3 TERMODINAMIKA & NERACA ENERGI TERMODINAMIKA ??? Termodinamika adalah cabang ilmu yang mempelajari transformasi energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya Termodinamika – ilmu yang berkaitan dengan perubahan bentuk atau lokasi energi disebut juga “dinamika energi” Proses termodinamika : melihat transformasi energi yang terjadi sebagai akibat dari proses Berapa banyak panas yang berevolusi selama proses? Apa yang menentukan proses secara spontan? Apa yang menentukan tingkatan proses? HUKUM TERMODINAMIKA HUKUM I TERMODINAMIKA “ energi dalam sistem terisolasi adalah konstan” atau “ energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat berubah dari bentuk satu ke bentuk lainnya” HUKUM II TERMODINAMIKA “ kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas” DESKRIPSI SISTEM Pembahasan tentang termodinamika dibatasi pada suatu daerah tertentu sistem Batasan sistem dapat nyata atau tidak nyata Daerah diluar sistem disebut lingkungan Terjadi perpindahan massa zat dan perpindahan energi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya massa Sistem lingkungan energi DESKRIPSI SISTEM Tipe sistem secara umum : 1. Sistem terbuka 2. Sistem tertutup 3. Sistem terisolasi massa Sistem energi Sistem Terbuka memungkinkan terjadinya pertukaran baik massa zat maupun energi antara sistem dengan lingkungannya Sistem Tertutup Tidak memungkinkan terjadi pertukaran massa zat antara sistem dengan lingkungannya tetapi masih memungkinkan terjadinya perpindahan energi Sistem Terisolasi Tidak memungkinkan terjadinya pertukaran massa zat maupun energi antara sistem dengan lingkungannya DESKRIPSI SISTEM KONDISI STEADY STATE massa zat akan tetap dan laju aliran panas yang masuk atau keluar dari sistem adalah konstan (tidak dipengaruhi oleh perubahan waktu) KONDISI UNSTEADY STATE massa zat dari sistem akan tetap, tetapi laju aliran panas dari sistem dipengaruhi oleh perubahan waktu. ENERGI DALAM SISTEM TERMODINAMIKA Energi yang terlibat dalam perpindahan energi dalam sistem termodinamika adalah energi yang dimiliki sistem (E), energi panas (Q), kerja (W), dan entalpi (H). Satuan energi Joule atau BTU Hukum Termodinamika I Q = ΔE + W Energi yang dimiliki sistem (ΔE) Sistem mempunyai 3 jenis energi : 1. Energi kinetik (EK) disebabkan oleh pergerakan dari sistem. Ex: energi untuk mengalirkan air didalam pipa 2. Energi potensial (EP) disebabkan oleh posisi dari sistem. Ex: air disimpan didalam tanki pada ketinggian tertentu 3. Energi dalam (U) disebabkan oleh pergerakan secara acak dari bahan pada kondisi tertentu, baik sebagai akibat dari pemanasan, reaksi kimia, atau energi nuklir Jumlah dari ketiga jenis energi tersebut terakumulasi menjadi total energi simbol E Energi Panas (Q) Energi panas (heat) energi peralihan dari satu benda ke benda lain yang disebabkan oleh adanya perubahan suhu Q = mCpΔT m : massa benda Cp : panas jenis ΔT : perubahan suhu Q positif : apabila panas ditambahkan ke dalam sistem Q negatif : apabila panas meninggalkan sistem Kerja (W) Kerja merupakan energi yang dihasilkan dari suatu gaya (F) yang bergerak pada suatu jarak (x) tertentu. Kerja juga dapat dinyatakan sebagai hasil kali dari tekan (P) dan perubahan volume (ΔV) W = F (x2 – x1) = P ΔV Entalpi (ΔH) Entalpi adalah perubahan energi yang berlangsung dalam sistem. Entalpi merupakan jumlah dari energi dalam dengan kerja. ΔH bernilai positif berarti terjadi penyerapan energi (bersifat endotermik), sedangkan ΔH negatif berarti terjadi pelepasan panas (bersifat eksotermik) ΔH = ΔE + PΔV + VΔP Pada kondisi volume tetap (ΔV = 0) : ΔH = ΔE + VΔP Pada kondisi tekanan tetap (ΔP = 0) : ΔH = ΔE + PΔV Panas Sensibel & Panas Laten Panas: Panas sensibel dan Panas Laten Panas Sensibel adalah jumlah panas yang menyertai perubahan 1 unit suhu per satuan massa Satuan Cp : (BTU/lb°F) atau (J/kgK) Panas laten adalah jumlah panas yang menyertai perubahan fase suatu benda yang berlangsung pada suhu tetap Panas laten dinyatakan dalam J/kg atau BTU/lb Panas laten pelelehan (AHfus ) Panas laten penguapan (AHvap ) ex : panas laten untuk perubahan fase cair uap atau dari cair es PERUBAHAN FASE AIR MURNI Diagram perubahan fase air dari padat, cair, dan uap sebagai pengaruh dari perubahan suhu dan tekanan PERUBAHAN FASE AIR MURNI Diagram perubahan fase air dari padat, cair, dan uap sebagai pengaruh dari perubahan suhu dan tekanan PERUBAHAN FASE