06 neraca energi

55
NERACA ENERGI (Energy Balance )

Upload: castiqliana-luo

Post on 25-Nov-2015

674 views

Category:

Documents


117 download

TRANSCRIPT

  • NERACA ENERGI (Energy Balance)

  • NERACA ENERGI(Energy Balance)Literatur :Reklaitis, G.V., 1983Himmelblau, D.M., 1994Felder, R.M. & Rousseau, R.W., 1986Defenisi dan IstilahPerumusan Neraca EnergiSatuan Energi dan DayaPersamaan Neraca Energi Makroskopik

  • 7.1. Defenisi Istilah

    UmpanProduk bawahAir PendinginProduk atasSistemSteamKondensatAir pendingin outSeparatorMenara DestillasiKondensorHEPompa

  • heaterpompaprodukumpanReaktor merupakan objek analisis (sistem)reaktorAir pendinginsistem

  • Sistem (system) :Yaitu : Bagian dari alam semesta (universe) yang tercakup dalam batas-batas lingkup analisis atauSejumlah zat/ campuran zat yang sifat-sifatnya (kelakuan-nya) dipelajari Lingkungan/ environment/surrounding :Yaitu : Bagian dari alam semesta (universe) yang berada di luar batas-batas sistem

  • Penggolongan Sistem :Sistem tertutupSistem Tertutup (closed system), yaitu Bila tidak ada aliran dan/atau pertukaran massa antara sistem dan lingkungan Contoh : sejumlah zat dalam wadah tertutup reaktor batch2. Sistem terbuka3. Sistem diisolasi/ tersekat

  • Sistem Terbuka (open system), yaitu Bila terdapat aliran dan/atau pertukaran massa antara sistem dan lingkungan Contoh : atau, antara sistem & lingkungan terjadi pertu-karan massa dan/atau energi reaktor/ unit operasi yg mengalir secara kontinu wadah terbuka yg berisi sejumlah zat

  • Sistem Tersekat/ diisolasi, yaitu Bila tidak ada aliran massa dan/atau energi antara sistem dan lingkungan air dalam botol termos ideal reaktor batch adiabatisContoh :

  • Sifat / property Materi : Jenis sifat/ property bahan : Sifat Intensive Sifat Ekstensive Mis. : tekanan, volume, temperatur, dllYaitu : Karakteristik materi yang dapat diukur.

  • Sifat Ekstensive : Harganya berbanding lurus dengan kuantitas zat dalam sistemMassa, volume, jumlah mol (atau laju alir massa, laju alir molar, laju alir volume)Contoh : Ek ; Ep; Energi-dalam (U), entalpi atau (laju perpindahan besaran ini dalam aliran kontinu)

  • Contoh : Sifat Intensive : Harganya tidak bergantung pada kuantitas zat dalam sistemTemperatur, tekanan, densitas, fraksi molSifat-sifat spesifik zat , seperti : Spesifik volum, = 1 / (Volum/sat massa) Energi-dalam spesifik, () ; (energi/massa) Energi kinetik spesifik, Energi potensial spesifik, Entalpi spesifik,

  • Bila 1 L zat campuran A & B dan 2 L campuran A & B masing masing dengan kadar zat-A, maka bila kedua campuran tersebut dicampur, maka kadar A dalam campuran akhir tetap = XA

    Contoh : 1 LKons. A = XA+2 LKons. A = XA=3 LKons. A = XA

  • 7.2. Perumusan Neraca EnergiSistem/alatVolume (V)Aliran massaAliran massamasukkeluarKalor, QKerja, W

  • Persamaan Neraca Energi. dalam (satuan energi)akumulasiHarus diketahui :Harus diketahui :Bentuk energi masuk/ keluarMekanisme bagaimana energi masuk/keluar (mekanisme transfer)Bentuk energi yg terdapat dlm sistemBagaimana suatu bentuk energi berubah ke bentuk lain/ energi transisi

  • Bentuk-bentuk Energi yg terkait dengan massa Energi Kinetik, EK Yaitu : Energi yg dimiliki suatu sistem karena kecepatannya relatif terhadap bidang referensi

    Energi Kinetik, EK Energi Potensial, Ep Energi - dalam, UEnergi kinetik totalEnergi kinetik per-satuan massadimana : m = massa fluida; v = laju gerak linear

  • Contoh Soal :

    D = 3,0 cmQ = 0,001 m3/sAir = 1000 kg/m3Tentukan EK dari aliran air ? Basis perhitungan : Q = 0,001 m3/sLuas penampang,

    kec. alir,

    laju alir massa,

  • maka :

