TERMODINAMIKA I

Ir. Deddy Kurniawan Wikanta, MM

Literature

Van ness, Smith. Chemical Engineering Thermodinamics edition V. MC Graw Hill: New York

Daubert, Thomas. Chemical Engineering Thermodinamic . MC Graw Hill: New York

BG. Kyle. Chemical and Process Thermodinamics 2nd Edition. Prentice-Hall Inc: London

PendahuluanTERMODINAMIKA merupakan ilmu yang mempelajari tentang perubahan sifat benda pada keadaan sistem yang melibatkan perubahan energi internal. Termodinamika adalah suatu landasan untuk memahami dan melakukan rekayasa proses kimia

Bahasan Termodinamika:

1.Termodinamika Macroscopic (clasical TD)

2.Termodinamika Microscopic (Statistical TD)

• Aplikasi Termodinamika untuk beberapa masalah nyata dimulai dengan mengidentifikasi kumpulan fakta dari bahan yang diamati dan lingkungannya.

• Kumpulan bahan ini disebut sistem• Sistem : Bagian dari alam yg diamati dan

dipelajari keadaannya• Lingkungan : Bagian dari alam yg ada disekitar

sistem • Ada 2 jenis kontak Pertukaran Energi :

1.Kontak mekanik

2.Kontak termik

Besaran Termodinamika:• E/U : Energi Internal• H : Entalpi• S : Entropi• G : Energi Gibbs• A : Energi Helmholts

• Q : Kalor• W : Kerja• Ek : Energi Kinetik• Ep : Energi Potensial

Dengan mengidentifikasi berbagai jenis Energi diatas,maka Termodinamika menyelesaikan masalah proses suatu peralatan yg melibatkan energi reaksi kimia, kerja mesin, perubahan fisik seperti perubahan fase, kompresi, kerja mekanik, dll.

Ruang Lingkup Termodinamika• Proses : perubahan keadaan sistem yg

menempuh suatu lintasan tertentu dengan adanya Driving force/ Gaya Dorong.

• Proses Siklus :Perputaran proses yang pada keadaan akhir dari proses sama dg keadaan awal sebelum proses berlangsung.

• Proses berdasarkan lintasan:

- Proses Isobar - Proses Isentropik

- Proses Isotermik - Proses Adiabatik

- Proses Isometrik/Isokhorik

• Suatu proses dapat berlangsung reversibel, ireversibel atau sistem pada kesetimbangan.

Kesetimbangan sistem (Equilibrium)-dapat terjadi bila :

1. tidak ada proses

2. sistem tidak berubah

3. ada perubahan tp kembali ke keadaan awal

Proses Reversibel Proses Ireversibel• Berlangsung lambat •Berlangsung cepat

•Driving Force kecil •Driving Force Besar

•Perpindahan Panas : dT=0

•Perpindahan Massa : dP=0;dC=0

Hk. Termodinamika ke Nol

Menyatakan bahwa:

“ jika 2 buah sistem yang terpisah berada dalam keadaan setimbangan termal dengan sistem yg lain (sistem yg ke tiga), maka kedua sistem tersebut juga berada dalam kesetimbangan termal”

Maka:- Temperatur merupakan salah satu variabel yg

berpengaruh pada suatu sistem kesetimbangan- Hukum TD 0 Ini juga disebut sebagai Hk. Tentang

derajat panas yang dimiliki oleh suatu benda/sistem

Temperatur (T)

Suatu besaran/ukuran yg menyatakan panas dan dinginnya suatu benda, serta menentukan arah perpindahan kalor dari temperaturnya tinggi ke temperatur rendah.

Konversi Skala Temperatur:

T(ºC) = (T-273,15) ºKT(ºR) = 1,8 x T ºKT(ºF) = T(ºR) -459,67T(ºF) = 1,8T ºC + 32

PRESSURE (Tekanan)

Tekanan (P) yg mendorong fluida ke permukaan didefinisikan Gaya normal pendorong dari fluida tiap satuan luas permukaan.

Ket: P=tekanan (N/m2)

F=gaya (N)

A=luas permukaan (m2)

P = F/A = m g /A

PANAS (Q) &KERJA (W) Merupakan bentuk energi dalam transisi, artinya

bahwa tidak ada suatu sistem yang mengandung panas/kerja.

Tetapi suatu sistem/benda dapat di kenai kerja/panas ataupun melepaskannya.

