sederhana. Semoga makalah ini dapat bermanfaat dalam pengetahuan bagi yang membacanya. Penulis berharap dapat menambah pengetahuan pembaca tentang konsep didalamnya. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran dari pembaca demi kesempurnaan makalah ini. Penulis mengucapkan banyak terima kasih. Samarinda, 22 September 2019 Penyusun i DAFTAR ISI Kata Pengantar.........................................................................................................i Daftar Isi.................................................................................................................ii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang..........................................................................................1 1.2 Rumusan Masalah.....................................................................................2 1.3 Tujuan Penulisan.......................................................................................2 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Neraca Energi Secara Umum....................................................................3 2.2 Neraca Energi untuk Sistem Tertutup (Closed System).............................4 2.3 Unsteady State...........................................................................................6 BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan..............................................................................................10 DAFTAR PUSTAKA ii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sebuah sistem adalah satu bagian alam semesta yang diberi perhatian dalam penyelesaian masalah. Bagian lain dari alam semesta yang mungkin dapat berhubungan dengan sistem dinamakan lingkungan (environment atau surrounding). Kontak sistem dengan lingkungan dapat berubah perpindahan massa, perpindahan energi atau perpindahan massa dan energi (Susanto, 2014). Sebuah sistem didefinisikan sistem terbuka, jika sistem tersebut menerima masukan massa atau melepaskan massa keluar sistem, walaupun jumlah uap komposisi massa dalam sistem mungkin tidak mengalami perubahan. Sebuah sistem disebut sistem tertutup jika sistem tersebut tidak mengalami pemasukan atau pengeluaran massa. Sebuah sistem tertutup mungkin mengalami pemasukan atau pengeluaran energi yang dapat berupa panas, kerja, atau listrik dan juga magnet. Sebuah sistem tertutup disebut sistem terisolisir, jika sistem tersebut tidak mengalami pemasukan dan pengeluaran massa dan energi dalam bentuk apapun. Sebuah sistem terbuka maupun tertutup didefinisikan sistem adiabatik, jika sistem tersebut tidak mengalami pemasukan atau pengeluaran energi dalam bentuk panas (Susanto, 2014). Energi dapat tersimpan dalam sebuah benda atau berpindah dari satu benda ke benda lain. Sifat milik benda digolongkan pada sifat ekstensif yang tergantung jumlah massa benda, dan intensif yang tidak tergantung pada jumlah massa benda. Contoh sifat intensif: temperatur, tekanan, densitas, dan kapasitas panas (Susanto, 2014). 1 1.2 Rumusan Masalah a. Apa yang dimaksud dengan neraca energi secara umum? b. Apa yang dimaksud dengan closed system dan unsteady state? c. Bagaimana proses yang terjadi dalam sistem tertutup? d. Bagaimana prinsip dalam unsteady state? e. Bagaimana cara energi sistem dapat bertambah atau berkurang? 1.3 Tujuan Penulisan a. Untuk mengetahui pengertian dari neraca energi secara umum b. Untuk mengetahui pengertian dari closed system dan unsteady state c. Untuk mengetahui proses yang terjadi dalam sistem tertutup d. Untuk mengetahui prinsip dalam unsteady state e. Untuk mengetahui cara energi sistem dapat bertambah atau berkurang 2 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Neraca Energi Secara Umum Secara umum neraca energi dapat dituliskan sebagai berikut : Akumulasi energi sistem = + Energi ditransfer ke dalam sistem Energi terbangkitkan - - Energi ditransfer keluar sistem Energi terkonsumsi Penurunan neraca energi suatu sistem aliran dapat direpresentasikan pada gambar dibawah ini, dimana sistem aliran adalah sistem terbuka. Aliran masuk dan keluar memiliki properties energi masing-masing, seperti energi dalam U, potensial E.P., dan kinetik E.K. Total energi untuk ketiga properties tersebut akan menjadi m (U + ½U2 + zg). Apabila dimasukkan nilai akumulasi dan energi lain, akan didapatkan persamaan neraca energi umum, dE = -∆[ m (U + ½U2 + zg)] + Q + Wother..................