AIR MURNI Diagram perubahan fase air dari cair menjadi uap Mula-mula zat akan meningkat suhunya sehingga mencapai titik didihnya ( dari T1 ke T) Kondisi dimana seluruh zat berada pada suhu/titik didihnya kondisi jenuh (saturated liquid) Zat akan mengalami perubahan fase pada suhu konstan (T), dimana secar a berangsur-angsur zat cair akan berubah menjadi uap. Pada fase transisi ini akan terdapat campuran antara zat cair dan uap (liquid-vapor mixture) Kondisi dimana zat berada pada fase uap pada suhu T dikatakan uap berada pada kondisi uap jenuh (saturated vapor) Apabila uap jenuh dipanaskan lagi sehingga meningkat suhunya menjadi T2 , maka uap akan mencapai kondisi yang disebut uap lewat jenuh (superheated vapor) Tabel Tekanan Uap Air Dalam proses pemanasan di industri pengolahan pangan sering digunakan air atau uap air (steam) sebagai media pemanas Air merupakan komponen penting dalam produk pangan, ketika produk pangan mengalami proses pemanasan atau pendinginan maka air dapat berubah wujud Tabel uap memberikan nilai energi (entalpi) yang dikandung air pada wujud cair atau uap atau pada kondisi transisi Tabel uap memberikan nilai entalpi air pada saat: cair jenuh/saturated liquid (hf ) campuran cair-uap/vapor-liquid mixture (hfg ) uap jenuh/saturated vapor (hg ) Satuan J/kg atau MJ/kg Tabel Uap dalam Satuan Metrik Tabel Uap dalam Satuan Inggris Contoh 1 Hitunglah besarnya energi yang diperlukan untuk merubah 1 kg air bersuhu 20°C menjadi uap lewat jenuh bersuhu 120°C. Diketahui panas jenis air 4.168 J/kg°C dan panas jenis uap air 1.884,8 J/kg°C (semua perlakuan berlangsung pada tekanan 1 atm) Jawaban Contoh 1 Panas yang dibutuhkan untuk mengubah air dari suhu 20°C ke 120°C ada 3 jenis, yaitu panas sensibel dari suhu 20°C ke 100°C (Q1), panas laten penguapan air pada 100°C (Q2) dan panas sensibel dari 100 ke 120°C (Q3) Q1 = mCpcΔT1 = (1)(4.168)(100-20) = 333.440 J Q2 = mhfg pada 100°C (Tabel uap) = (1)(2,25692) = 2,25692 MJ = 2.256.920 J Q3 = mCpuΔT2 = (1)(1.884,8)(120-100) = 37.696J Total energi (Q) yang dibutuhkan untuk memanaskan air dari 20°C menjadi uap air pada 120°C Q = Q-1 + Q2 + Q-3 = 333.440 + 2.256.920 + 37.696 = 2.628.056 J = 2,628 MJ soal 1 Hitunglah besarnya energi yang diperlukan untuk merubah 5 kg air bersuhu 30°C menjadi uap lewat jenuh bersuhu 130°C. Diketahui panas jenis air 4.168 J/kg°C dan panas jenis uap air 1.884,8 J/kg°C (semua perlakuan berlangsung pada tekanan 1 atm) Neraca Energi HUKUM TERMODINAMIKA I Konservasi energi Kesetimbangan energi masukan Energi masuk Sistem = Energi keluar keluaran + Akumulasi Kondisi steady state = tidak terjadi akumulasi Energi masuk = energi keluar Langkah penyusunan neraca energi = Langkah penyusunan neraca massa 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Gambarlah diagram proses, termasuk pemberian data informasi tentang kecepatan aliran dan komposisinya. Tunjukkan batas-batas dari sistem dengan garis-garis putus dan pilihlah basis perhitungan yang sesuai. Berikan simbol pada besaran-besaran yang tidak diketahui dan harus ditentukan. Susunlah hubungan neraca energi untuk konstituenkonstituen yang dinyatakan dalam besaran yang diketahui dan besaran yang tidak diketahui. Selesaikan besaran aljabar yang tersusun untuk mendapatkan besaran-besaran yang tidak diketahui. Gunakan juga suhu referensi dalam proses perhitungan bila diperlukan Periksa jawaban yang diperoleh. CONTOH SOAL 1 Hitung air yang diperlukan untuk mensuplai alat pindah panas (heat exchanger) yang digunakan untuk mendinginkan pasta tomat (100 kg/jam) dari 90 K ke 20 K. Pasta tomat: 40% padatan. Diketahui panas jenis air = 4.187 J/kgK dan panas jenis pasta tomat adalah 2.846,76 J/kgK. Naiknya suhu air pendingin ≤ 10 K 20 K 90 K T2 (T2 > T1 ; T2 –T1 ≤10K) T2 = T1 + 10 K JAWABAN CONTOH SOAL 1 Misal : T1 = 20 K Tref : 20 K 20 K 90 K T2 = 30 K T2 (T2 > T1 ; T2 –T1 ≤10K) T2 = T1 + 10 K= 30 K Panas yang masuk panas yang keluar Q1 Q 3 Q 2 Q 4 Panas yang masuk : J 90 20K 19,93 10 6 J Q1 mC p ΔT 100kg 2846,76 kgK J 20 20K 0 Q 3 mC p ΔT W kg 4187 kgK JAWABAN CONTOH SOAL 1 Panas yang masuk panas yang keluar Q1 Q 3 Q 2 Q 4 Panas yang keluar : J 20 20K 0 Q 2 mC p ΔT 100kg 2846,76 kgK J 30 20K 41.870W J Q 4 mC p ΔT Wkg 4187 kgK Dengan menggunakan persamaan energi: Q1 + Q3 = Q2 + Q4 19,93 106 J + 0 = 41.870W J 19,93.10 6 W 475,9 kg 41.870 Latihan Tabel Uap TERIMA KASIH SELAMAT BELAJAR