  • Energi Potensial, Ep Yaitu : Energi yg dimiliki suatu sistem berkaitan dengan kedudukan sistem bermassa relatif terhadap bidang referensi, bila sistem tsb. berada dalam medan gravitasi yang uniform

    m = massa sistem z = Posisi sistem g = kuat medan ravitasi Ep = Energi potensial total = Energi potensial/ satuan massa

  • airstoragez = 40 ftContoh :Bidang referensiPompa

    atau

    Jawab :

  • Energi-dalam (internal energy), U

  • Kesimpulan :

    Untuk sistem khusus(Ep)e = energi medan listrik(Ep)m = energi medan magnetBila benda tsb. Berada dalam medan listrik/ magnet

  • Kalor, QKerja (work), WAliran MassaEfek Medan

  • Kalor (panas), Q Bila suatu benda bertemperatur TS ditempatkan dalam lingkungan bertemperatur Te (dimana TS > Te), maka suhu benda akan turun dan suhu lingkungan akan naik.

    Berarti terjadi perpindahan energi dari benda (sistem) ke lingkunganBentuk energi yang dipindahkan karena beda temperatur (T) disebut Kalor (bahang/ panas)Konvensi tanda (Reklaitis, G.V., 1983) :(+)Sistem menerima energi dari lingkungan dlm bentuk kalor(-)Sistem melepas energi ke lingk. Sebagai kalor

  • 1. Kerja poros (shaft work) Kerja (work), WBeberapa bentuk kerja :2. Kerja Ekspansi & Kompresi3. Kerja Fluida, (Wf)4. Kerja Elektrik, (Welektrik)mis. : rotor pompa, turbin, pengaduk, dllKonvensi tanda (Reklaitis, G.V., 1983) :(+)Sistem/ fluida melakukan kerja terhadap lingkungan(-)Sistem/ fluida menerima kerja dari lingkungan

  • 1. Kerja Poros, Kompresi & Ekspansi, WS

    Kerja , WHasil kali Gaya dan jarak lintasan benda yang dikenakan gaya tersebut= dV

  • Kerja Kompresi :V2 < V1dV = negatif (-)Energi sistem bertambah karena kerja kompresi oleh torak/ shaftJadi untuk sistem ini : Sistem menerima kerja; WS = negatif (-) Kerja Ekspansi :V2 > V1dV = positif (+)Jadi untuk sistem ini : Sistem melakukan kerja; WS = negatif (+) Energi sistem berkurang karena kerja ekspansi oleh torak/ shaft

  • Catatan :We < WSEnergi yang diterima lingkungan (We)Berlaku secara umum, karena ada kehilangan energiWe = WSBerlaku hanya bila proses ekspansi berlangsung secara reversible (artinya, setiap saat sistem & lingkungan berada dalam kesetimbangan

  • 2. Kerja Fluida, Wf

    Kerja fluida/ kerja aliran : Yaitu kerja yang diberikan aliran fluida terhadap sistemSistem menerima kerja, Wf,1 = (-)Sistem melakukan kerja, Wf,2 = (+)Bila : m1 = m2 = m :

  • Kesimpulan :

    Kerja Total, W = WS + Wf + Welektrik

    W = WS + (p2.V2 - p1.V1)

  • 7.4. Persamaan Neraca EnergiSistem tertutup/ non-flow process Hukum Dasar :Hukum Kekekalan energi / Hukum Konservasi Massa :

    Energi tidak dapat diciptakan/ dimusnahkan, hanya dapat berubah bentuk dan berpindah dari satu medium ke medium lainnyaSistem terbuka/ flow process

  • Sistem terbuka/ flow process

  • Persamaan Neraca Energi Total (Energi dibawa aliran massa)in/out(satuan energi),sFt

  • (Energi diserap sistem) sebagai kalor, Q(satuan energi),tCatatan :

  • (Energi keluar sistem) sebagai kerja, W(satuan energi),tCatatan :

  • (Akumulasi Energi Total)sistem :(satuan energi),V

  • Subtitusi pers (7-3a s/d 7.3f) ke (7-1) :Persamaan 7-4 dibagi dengan t :Bila t 0 dan bila : m1 = m2 = m = konstan, maka pers (7-5 ) :akumulasi

  • Sistem tertutup/ Non-flow processMis : Sistem proses Batch (input) = m1 = 0 (output) = m2 = 0

    Persamaan 7-6 menjadi :

    Karena dalam Pers (7-7) hanya 1 variabel bebas (dt), maka dt dapat dikeluarkan dari persamaan tsb., sehingga diperoleh :

  • maka :Catatan : untuk sistem tertutup, tidak ada kerja aliran (Wf = 0) W = WS + Wf W = WS . (7-9) atau, :0.. (7-9)

  • Catatan : untuk sistem tertutup/ kebanyakan sistem teknik kimia :EK = 0 sistem tidak bergerakEp = 0 ketinggian sistem ~ 0

    maka : (7-10)