(2.1) dt dimana nilai dapat berarti usaha yang terjadi pada sistem. Pada gambar ini, usaha yang terjadi adalah usaha pada piston PV dan usaha sistem Wother, dan dengan pengertian H=U+PV, persamaan diatas menjadi : dE = E2 - E1 = -∆[ m (H + ½U2 + zg)] + Q + W............(2.2) dt 3 Inilah yang dikatakan sebagai neraca energi secara umum, yang dapat diterapkan dan divariasikan pada berbagai kondisi, seperti sistem tunak dan tak tunak. Gambar 2.1 Skematis kontrol volume dengan satu aliran masuk dan keluar (Moran dan Shapiro, 2004). 2.2 Neraca Energi untuk Sistem Tertutup (Closed System) Sistem tertutup (Closed System) adalah sistem yang tidak berhubungan dan tidak dipengaruhi oleh lingkungan luarnya. Ada pertukaran energi tetapi tidak terjadi pertukaran massa atau pertukaran kerja sistem dengan lingkungannya. Dalam sistem tertutup, massa yang berada dalam sistem tidak berubah dan tidak ada pertukaran massa benda antar sistem dengan lingkungannya tetapi tidak menutup kemungkinan volume benda dapat berkurang hal ini dikarenakan adanya perpindahan energi yang masuk dan keluar dari sistem, perpindahan energi biasa dalam bentuk panas (kalor) dan kerja (Berger, 2001). Jika suatu sistem memiliki interaksi dengan lingkungannya dan energi dapat melintasi batas sistem, namun energi tersebut bukan termasuk panas, maka dapat dipastikan bahwa energi tersebut merupa kerja. Sebagai contoh bentuk kerja antara lain kerja listrik, gravitasi, percepatan, dan lain-lain (Sudjito, 2014). 4 Pada sistem tertutup tidak ada aliran massa baik yang masuk maupun yang keluar sistem sehingga kita hanya perlu menuliskan neraca energi sistem, sebagai berikut: dE = E2 - E1 = -∆[ m (H + ½U2 + zg)] + Q + W.................(2.3) dt dE = E2 - E1 = Q + W......................................(2.4) dt Dimana akumulasi dE dapat dijabarkan sebagai akumulasi dari energi dt dalam sistem (∆U), potensial sistem (∆P) dan energi kinetik sistem (∆K). Dimana ∆ pada kondisi ini merupakan perubahan karena waktu t1 ke t2 . Sehingga persamaan diatas dapat ditulis sebagai : ∆U + ∆P + ∆K = Q + W...................................(2.5) Pada keadaan umumnya akumulasi potensial dan kinetik sangat kecil dibanding dengan akumulasi energi dalamnya, sehingga dapat diabaikan. Sehingga pada kondisi ini, persamaan neraca energinya adalah : ∆U = Q + W................................................(2.6) Oleh karena itu dapat ditarik kesimpulan, dimana pada sistem tertutup akumulasi energi hanya berasal dari perpindahan kalor dan transfer usaha saja. Perpindahan kalor terjadi apabila ada perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan dan juga antar muka sistem dan lingkungan tidak bersifat adiabatik. Gambar 2.2 Contoh sistem tertutup (Closed System) 5 Sedangkan kerja mekanik tidak berharga nol apabila pembatas (boundary) sistem berubah bentuknya sehingga sistem menghasilkan atau menerima kerja yang disebut sebagai kerja PV. Selain itu, dapat terjadi bila sistem menghasilkan akan menerima kerja melalui poros yang berputar atau melalui sistem mekanik lain seperti penggunaan pompa kondensor ataupun alat-alat lainnya (Smith dkk, 1996). 2.3 Unsteady State Suatu sistem berada dalam keadaan tak tunak apabila keadaannya mengalami perubahan terhadap waktu tertentu. Dimana Akumulasi pada sistem tidak bernilai nol, aliran masuk dan keluar tidak konstan, properti dalam sistem berubah (www.scribd.com). Neraca massa tak tunak mempunyai prinsip yang sama dalam persamaan neraca massa secara menyeluruh. Pada keadaan tak tunak (unsteady) menjelaskan adanya akumulasi bahan di dalam alat. Dengan kata lain, proses yang terjadi tergantung pada waktu. Setiap saat ada perubahan baik pertumbuhan maupun pengurangan bahan seiring dengan waktu yang berjalan (www.academia.edu). Neraca massa keadaan tak tunak seperti pada persamaan (1) yang ditulis kembali, yaitu : Massa masuk melalui pembatas - Massa keluar melalui pembatas Massa tumbuh dalam sistem + - Massa yang terambil dalam sistem = Akumul asi massa dalam sistem Jika terjadi reaksi kimia, maka neraca massa seperti persamaan 2, yaitu: (Akumulasi) = (massa masuk) - (massa keluar) (www.academia.edu). 6 Secara analogi, neraca energi makroskopik untuk sistem tertutup, Unsteady state dapat dituliskan: (Akumulasi energi di dalam sistem) = (energi yang masuk) - (energi yang keluar) ∆ (U + EP + EK)sistem = ∆E = Q + W........................