NERACA PANAS.doc

5/19/2018 NERACA PANAS.doc

1/30

BAB VIII

NERACA ENERGI

8.1. PendahuluanBab ini akan membahas topik yang berkaitan dengan neraca energi (energi

balance). Untuk memberikan konversi dari sumber daya menjadi energi yang dapat

diterima secara umum, efektif dan juga ekonomis dan untuk menggunakan energi

yang dihasilkan dengan benar, harus memahami prinsip dasar yang mendasari

generasi, penggunaan, dan transformasi energi dalam bentuknya yang berbeda-beda.

Penggunaan neraca energi, harus dinyatakan sebagai persamaan. etiap istilah dari

neraca (kesetimbangan) energi harus ditulis dalam simbol matematis sehingga dapat

menyederhanakan persamaan tersebut dengan tepat, dan kemudian dapat diselesaikan.

!eraca energi adalah prinsip fisis yang sangat mendasar bah"a kita

menciptakan golongan-golongan energi baru untuk memastikan bah"a persamaan

tersebut benar-benar seimbang. Persamaan (#.$. seperti yang ditulis di ba"ah ini

adalah generalisasi dari banyak hasil percobaan pada kasus-kasus yang relatif

sederhana. %onsep neraca energi yang makroskopik mirip dengan konsep neraca

energi mikroskopik.

& -

' - .. (#.$)

$

kumulasi

energi dalamsistem

Perpindahan energike dalam sistem

melalui batasansistem

Perpindahan

energi ke luar darisistem melaluibatasan sistem

enerasi energi

dalam sistem%onsumsi

*nergi

+alam sistem


2/30

8.2. Jenis-jenis Energi

Energi kinetik (kinetik energi) adalah energi yang dimiliki oleh suatu sistem

karena kecepatannya relatif terhadap sekitarnya. *nergi kinetik dapat dihitung dari

hubungan

*k & ..

$ Mv // (#.)

tau

*k & ..

$v // (#.0)

+imana 1 & massa 2 & kecepatan

Persamaan (#., adalah menunjukkan energi persatuan massa, bukan energi kinetik

total (Pers. #.$).

3ontoh #.$.

ir di pompa dari sebuah tangki penyimpanan melalui pipa berdiameter dalam 0,4

cm. Pada laju 4,44$ m05det. 6itung energi kinetik spesifik (persatuan massa)

Penyelesaian

Basis 4,44$ m05det air.

sumsi bah"a & $444 kg5m0

7ari-jari pipa (r) & mcmcm 4$8,48,$)4,0($ ==

2 & )4$8,4(

det50m4,4$

m

& $,9$8 m5det

*k & $V

&

Nm

Jmkg

N

m$

$

.det

)()($

$

.det)59$8,$(.$

&$,4 75kg


3/30

*nergi potensial: (potential energy) adalah energi yang dimiliki oleh suatu sistem

karena gaya yang didesakkan pada massanya oleh medan gravitasi atau

eleketromagnetik relatif terhadap permukaan referensi. *nergi potensial untuk

medan gravitasi dapat dihitung dengan persamaan

*p & m.g.h /.. (#.9)

tau energi potensial persatuan massa

*p & g.h /.. (#.8)

+imana

*p & *nergi potensial

g & ravitasi

h & %etinggian benda atau jarak dari permukaan referensi

3ontoh #..

ir dipompa dari sebuah reservoir ke tangki lainnya sejauh 044 ft. Permukaan air

dalam tangki adalah 94 ft, di atas permukaan air dari reservoir pertama. 6itung

kenaikan energi potensial spesifik (persatuan massa) dari air tersebut dalam

B;U5


4/30

*nergi dalam: (internal energi) adalah pengukuran makroskopik dari energi

molekuler, atomic, dan subatomic, yang semuanya mengikuti kaidah konservasi

makroskopik tertentu. %arena tidak ada peralatan untuk mengukur energi dalam

secara langsung pada skala makroskopik, energi dalam harus dihitung dari

variabel tertentu lainnya yang dapat diukur secara makroskopik, seperti tekanan,

volume, suhu, dan komposisi.