    Pers (7-10)

    Bentuk umum Hukum I Thermodinamika untuk sistem tertutup

  • Catatan : untuk sistem tertutup, tidak ada kerja aliran (Wf = 0) W = WS + Wf W = WS . (7-9) Energi dalam (U) adalah Fungsi Keadaan (state function) : artinya : Nilainya tidak bergantung pada jalannya proses, hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir

    Q dan W bukan fungsi keadaan, jadi nilainya bergantung pada jalannya proses

    Keadaan 1Keadaan 2

  • Jenis Proses :Isoentalpi (H = 0)Volume konstanTemperatur konstanAdiabatis (Q = 0)Tekanan konstan

  • Fungsi Energi-Dalam (U) Bila tdk ada reaksi kimia/ komposisi bahan tidak berubahasTidak ada perubahan fasaPengaruh perubahan tekanan terhadap U sangat kecil / dapat diabaikanmaka :Dari thermodinamika,

  • Fungsi Energi-Dalam (U)maka :Suku dapat diset = 0, bila : Proses berlangsung pada volume konstan (dV = 0) Energi-dalam (U) tidak bergantung pada volume. Berlaku untuk : Fluida berupa : Gas ideal, atau Fluida incompresible

  • Fungsi Energi-Dalam (U)Bila Suku diset = 0, Pers. (7-13) menjadi :

  • Fungsi Entalpi (H) Bila tdk ada perubahan komposisi bahan/ reaksi kimia/Tidak ada perubahan fasaPengaruh perubahan volume terhadap H sangat kecil / dapat diabaikanHubungan Enthalpi (H) dengan energi-dalam (U) :H = Enthalpi sistem/ fluida, dan merupakan fungsi keadaanEnthalpi sistem pada keadaan awalEnthalpi sistem pada keadaan akhir

  • Fungsi Entalpi (H)maka :Dari thermodinamika, Persamaan (7-17) menjadi :

  • Suku dapat diset = 0, bila : Proses berlangsung pada tekanan konstan (dP = 0) Entalpi tidak bergantung pada tekanan. Misal : Gas pada tekanan konstan Padatan Liquid (cairan) di luar daerah kritisnyaFungsi Entalpi (H)Bila Suku diset = 0, Pers. (7-17a) menjadi : Dimana : CP : Kapasitas panas pada tekanan konstan

  • Contoh :1 lb air pada 70oF dimasukkan ke dalam sebuah tangki tertutup yang volumenya konstan. Jika temperatur dinaikkan hingga 800C dengan pemanasan, hitunglah : Q ; W ; U dan H untuk proses tersebut (dalam satuan Btu). Jika perbahan temperatur yang sama dicapai dengan pengadukan air tersebut, hitung : Q ; W ; U dan H untuk proses tersebut (dalam satuan Btu). Tuliskan asumsi-asumsi yang diperlukan.Penyelesaian :Diketahui : Sistem adalah sistem tertutupmH2O = 1 lbT1 = 70oF = 530oR = 21,1oC T2 = 80oF = 540oR = 26,67oC

  • Persamaan Neraca Energi sistem tertutup :WS = 0 (sistem tidak melakuan/ menerima kerja).. (A)

  • untuk proses dgn volume konstan0Karena fluida inkompresible :Pers (B) :

  • Entalpi Sistem :Fluida inkompresibel dan volume konstan00WS = 0sehingga :Q (+) = sistem mene rima kalor

  • Kasus 2 :Pemanasan menggunakan pengaduk (sistem tidak menerima kalor dari lingkungan, hanya karena pengadukan) :Tidak ada kalor masuk melintasi batas-batas sistem :Q = 0(C) - (D) :maka :Q = 0Persamaan (7-10) :

  • Contoh :2. Tuliskan dan sederhanakan persamaan neraca energi sistem tertutup untuk masing-masing proses berikut, dan nya takan bagaimana suku kerja dan kalor yang bukan nol dalam bentuk (+) atau (-).a. Isi dari flask tertutup dipanaskan dari 25oC menjadi 80oCJawab :W = 0 Tidak ada gerakan bagian atau pembangkitan arus.

  • W = 0 Tidak ada gerakan bagian atau pembangkitan arus.EK = 0 Sistem stasionerEP = 0 Tidak ada perubahan ketinggianQ>0 , karena panas (kalor) ditambahkan ke dalam sistem

  • Contoh :b. Flask dalam soal (a) diambil dari burner dan didinginkan kembali hingga 25oCJawab :W = 0 ; EK = 0 ; EP = 0 Bila fluida inkompresible :Karena ( Q < 0 ), maka kalor dikeluarkan dari sistem

    ************