Bila kita memegang benda terasa panas, berarti benda itu sedang melepaskan panas ke lingkungan.

Sebaliknya jika benda terasa dingin, berarti benda tersebut sedang menyerap panas.

Suatu benda/sistem dikenai kerja bila benda tersebut diaduk,ditekan atau diekspansi.

PERCOBAAN JOULE

Suatu cairan dg suhu awal T0 diaduk, sehingga suhu cairan naik T0T1

Maka :

-Pengaduk akan memberi kerja(W) pd cairan

-Kerja(W) dipakai cairan untuk menaikan energi dalam(U)

-Kenaikan energi internal ditandai dg perubahan suhu (Δ T)

Percobaan I

Sistem=cairanLingkungan=pengadukanKerja W= nilai +

Suatu Bejana yang dindingnya diberi isolasi dan diaduk

Dinding diberi pendingin Suhu turun T1T2 Maka :

-Cairan melepas sebagian Energi dalam (U) dan dikeluarkan sebagai Kalor (Q) ke pendingin

-ΔU ditunjukkan dg perubahan suhu (Δ T)

Percobaan II

Sistem = cairanLingkungan = pendingin

Kerja W = nilai (-)

-Energi Panas yg ditransfer dari sistem kelingkunganKALOR(Q)

Dari Percobaan Joule didapat konsep Energi Dalam(U):

Adanya pengadukan berarti ada Energi Dalam yg sedang dimasukkan ke air/sistemSedangkan panas akan dipindahkan ke lingkungan (termometer)Ini menunjukan ada korelasi antara panas Q dg kerja WTetapi tidak semua energi yg diterima sistem (air)dalam bentuk kerja W akan dilepaskan menjadi panas Q ke lingkungan (termometer)

Energi yg masih ada tertinggal dalam sistem (ditunjukan dengan peningkatan suhu termometer) disebut ENERGI DALAM (U)

Energi Internal (U) ΔU = n.C. ΔT (J/kg)

n = mol fluidaC = Kapasitas PanasΔT = Perubahan Suhu

Energi Internal berpengaruh pd: Gerak molekul fluida Interaksi antar molekul Interaksi atom penyusun molekul

Pada dasarnya suatu sistem awalnya telah mempunyai energi dalam, sehingga adanya kerja W yg dikenai pada sistem akan menambah energi dalam sistem tersebut.

ΔU = Q + W (J/kg) ΔU= Perubahan Energi Dalam Q = Panas dimasukkan (+)

panas dilepaskan (-) W= Kerja yg dikenai (+)

kerja yg dilakukan (-)

Energi Eksternal berpengaruh pd: Posisi suatu benda gerak benda

Besaran yg diukur: • Tekanan•Suhu•Densitas•fase benda•reaksi kimia

Energi Eksternal /Luar

Oleh karena itu, PV juga didefinisikan sebagai energi yg dimiliki suatu sistem. Gabungan U dan PV didefinisikan sebagai ENTALPHI (H)

H = ΔU + PV

Dalam kenyataan ada kerja yg dimanfaatkan manusia, sedang perubahan tekanan dan volume (PV) juga termasuk kerja yg dikenai/dilepaskan/berasal dr sistem tetapi digunakan secara langsung oleh manusia

SOAL:

1. Suatu bejana berisi air 20 m3 suhunya turun dari 30ºC menjadi 20ºC. Berapa Energi dalam air jika diketahui Cair=75 J/molºC?

2. Satu mol Oksigen dg volume awal 25 m3 dipanaskan pada tekanan 1 atm sehingga suhu naik dari 100ºC sampai 500ºC. Hitung perubahan Entalphi gas?

(jika 7 kal/molºC )

Penyelesaian:

1. Diket: m = 20 m3 x ρair

= 20 m3 x 1000 kg/m3 = 20.000kg = 2x107gr

Cair= 75 J/molºC

ΔT = T1-T2 = (30-20)ºC = 10ºC

ditanya: ΔU…?

jawab :

ΔU = 2x107gr x 75 J/molºC x 10ºC

18 gr/mol

= 83,33 107 Joule

ΔU = n.C. ΔT

2. Diket: n = 1 mol P = 11 atm = 1 x 105Pa

T1 = 100+273ºK = 373ºK

T2 = 500+273ºK = 773ºK

Cp O2= 7 kal/molºC

V1= 25 m3 V2…?

ditanya: ΔH…?

jawab:

ΔU = n.C. ΔT

H = ΔU + P. Δ V

= 1mol x 7 kal/molºC x 400ºC= 2800 Kal= 11704 J

V1/ V2 = T1/T2

V2 = V1.T2/T1

= 25 m3 x 773ºK 373ºK

= 51,8 m3

Δ T = T2-T1 = 773-373ºK= 400ºK

= 11704 J + 1 x 105Pa (51,8-25) m3

= 11.704 J + 2.680.000J= 2.691.704 J = 2691 kJ

Hk. Termodinamika IMenyatakan bahwa:

“ Meskipun energi memiliki berbagai bentuk, jumlah total energi adalah konstan, dan ketika energi menghilang dari satu bentuk sebenarnya energi itu akan menjadi bentuk yg lain secara bersamaan”

Hk. Termodinamika I disebut juga Hk. Kekekalan Energi / Hk. Konversi Energi

Bentuk-bentuk Energi sangat banyak, tetapi yg dibahas adalah yg berhubungan dengan Bidang Teknik Kimia.

Secara Umum energi terdapat dalam suatu massa, misal Energi Dalam (U), Entalphi (H), dapat juga Energi yg sedang berpindah Energi Dalam Transit (kerja W dan panas Q)

ΔE sistem + ΔE lingkungan = 0 ΔE sistem = ΔU, ΔEk, ΔEp

ΔE lingkungan = Q, W

Maka didapatkan persamaan:

Untuk Persamaan satuan massa:

ΔU+ΔEk+ΔEp = Q+W

ΔU = n. C. ΔTΔEk = ½ m. Δ v2

ΔEp = m. g. Δ h

Sistem tertutup tanpa aliran:V=0 ΔEk = 0Tanpa bidang elevasi:h=0 ΔEp = 0 Nilai Q atau W= + /- atau 0

Berdasarkan Interaksi antara sistem dan lingkungan, maka sistem dikelompokan sebagai berikut :

1.Sistem Terbuka

2.Sistem Tertutup

3.Sistem Terisolir/Tersekat

ΔU=Energi yg berkaitan dg keadaan mikroskopis benda, seperti atom, molekul, dan ikatan atom

Yang diperlukan dalam perhitungan adalah Δ U dan dapat ditunjukan dg ΔT atu perubahan faseNilai mutlak Energi Dalam tidak dapat ditentukan, biasanya diambil ketetapan nilai

T=0,01ºC ΔU=0 kJ/kg

W&Q yg ditransfer mempengaruhi Δ U

Sistem: sesuatu yg menjadi pusat perhitungan dan acuan dalam menganalisis suatu keadaan atau keperluan kalkulasi data.

Lingkungan/Surrounding : lingkungan diluar sistem yg mempengaruhi dan berinteraksi dg sistem.

Batas antara sistem dan lingkungan dapat nyata (berupa dinding isolasi) dan dapat juga imaginer.

ΔE sistem : Energi yg ditransfer dai atau ke lingkungan ΔE lingkungan : Energi yg dimiliki suatu benda baik

karena keadaan mikroskopik maupun makroskopik

(+) masuk/ditransfer ke sistem Q/W (-) keluar/ ditransfer dari sistem

(0) tidak ada transfer dari/ke sistem

Keseimbangan energi untuk Sistem Tertutup

Jika batas suatu sistem tidak dapat mentransfer bahan antara sistem dan lingkungannya, massanya tetap sistem ini dikatakan sebagai Sistem Tertutup

Sistem tertutup dinyatakan sebagai kerja yg diakibatkan oleh beda tekanan/perubahan volume

Selama tidak ada aliran masuk dan keluar pada sistem tertutup, tidak ada Energi Dalam yg transfer dari sistem, semua energi antara sistem tertutup dan lingkungan dibentuk menjadi panas dan kerja

Jadi untuk energi lingkungan didapatkan rumus:

ΔE lingkungan = ±Q ±W

Pada sistem tertutup Q (-) & W (-)

Tetapi yang lebih penting pada sebuah Industri adalah proses yang mengalirkan bahan pada batasan sistem yang keluar dan masuk suatu peralatan proses, ini disebut Sistem Terbuka

ΔE lingkungan = ־Q ־W ΔE sistem = Q+W

Termodinamika mengalami perkembangan dengan memudahkan dalam mengenalkan karakteristik khusus proses sistem tertutup yg disebut Proses Reversibel

“Suatu proses dikatakan reversibel ketika proses tersebut menunjukan dapat berbalik pada beberapa titik dengan sedikit saja perubahan kondisi luar sistem “

Proses Reversibel dapat dilihat pada proses ekspansi gas di dalam piston atau silinder bersusun.