(2.7) Kerja (W) dilakukan ke sistem Panas (Q) masuk ke sistem Energi sistem (U + EP + EK) = E (E bisa berubah terhadap waktu Gambar 2.1 Sistem tertutup, unsteady state dengan panas (Q) dan kerja (W). (tekkim.unnes.ac.id). Energi sistem dapat bertambah atau berkurang melalui cara berikut: 1. Energi yang terbawa dalam materi yang masuk atau keluar sistem. 2. Panas (Q) yang masuk atau keluar sistem melalui dinding sistem akibat perbedaan tempertaur sistem dengan lingkungan. 3. Kerja (W) yang berpindah melalui dinding sistem sebagai berikut: a. Perbedaan tekanan sistem dan lingkungan yang diwujudkan dengan perubahan volume sistem. b. Perbedaan tekanan lingkungan dengan sistem tempat masukan dan perbedaan tekanan sistem dengan lingkungan ditempat keluaran. c. Kerja poros yaitu yang berhubungan dengan peprindahan momentum antara sistem dengan lingkungan, misalnya kerja pompa, kompresor atau turbin. (Susanto, 2014). 7 Contoh soal: Natrium hidroksid dengan kadar 40% dialirkan ke dalam tangki dengan kecepatan 100 pada suhu 20oC. Larutan ini akan diencerkan menjadi 12%. Berapa air yang diperlukan setiap jamnya? Dan berapa kecepatan keluar dalam ? Jawab: Untuk dapat menyelesaikan soal di atas diperlukan data rapat larutan NaOH 40%. Data dapat diperoleh dari buku (handbook) Perry atau literatur lain dari buku Perry edisi 5, hal. 3-78 diperoleh data, pada suhu 20oC: r 40% NaOH = 1,4300 kg/L M2 Air segar sebagai pengencer Larutan pekat: 20oC M1: 40% NaOH Tangki M3 100 L/jam Pencampur Larutan encer 12% NaOH Basis: 100 larutan pekat masuk. Maka, massa larutan masuk = (1,43 ).(100 ) = 143 Neraca massa keseluruhan: M1 + M2 = M3 ……….(a) Neraca massa untuk komponen NaOH: NaOH masuk = NaOH keluar M1.xNaOH,1 = M2.0 + M3.xNaOH,3 ……..(b) Neraca komponen untuk air: M1.xair,1 + M2.1 = M3.xair,3 ……..(c) Dari persamaan (b) untuk NaOH: 143. 0,4 = 0 + 0,12 M3 M3 = 476,7 Dari persamaan (c) untuk air: 143. 0,6 + M2 = 476,7. 0,88 85,8 + M2 = 419,5 M2 = 333,7 8 Atau dengan menggunakan persamaaan (a) diperoleh: M2 = (476,7-143) = 333,7 . Rapat air = 1 , maka air segar yang dimasukkan sebesar 333,7 . Jika aliran keluar dinyatakan dalam kecepatan volum, L/jam, dengan persamaan (a) diperoleh: M3 = 100 + 333,7 = 433,7 9 BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan a. Neraca energi adalah persamaan matematis yang menyatakan hubungan antara energi masuk dan energi keluar suatu sistem yang berdasarkan pada satuan waktu operasi. b. Sistem tertutup (Closed System) adalah sistem yang tidak berhubungan dan tidak dipengaruhi oleh lingkungan luarnya. Sedangkan unsteady state adalah Suatu sistem berada dalam keadaan tak tunak apabila keadaannya mengalami perubahan terhadap waktu tertentu. c. Dimana pada sistem tertutup akumulasi energi hanya berasal dari perpindahan kalor dan transfer usaha saja. Perpindahan kalor terjadi apabila ada perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan dan juga antar muka sistem dan lingkungan tidak bersifat adiabatik. d. Pada keadaan tak tunak (unsteady) proses yang terjadi tergantung pada waktu. Setiap saat ada perubahan baik pertumbuhan maupun pengurangan bahan seiring dengan waktu yang berjalan. e. Energi sistem dapat bertambah atau berkurang melalui cara berikut: 1. Energi yang terbawa dalam materi yang masuk atau keluar sistem. 2. Panas (Q) yang masuk atau keluar sistem melalui dinding sistem akibat perbedaan tempertaur sistem dengan lingkungan. 3. Kerja (W) yang berpindah melalui dinding sistem 10 DAFTAR PUSTAKA Berger, D.J. 2001. Thermodynamics System. Bluffton. Moran, M.J., and H.N Shapiro. 2004. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 5nd ed. New York : Wiley. Smith, J.M., van Ness, H.C., and M.M. Abbott. 1996. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5th ed. New York : McGraw-Hill Sudjito, S. B. 2014. Hukum Termodinamika I: Sistem Tertutup. Dalam Diktat Termodinamika Dasar (hal. 19-28). Malang: Universitas Brawijaya. Susanto H. 2014. Neraca Massa dan Energi Dalam Rangkaian Sistem Pemroses Kimia. Bandung: Penerbit ITB An Nurul Islamiati. (2016, 15 Januari). Termodinamika. Diakses pada tanggal 12 September 2019 dari www.academia.edu Stefani Debby. (2017, 30 Mei). Neraca Massa Unsteady. Diakses pada tanggal 12 September 2019 dari www.scribd.com Teknik Kimia Universitas Negeri Semarang. (Maret 2014). Pengenalan Neraca Energi pada Proses Tanpa Reaksi. Diakses pada tanggal 12 September 2019 dari tekkim.unnes.ac.id 11