7ika energi dalam (U) adalah fungsi dari suhu (;) dan volume (2)

U & Uf (;, 2)

+engan mengambil turunan total

dU & dvdtv T

+

dv

dU

d;

dU/.. (#.>)

Berdasarkan definisi (dU5d;), adalah kapasitas panas pada volume konstan, yang

diberi simbol khusus 3v, dan suku (dU5d2); sangat kecil.

ehingga suku kedua pada ruas kanan dari persamaan (#.8 tersebut dapat

diabaikan. 1aka perubahan energi dalam (U) dapat dihitung dengan

mengintegralkan persamaan (#.8).

U & U? U$ &

;

$;

3vd; // (#.=)

dimana

U$ & perubahan energi dalam a"al

U & perubahan energi dalam akhir

;$ & uhu a"al

; & uhu akhir

3v & kapasitas panas pada volume konstan

*ntalpi: (entalphy) variabel ini didefinisikan sebagai kombinasi dari dua

variabel yang sering digunakan dalam neraca energi.

6 & U ' P2 // (#.#)

dimana

6 & entalpi

9


5/30

U & energi dalam

P & tekanan

2 & volume

1enghitung entalpi persatuan massa, dapat digunakan sifat bah"a entalpi adalah

juga sebuah differensial yang pasti. Untuk unsur murni, entalpi untuk fase

tunggal dapat dinyatakan dari segi suku dan tekanan

6 & 6 (;, P)

dengan mengambil turunan total dari 6, didapat persamaan

d6 & dpTdp

dHdt

PdT

dH+

+

/. (#.@)

Berdasarkan definisi

PdT

dH

adalah kapasitas panas (3p) pada tekanan konstan.

UntukTdp

dH

sangat kecil pada tekanan sedang, sehingga suku ke dua pada

ruas akan persamaan (#.#) dapat diabaikan. Perubahan entalpi (6) dapat

dihitung dengan mengintegralkan persamaan (#.#, sehingga didapat

6 & 6- 6$&

$

T

T

Cpdt /// (#.$4)

Proses-proses yang beroperasi pada tekanan tinggi, suku kedua pada ruas kanan

persamaan (#.# tersebut tidak dapat begitu saja diabaikan, tetapi harus dievaluasi

dari data percobaan. eperti halnya energi dalam, entalpi tidak mempunyai nilai

absolut, hanya perubahan entalpi yang dapat dihitung. +alam menghitung

perubahan entalpi, kondisi referensi (standar) dapat dilihat yang berikut ini

%eadaan a"al sistem entalpi & 6$- 6ref

%eadaan akhir sistem entalpi & 6- 6ref

1aka perubahan entalpi

(6- 6ref) - (6$ - 6ref) & 6 - 6$

%erja:(work) adalah suatu bentuk energi yang menunjukkan perpindahan

(transfer) antara sistem dan sekitarnya. %erja tidak dapat disimpan. %erja positif

8


6/30

jika dikerjakan pada sistem. Untuk terjadinya kerja karena gaya mekanis batasan

dalam suatu sistem harus bergerak.

A &

$.ds //// (#.$$)

dimana

A & %erja

& aya eksternal dalam arah

& 7arak

$ & %eadaan a"al

& %eadaan akhir

%erja disebut juga fungsi lintasan (fath fnction) dan nilai A tergantung pada

keadaan a"al dan keadaan akhir dari sistem.

3ontoh #.0.

ndaikan suatu gas ideal pada 044 % dan 44 kPa berada dalam sebuah

silinder yang ditutup oleh sebuah piston tanpa gesekan, dan gas tersebut

menekan piston secara perlahan sehingga volume gas mengembang dari4,$ menjadi 4, m0. 6itung kerja yang dilakukan oleh gas pada piston

(satu-satunya bagian dari batasan yang bergerak) jika dua lintasan yang

berbeda digunakan untuk pindah dari keadaan a"al ke keadaan akhir.


7/30

Penyelesaian

%erja mekanis yang dikerjakan oleh sistem pada piston adalah

A & - =

$

$

.

V

V

dVpds!!"

(3atatan kerja yang dilakukan oleh sistem adalah negatif)


8/30

ambar #.$b. %edua integral tersebut sebagai luas dalam bidang p ? v

Panas: (heat)biasanya didefinisikan sebagai bagian dari aliran energi total yangmengalir melintasi batasan sistem yang disebabkan oleh perbedaan suhu antara

sistem dan sekitarnya. Panas (kalor) positif jika dipindahkan ke sistem. Panas

dapat dipindahkan dengan konduksi, konveksi dan radiasi. Panas seperti

halnya kerja adalah fungsi lintasan. Dumus empiris untuk menaksir perpindahan

panas

E & U ; ///. (#.$)

+imana

E &


9/30

entalpi yang terjadi dalam fase tunggal sering disebut perubahan panas sensible

(sensible heat).