Gas yg terjebak didalam piston dapat memilih sistem dan lingkungan yang mengikutinya.

Ekspansi Gas pada Piston• Diperoleh Proses Ekspansi ketika

massa pada piston berkurang.• Dalam piston ini, batasan tekanan

pada gas hanya cukup untuk menyeimbangkan massa saja

• Pada kondisi kesetimbangan ini gas di piston cenderung tidak berubah

• Jika posisi piston mencapai elevasi maksimum, energi dalam bertambah mendekati sama dg kerja W

• jika tidak ada perubahan kondisi luar dapat berbalik,, disebut Irreversibel

Proses Volume Konstan (Isokhorik/Isometrik)

• Salah satu kesetimbangan termodinamik, dimana terjadi ketika suatu sistem mempunyai volume yg konstan disetiap titik pada sistem tersebut.• ΔU=Q+W • kerja mekanik reversibel W = -P (V2-V1)

W = P. ΔV

Proses Isokhorik

Isokhorik V1= V2 Sehingga ΔV= 0 W=0

Jadi untuk Proses Isokhorik

Kesimpulan:

Untuk proses mekanik reversibel, sistem tertutup dengan Volume konstan:

- Transfer Energi Panas Q=Perubahan Energi Dalam

- Kerja mekanik Reversibel V=0 W=0

ΔU = Q

Q = ΔU = n. Cv. ΔT

Proses Tekanan Konstan (Isobarik)

Kesetimbangan termodinamik yg terjadi ketika sistem mempunyai tekanan yg konstan disetiap titik sistem.

dU = dQ – P. dV

dQ = dU+ P. dV

Q= Δ(U+P.V)

= Δ H = n. Cp. ΔT

H = U+PV

Pada proses kerja mekanik reversibel dg tekanan(P) konstan (isobarik), energi yg ditransfer (Q) sama dg perubahan entalphi (ΔH) H = U+ PVbentuk besaran energi Termodinamika ΔH = n. Cp. ΔT Cp=spesifik panas pd P tetap ΔU = n. Cv. ΔT Cv= spesifik panas pd V tetap Q = ΔU bila proses V tetapW=0 (Isokhorik) Q = ΔH bila proses P tetap (Isobarik) ΔU= Q+W W= ΔU–Q

Proses Temperatur Konstan (Isotermal)

Suatu proses perubahan keadaan sistem yang terjadi pada temperatur konstan

Sehingga didapatkan rumus:

T1=T2 ΔT=0ΔU=0 ΔH=0

Contoh Soal:

1. Persamaan keadaan untuk suatu gas nyata diberikan sebagai: P (V–n b) = n. R. T

Turunkan persamaan untuk kerja yang dilakukan, jika gas ini dimampatkan secara isoterm dan reversibel dari volume Va ke volume Vb

• dW= –P. dV W= –

• P(V–n b) = n. R. T P = n. R.T

V–nb• W = – dV = –n. R. Ta•

• Vb > Va jadi ln < 0

• Sehingga W > 0

–n. R. Ta ln

2. n mol gas ideal mengalami perubahan secara reversibel dari keadaan A ke keadaan B dg 4 cara yg dinyatakan dg 1,2,3,4. untuk proses 4 berlaku TV= tetap. Tentukan kerja yg dilakukan oleh gas, dinyatakan dalam Pa, Pb, Va, Vb dalam keempat proses tersebut?

• Sistem= n mol gas ideal• Keadaan = keadaan awal A = Pa, Va, Ta

= keadaan akhir B = Pb, Vb, Tb

Proses: Ekspansi Reversibel dari VaVb

Melalui 4 proses yang berbeda 1, 2, 3, 4

Ditanyakan: W1, W2, W3 dan W4…?