Perubahan entalpi untuk fase transisi diistilahkan panas peleburan (heat of

fsion) untuk pelelehan, dan panas penguapan (heat of vapori$ation) untuk

penguapan. Panas pengembunan (heat of condersation) adalah negatif dari panas

penguapan, dan panas penyubliman (heat of sblimation) adalah perubahan entalpi

dari padat langsung ke uap.

ambar #.. Perubahan entalpi untuk unsur tunggal (murni) sebagai fungsi darisuhu. aris vertikal menunjukkan perubahan laten: yang terjadi

selama fase transisi.

$%a!asias !anas&&

*ntalpi untuk suatu unsur dalam fase tunggal (tidak untuk fase transisi)

dapat dihitung menggunakan kapasitas panas (heat capacit%) dari persamaan

6 &

$

;

;

dt3p

%apasitas panas (3p) adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan

suhu suatu unsur sebesar satu derajat, energi yang mungkin diberikan oleh

@


10/30

perpindahan panas dalam proses khusus tertentu, tetapi dapat juga diberikan

dengan cara lain. +alam topik ini hanya dibahas 3p (kapasitas panas pada

tekanan konstan), karena 3v (pasitas panas pada volume konstan) jarang

digunakan. +ari definisi kapasitas panas maka satuannya adalah (energi)5 (massa

atau mol) (perbedaan suhu).

3ampuran gas ideal, kapasitas panas (permol) campuran adalah rata-rata

berbobot mol dari kapasitas panas komponen-komponennya.

3p rata-rata & =

n

$i

Ci3pi //..(#.$0)

+imana

3pi & kapasitas panas komponen F

Gi & fraksi massa atau mol komponen i

n & jumlah komponen

3ampuran non ideal, khususnya cairan, harus merujuk pada data percobaan.

%ebanyakan persamaan untuk kapasitas panas padatan, cairan, dan gas adalah

empiris. %apasitas panas biasanya dinyatakan pada tekanan konstan (3p) sebagai

fungsi suhu dalam suatu deret pangkat, dengan konstanta a, b, c dan seterusnya.

3p & a ' b; ' c; ./.(#.$9)

1enghitung perubahan entalpi persatuan mol atau massa dengan mengintegralkanpersamaan kapasitas panas dari segi suhu, di dapat

6 & ++.

$

;

;

. )c;b;a(

& a (;- ;$) ' );0;(0

c);;(

b 0$

$

+ /(#.$8)

C'n'h( 8.)

tudi kelayakan ekonomi menunjukkan bah"a sampah padat perkotaan dapat

dibakar menjadi gas dengan komposisi sebagai berikut (pada basis kering)

3H & @,I

3H & $,8I

H & =,0 I

$4


11/30

! & #,4I

$44,4I

6itung perbedaan entalpi (menggunakan persamaan kapasitas panas) per mol

antara bagian atas ba"ah cerobong, jika suhu bagian ba"ah cerobong adalah

884o dan suhu bagian atasnya 44o uap air dalam gas, dan efek energi yang

dihasilkan dari pencampuran komponen-komponen gas tersebut diabaikan.

Pen*elesaian(

Persamaan kapasitas panas (; dalam o, 3p & B;U5lb mol o)

(data dari tabel lampiran)

! & 3p & >,#@8 ' 4,=>9 ' $4-0; ? 4,=44@ C $4-=;

H & 3p & =,$49 ' 4,=#8$ ' $4-0

; ? 4,88# C $4-=

;

3H & 3p & #,99#'8,=8= C $4-0; ? $,8@ C $4-=;' 0,48@ C $4-$4;0

3H & 3p & >,#>8 ' 4,#49 C $4-0; ? 4,=0>= C $4-=;

Basis $ lb mol gas

+engan mengalikan persamaan-persamaan di atas dengan masing-masing fraksi

mol dari tiap komponen, dan menjumlahkan semuanya bersama-sama, maka

dapat menghemat "aktu untuk pengitegralan, tetapi persamaan-persamaan

tersebut dapat diintegralkan secara terpisah.

! & 4,# (>,#@8 ' 4,=>9 C $4-0; ? 4,=44@ C $4-=;)

H & 4,4=0 (=,$49 ' 4,=#8$ C $4-0; ? 4,88# C $4-=;)

3H & 4,4@ (#,99# ' 8,=8= C $4-0;? $,8@ C$4-=;C 0,48@ C $4-$4;0)

3H & 4,4$8 (>,#>8 ' 4,#49 C $4-0; ? 4,=0>= C $4-=;)

ehingga

3p & =,480 ' $,9 C $4-0; ? ,>$9 C $4-=;' 4,#$9 C $4-$4;0)

6 &

);$4C#$9,4;$4C>$9,;$4C9,$480,=( 0$444

884

=0 ++

& =,480 JK44 ? 884)L' L)884()44J(

$4C9,$ 0

$$


12/30

- L)884()44J(9

$4C#$9,4L)844()44J(

0

$4C>$9, 99$4

00

=

+

& - 9>#,> - $>4,= ' $0,# - 4,>00

6 & - >$> B;U5lb mol gas

C'n'h 8.+

6itung perubahan entalpi $ kg mol gas ! yang dipanaskan pada tekanan

konstan $44 kPa dari $#o3 3 ke $$44o3 (gunakan nilai-nilai entalpi pada tabel).

Penyelesaian

%arena $44 kPa pada dasarnya $ atm, maka dari tabel sifat-sifat fisis Mat organik

dan anorganik dapat dipakai untuk menghitung perubahan entalpi tersebut (yang

digunakan hanya tabel entalpi nitrogen dan beberapa oksidanya).

Pada $$44o3 ($0=0%) 6 & 09,=$8 k75kg mol (dengan interpolasi)

Pada $#o3 (@$ %) 6 & 89 k75kg mol

6 & 09,=$8 ? 89 & 09.$@$ k75kg mol

C'n'h 8.,

6itung perubahan entalpi (6), volume spesifik (2), dan perubahan suhu (;)

untuk $ lb uap jenuh n-butana berubah dari atm menjadi 4 atm (jenuh).

Penyelesaian

unakan grafik tekanan entalpi untuk butanaN di dapat data-data

6 (B;U5lb) 2 (ft05lb) ; (o)

Uap jenuh pada atm

Uap jenuh pada 4 atm

$=@

00

0,4

4,0

=

0@

ehingga

6 & 00 ? $=@ & 89 B;U5lb

2 & 0,4 ? 4,0 & ,= ft05lb

; & 0@ ? = & $>=o

8.). Penera!an neraa energi an!a erjadi reasi i/ia

$


13/30

Beberapa proses khusus yang berhubungan dengan masalah neraca energi

($) Fsotermal (isothermal) (d; & 4) proses berlangsung pada suhu konstan

() Fsobarik (isobaric) (dP & 4) proses berlangsung pada tekanan konstan

(0) Fsometrik (isometric) atau isovolume (d2 & 4) proses berlangsung pada

volume konstan.

(9) diabatik (adiabatic) (dE & 4)N tidak ada perpindahan panas antara sistem dan

lingkungan (sistem terisolasi). %eadaan dimana sebuah proses dapat disebut

adiabatic salah satu dari yang berikut ini sangat mungkin terjadi

(a) istem tersebut diisolasi

(b) Panas (E) sangat kecil dalam persamaan energi dan mungkin diabaikan

(c) Proses terjadi dengan sangat cepat sehingga tidak ada "aktu terjadi

perpindahan panas.

. 1embuat sebuah daftar menurut simbol untuk setiap nilai yang tidak diketahui

dari aliran arus dan komposisi.

=. 1enulis nama-nama dari kumpulan kesetimbangan (neraca) yang tepat yang

akan diselesaikan, tulis masing-masing kesetimbangan dengan jenis

kesetimbangan tertulis didekatnya. 7angan lupa kesetimbangan implisit untuk

fraksi massa atau mol.

$0


14/30

#. 1enghitung jumlah kesetimbangan independen yang dapat ditulis, pastikan

bah"a sebuah pemecahan mungkin dilakukan jika tidak, cari informasi

selanjutnya atau periksa kembali asumsi-asumsi.

@. 1enyelesaikan persamaan-persamaan tersebut. etiap perhitungan harus dibuat

pada basis yang konsisten.