Gas Ideal P. V= n. R. T

Reversibel dW= –P. dV

|W| = luas dibawah kurva pada diagram PV

Proses 4 = TV tetap

|W1| = luas dibawah garis 1

= luas I+luas II

= ½ (Vb –Va) (Pa–Pb)+ Pb(Vb –Va)

= ½ (Pa+Pb) (Vb –Va)

|W2| = luas dibawah garis 2

= Pa (Vb –Va)

|W3| = luas didaerah garis 3

= luas I+luas II

= (Pa–Pb) (½ Va+ ½ Vb –Va)

+Pb (Vb –Va)

= ½ (Pa+Pb) (Vb –Va) +Pb (Vb–Va)

= (Pa+Pb) (Vb –Va)

• |W4| = –

= dV = n. R. α (1/Va –1/Vb)

=

W4 = Pb. Vb – Pa. Va

TV = α = tetap T = α / V

PV = nRT P =

α = Pa = α =

Pb = α =

Soal:1. Sejumlah gas ideal berada pada sebuah silinder dg

penghisap. Friksi diabaikan, Cp=5/2R & Cv=3/2R. Gas ini menjalani perubahan reversibel, sebagai berikut:

-Ekspansi secara isobar dari keadaan awal (P=1atm;V=0,5L) sehingga volume menjadi 4x lebih besar

-Pemampatan secara Isoterm pada 300ºK sampai tercapai volume yg sedemikian rupa besarnya

-Gas dapat dikembalikan pada kedaan awalnya melalui suatu proses secara Isokhorik

Tentukan :

a. Gambarkan proses tersebut pada diagram PV?

b. Hitunglah tekanan gas pada akhir proses 2?

c. Hitunglah kerja yg dilakukan oleh gas pada proses3

d. Hitunglah kalor yg dipertukarkan antara sistem & lingkungan pada proses 3?

2. Hitung ΔU dan ΔH (dalam kJ) jika 1 kg helium dipanaskan dari 0ºC hingga 100ºC dalam suatu tempat tertutup dg volume 1m3, lakukan perhitungan yg sama untuk 1kg neon? Jika kedua gas tersebut dapat dianggap ideal.

Sifat Volumetrik fluida murni Materi termodinamika, seperti energi dalam dan enthalpi, dari perhitungan panas dan kerja peralatan proses industri, sering dinilai dari data volumetrik. Selain itu, hubungan tekanan/volume/temperatur (PVT) penting untuk tujuan mengukur fluida dan vesel/pipa.

Sifat PVT Zat Murni

Ukuran tekanan gas dari zat murni, antara sebuah padat dan cair, ditunjukan dalam sebuah grafik tekanan vs temperatur yang disebut dengan Diagram PT

Data PVT1. Grafik: grafik PV, PT, TH, TS HS

2. Tabel: Steam tabel

3. Persamaan PVT: Equation Of State/EOS

Diagram PT

• Diagram PT terbagi menjadi 5 daerah:

S = Solid Region fase padat

L = Liquid Region fase cair

V = Vapor Region fase uap

G = Gas Region fase gas

F = Fluida Region fase fluida

Suatu zat bila dalam keadaan PT dikurva fusi/peleburan (2-3) zat itu dinyatakan dalam kesetimbangan antara fase cair dan fase padat. Artinya siap perubahan fase cair menjadi fase padat/ sebaliknya.

Demikian pula untuk grafik 1-2, 2-c Ketiga grafik bertemu di titik 2, titik ini disebut dengan

Titik Triple Point

• Titik Triple Point adalah titik dimana suatu zat dalam kesetimbangan 3 fase (ada 3 fase yg siap berubah dari fase satu ke fase yg lain) bila diubah PT zat tersebut.

• Titik C disebut Critical Point (Titik Kritis)• Pada setiap zat memiliki titik kritis• T, P, V dititik kritis Temperatue kritis = Tc

Tekanan kritis = Pc

Volume kritis = Vc• Daerah yg berada diatas titik kritis (>Tc ; >Pc) disebut Daerah Fluida

• Zat dapat dianggap Liquid/Gas(sifatnya sama)tergantung cara pandangnya

Suatu zat dianggap cairan (liquid), bila tekanan P diturunkan pada temperatur T tetap maka zat tersebut akan menguap menjadi gas

Zat disebut uap, apabila zat itu dicairkan dg cara:

1.Temperatur T diturunkan pada Tekanan P tetap

2.Tekanan P dinaikkan pada Temperatur T tetap

Jika zat dianggap Gas, bila temperatur T diturunkan pada Tekanan P tetap maka zat itu akan berubah menjadi cair (liquid)

Diagram PV

Daerah:1. Fase padat

2. Fase padat-cair

(kesetimbangan)

3. Fase cair

4. Fase cair-uap

(kesetimbangan)

5. Fase gas-uap

6. Fase gas

7. Fase fluida

8. Fase padat-uap

C titik kritis