$4. 1emeriksa ja"aban-ja"aban yang telah didapat apakah ja"aban itu masuk

akan. 1asukkan ja"aban tersebut dalam persamaan kesetimbangan total, apakah

hasil dari persamaan tersebut dipenuhiO

istem yang digunakan untuk mengamati beberapa penerapan neraca energi,

pertama sistem tertutup dan kedua sistem terbuka. istem tertutup dimana tidak ada

massa yang mengalir masuk dan ke luar dari sistem, sedangkan sistem terbukaterdapat massa mengalir masuk dan ke luar dari sistem.

C'n'h 8.0 ise/ #eruu!

as argon dalam "adah terisolasi, volume liter akan dipanaskan dengan

pemanas tahanan elektris. Pada kondisi a"al gas ideal pada tekanan $,8 Pa dan 044

%. Pemanas $444 ohm menarik arus pada 94 2 selama 8 menit (yaitu 9#4 joule

kerja oleh lingkungan). Berapa suhu dan tekanan gas akhir pada ekuilibriumO 1assa

pemanas $ g dan kapasitas panasnya 4,08 75g%. sumsi bah"a perpindahan panas

ke "adah tersebut dari gas pada tekanan rendah dan dalam jangka "aktu yang pendek

dapat diabaikan.

Penyelesaian

+alam sistem tidak ada terjadi perpindahan massa, dan tidak terjadi reaksi kimia.

*nergi total & energi dalam ' energi potential ' energi kinetik

& panas ' kerja

* & U ' *p ' *k & E ' A

Pada sistem tersebut *k & *p & H

E & H

A & 9#4 7 (kerja dikerjakan pada sistem) dalam 8 menit

$9


15/30

Basis 8 menit

Untuk gas ideal p2 & nD;

n &D;

p2

n & ($,8 Pa) ( l) (

%044$

)m()Pa(0$9,#%)molg($

l$m$4

0

00

& $,40 C $4-> gmol

1assa pemanas dan kapasitas panas gas (3v)

3v & 3p - D, karena 3p & -maka,D

8

3v & D

0DD

8=

sumsikan bah"a kapasitas panas alat pemanas yang diberikan adalah 3v juga

U & n =;

044

)044;(3vndt3vn

U & E ' A & H ' A

U & A

U & 9#4 7 & ($) (4,08) (; ? 044) ' (,04 C $4->) (05) (#,0$9) (;-044)

pemanas gasehingga ; & 9$9,0 %

;ekanan akhir

$$

$$

D;n

D;n

2P

2P=

P & P$ Pa4=,044

0,9$98,$

;

;

$

=

=

C'n'h 8.8 ise/ erbua

ir di pompa dari dasar sebuah sumur dengan kedalaman $8 ft pada laju 44

gal5jam, ke dalam sebuah tangki penyimpanan, permukaan air dalam tangki

pada $>8 ft di atas permukaan tanah. Untuk mencegah pembekuan di musim

dingin, sebuah pemanas kecil memasok 04.444 B;U5jam ke dalam air selama

$8


16/30

perpindahannya dari sumur ke tangki. Panas hilang dari sistem ke seluruhannnya

pada laju konstan sebesar 8.444 B;U57am. 6itung suhu air ketika air tersebut

masuk ke tangki penyimpanan, dengan asumsi suhu air sumur 08o. sebuah

pompa dengan daya hp digunakan untuk memompa air tersebut. ekitar 88I

dari daya tersebut berubah menjadi kerja pemompaan dan sisanya hilang

sebagai panas ke atmosfer.

Pen*elesaian

1isalkan sistem terdiri dari saluran masuk sumur,

pipa pompa, dan saluran ke luar pada tangki

prnyimpanan. sumsi proses tersebut steady state

(tunak) dengan massa secara kontinyu masuk danke luar dari sistem.

Basis $ jam operasi

ambar #.0

1assa masuk 44 gal dan ke luar 44 gal dalam $ jam operasi

!eraca energi

* & E ' A - J(6 ' *k ' *p) mL

Persamaan tersebut dapat disederhanakan

$. Proses dalam keadaan steady, sehingga * & 4

. m & m$& m

0. *k & 4, karena 2$& 2& 4

1aka

H & E ' A - J(6 ' *p) mL

!ilai 6 pada bagian puncak tangki tidak diketahui, tetapi dapat dihitung darikesetimbangan energi.

6 & =

o

;

08

)08;(m3pdt3p1

$>


17/30

7ika 3p diasumsikan konstan, maka masalah ini mempunyai satu pemecahan yang

unik.

1assa air total yang dipompa

jam5lb>>>,$gal$

lb000,#

hal

gal44 =

Perubahan energi potensial

*p & mgh

*p & ($>>> lbm) (0, ft5det) ($#4 ft)

lbfft==#B;U$

lbfdet

lbmft,0$

*p & 0#8,8 B;U

Panas yang dihilangkan oleh sistem adalah 8.444 B;U, sedangkan pemanas,

memasok 04.444 B;U ke dalam sistem, maka perubahan panas

E & 04.444 ? 8.444 & 8.444 B;U

4

)hp()menit(

lbft44.00

& #44 B;U5jam.

dapat di hitung dari E ' A & ' *p

8444 ' #44 & 6 ' 0#>

6 & =9$9 B;U.

%arena kisaran suhu diperkirakan kecil, kapasitas air cair dapat diasumsikan

konstan & $,4 B;U 5 lbo

, jadi

=9$9 & 6 & m3p;

& $>>> ($,4) (;)

; & 9,8 o (kenaikan suhu)

maka ; & 0@,8 o.

$=


18/30

#.8. Neraa Energi *ang /e/!erhiungan reasi i/ia

Perpindahan panas yang diamati yang terjadi dalam sistemtertutup

(dengan kerja nol) sebagai akibat dari suatu reaksi menunjukkan energi yang

berkaitan dengan penyusunan kembali ikatan-ikatan yang menyatukan atom-atom

dari molekul-molekul yang bereaksi. Untuk reaksi eksotermik (e&othermic

reaction), energi lebih kecil dari pada yang dibutuhkan untuk menyatukan reaktan,

sedangkan reaksi endotermik 'endothermic reaction#adalah sebaliknya.

Berikut ini akan dibahas secara spesifik penggunaan panas (kalor)

pembentukan dalam neraca energi untuk menja"ab pertanyaan seperti

($) Berapa suhu dari suatu arus masuk atau ke luarO

() Berapa banyak massa yang harus dimasukkan ke dalam suatu arus masuk

untuk menyediakan sejumlah tertentu perpindahan panasO

ambar #.0 Proses dengan reaksi kimia

Proses yang digambarkan dalam gambar #.0, reaksinya adalah

a ' bB c3 ' d+

7umlah nonstoikiometri dari reaktan dan produk, masing-masing memasuki dan

meninggalkan sistem tersebut. Pada suhu yang berbeda. +alam penyelesaian

masalah harus selalu pertama-tama memilih keadaan referensi untuk entalpi yang

pada keadaan ini panas pembentukan diketahui, yaitu 8o3 dan $ atm. 7ika tidak ada

reaksi yang terjadi, keadaan referensi dapat berupa keadaan arus masuk atau arus

ke luar.

$#


19/30

*ntalpi dari tiap arus (stream) yang masuk dan ke luar dihitung relatif

terhadap keadaan referensi yang dipilih, dan meliputi

($) Panas pembentukan standar dari komponen-komponennya

() Panas sensible dari komponen-komponen tersebut

(0) Perubahan fase dari komponen-komponen itu

*ntalpi adalah fungsi keadaan, maka dapat dipilih lintasan apapun yang diinginkan

untuk melaksanakan perhitungan perubahan entalpi keseluruhan dalam suatu proses

selama mulai dan berhenti masing-masing pada keadaan a"al dan akhir yang

ditentukan. ambar #.9 menggambarkan gagasan tersebut.

ambar #.9 Perhitungan perubahan entalpi untuk setiap komponen dalam suatu

proses pada 8o3 dan $ atm sebagai keadaan referensi.

%eadaan referensi dipilih 8o3 dan $ atm, keadaan dimana panas pembentukan

standar (6f) diketahui. ambar #.9, suhu ;c & ;d. *fek tekanan dapat dimasukkan

bersama dengan efek suhu pada entalpi, tetapi dalam pembahasan ini akan

menghilangkan pertimbangan efek tekanan kecuali untuk masalah yang data

entalpinya diambil dari tabel (seperti tabel uap).

ambar #.8 (menunjukkan aliran informasi untuk perhitungan dalam neraca energi

dengan mengasumsikan proses keadaan tunak atau steady

$@


20/30

(* & H), tidak ada perubahan energi kinetik atau potensial, dan A & 4, sehingga

persamaan neraca energi umum menjadi

E & 6 & 6produk - 6reaktan /. (#.$>)

ambar #.8 +iagram alir informasi yang menunjukkan bagaimana menghitung

entalpi dari komponen yang masuk dan meninggalkan reaktor.

C'n'h ( 8.4.

uatu biji besi pyrite yang mengandung #8,4I e dan $8,4I gangue

(kotoran, inert, batu, dll) dibakar dengan sejumlah udara dengan $44I kelebihan

udara, reaksi

9 e' $$H eH0' # H

Untuk menghasilkan H, semua gangue plus eH0 berakhir dalam produk

buangan padat (cinder), dan hasil analisis 9,4I e. 6itung perpindahan panas per

kg biji untuk menjaga arus produk pada suhu 8o3, jika suhu arus masuk berada

pada 8o3.

4


21/30

Penyelesaian

Proses ini adalah proses keadaan tunak (steady state) dengan reaksi kimia

B1 e 88,#8, eH0& $8@,=4, e& $4,4

Basis $44 kg bijih pyrite

%elebihan udara

1ol e& molkg=4#0,44,$4

4,#8=

Hyang dibutuhkan & 4,=4#0 ($$59) & $,@9=@ kg mol

%elebihan H & $,@9=@ (,4) & 0,#@8# kg mol

;otal Hmasuk & $,@9=@ %mol ' 0,#@8# kg mol

& 8,#90= kg mol

;otal !masuk & 8,#90= (=@5$) & $,@#0 kg mol

!eraca massa komponen

1asuk %e luar

aunge (kg)

! (%g mol)

(%g mol)

e (%g mol)

H (%g mol)

$8,4

$,@#0

(#85$4)

$ (#85$4)

8,#90=

& C$

& C>

& C9' (C05$4) ()

& (C5$8@,=4) ' (C05$4)($)

& C9' C' (C5$8@,=4) ($,8)

49,4CCC

G

0$

0 =++

Penyelesaian untuk persamaan-persamaan ini adalah

$


22/30

1asuk %e luar

H

H

!

& $,0># kg mol

& 0,@0#

& $,@#0

aunge & $8,4 kg

eH0 & 89,>0 4,09 kg mol

e& ,@4 4,49 kg mol

elanjutnya gunakan neraca energi untuk menentukan perpindahan panas, neraca

energi umum berkurang menjadi

(* & 4, *p & 4, *k & 4, A & 4) E & 6. karena semua reaktan dan produk

berada pada 8o3 dan $ atm, maka semua panas sensible menjadi nol sehingga

E & ni 6oi - ni 6oi

Produk Deaktan

Pr'du

Reaan$4-0G 6of ni6of $4-0G 6of ni6of

%omp. (g mol) (k75gmol) (k7) (gmol) (k75gmol) (k7)

e

eH0

!

H

H

4,49

4,09

$,@@#0

0,@0#

$,0>#

-$==,@

-#,$8>

4

4

-@>,@4

-9,048

-#$,$8>

4

4

-94>,$8@

4,=4#0

4

$,@#0

8,#90=

4

-$==,@

-#,$8>

4

4

-@>,@4

-$>,44=

4

4

4

4

;otal ->@$,>9$ -$>,44=

E & J ->@$,>9$ ? (-$>,44=) L ($40) & -8>8,>09 C $40k75$44 kg biji

tau E & -8,>8> C $40 k75kg bijih

;anda negatif menunjukkan panas dikeluarkan dari proses tersebut

8.,. Perhiungan seara si/ulan neraa /assa dan energi dala/ suau !r'ses

i/ia

Pengalaman dalam penyelesaian masalah neraca energi pada pembahasansebelumnya, kini saatnya menerapkan pengetahuan ini pada masalah yang lebih

rumit yang melibatkan neraca massa maupun neraca energi. Pada bagian ini kita

harus mengamati bagaimana memastikan bah"a suatu masalah dispesifikasikan

dengan tepat dan lengkap. ambar #.> menggambarkan suatu sistem atau sebuah

peralatan dalam keadaan tunak (steady state).


23/30

ambar #.>. liran proses dengan reaksi kimia

!eraca massa total dan komponen dapat ditulis

1asuk %e luar;otal

%omponen $

%omponen

& ' B

& G$' BGB$

& G' BGB

& 3 ' +

& 3G3$ ' +G +$

& 3G3 ' +G ++st

!eraca energi keseluruhan (over all) dapat ditulis

E - A & (3 6c ' +6+) - (6' B6B)

+imana

Gi & fraksi berat tiap komponen

6i & entalpi per satuan massa tiap komponen

%eadaan yang lebih komplek, dari gabungan beberapa alat, dapat dilihat pada

gambar #.=.

0

3. lb

+. lb

Panas E

. lb

B. lb

%erja A


24/30

ambar #.=.Proses yang terdiri dari beberapa alat

!eraca 1asuk %eluar

Hver all

;otal & + - A

%omponen G$ & +G+ ' AG"

*nergi EFF ' EFFF ' 6 & +6+ ' A6A

Proses F

;otal ' D ' & 2 ' 4 lb5jam

Produk ba"ah B & >494 lb5jam

b. !eraca massa sekitar kondenser

>p

D= atau D & > P & > (0@>4) & 0.=>4 lb5jam

2 & D ' p & 0.=44 ' 0@>4 & =.=4 lb5jam

!eraca massa sekitar reboiler

;otal < & B ' 2b

BenMena < G#

=4

=4

=4

PB dt3pdt3Bdt3ppp

6p 6B 6& 4

!eraca energi pada kondenser

uhu referensi diambil $=#o, asumsi produk pada suhu jenuh dalam

kondenser pada suhu $=#o.

>


27/30

airairkondenser3ondenser E6

)air(494 )

lb

B;U0,>#(

jam

lb ' 9,=$ C

$4>B;U5jam

6p & =$=#

=4

>#

=4

BB lb5B;Udt3p6lb5B;Udt3pp

0,>#

rata

4,>

3l

$,##

BM

@,9>

rata

,0>

3l

4,9=

BQ

sumsi stream P adalah benMena murni dan stream B adalah chlorobenMena murni

E steam & 8,0$ C $4> B;U5jam

+ari steam tabel, 6uap pada #4o

adalah @0 B;U5jam dan asumsi steam padasuhu jenuh.

7adi jumlah steam yang digunakan

lb5B;U@0

jam5B;U$4C0$,8 >=

& 8=>4 lb5jam

!eraca energi sekitar reboiler

Esteam' < (6B;U5jam

=


28/30

sumsi suhu stream < masuk reboiler tidak lebih dari 4o di ba"ah suhu

reboiler >#o.

!eraca massa

< & >494 ' 2b

8,0$ C $4>

- (>494 ' 2b) (=,#) & $>,0 2b8,0$ C $4>? 4,49= C $4>& $>,0 2b ' =,# 2b

ehingga

3. 3airan yang masuk ke reboiler

2+ & jam5lb044.0@$09

$4C>,8 >=

< & 2+' B & [email protected] ' >494 & 98.094 lb5jam

Uap dari reboiler 2b & jam5lb$44,90,$>

$4C0$,8 >=

'al-s'al (

#.$. Batu kapur (3a3o0) dikonversi menjadi 3aH dalam kilu vertikal kontinyu. Panas

untuk pembakaran digunakan gas alam (369) dengan kontak langsujng dengan

batu kapur dan menggunakan udara berlebih 84I. 6itung 3a3H0 yang dapat

diproses per kilogram gas alam. %apasitas panas rata-rata

3pm 3a3H0 & 09 75(g mol) (o3)

3pm 3aH & $$$ 75(g mol) (o

3)3a3H0

7a"ab 4, % 3a3H05kg 369

#.. .444 lb5jam.Umpan masuk evaporator dipanaskan

mencapai suhu $#4o3. Uap air dari larutan dan larutan pekat pada suhu $#4o3.


29/30

6 penguapan 6H pada $#4o @@4 B;U5lb

6 penguapan 6H pada 04o @8@ B;U5lb

7a"ab (b) #44 lb5jam

@


30/30

6A"#AR %EP7#A%AAN

$. Bhatt, B.F dan .1. 2ora, $@#9, (toichiometr%) nd ed, !e" +elhi, 1c ra"

6ill Pub.

. 3oulson, 7.1. dan 7 Dichardson, $@##, Chemical Engineering, 2olume $,

0rded, 3anada, Pergamon Press 3anada

NERACA PANAS.doc

Documents

Transcript of NERACA PANAS.doc