8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
1/26
TERMODINAMIKA
MAKALAH PEMICU 2
Hukum Pertama Termodinamika
Annisaa Nurqomariah !"#$$#%#%2&
E'(usta Masanari !"#$)*!+#!&
Nau,a' -.a,iq !"#$$#/+%!&
Nur Annisa !"#$))2+*!&
Tu0a(us Ri1a'd. !"#$))2+)#&
Ke'omok $
Deartemen Teknik Kimia
3aku'tas Teknik Uni4ersitas Indonesia
Deok5 2#!$
1
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
2/26
DA3TAR I-I
Ha'aman Co4er 66677777777777777777777777777777 !
Da,tar Isi 7777777777777777777777777777777766
2
Zeroth Problem ………………………………………………………………………………. 3
First Problem ………………………………………………………………………………….
4
Second Problem ……………………………………………………………………………… 5
Third Problem ………………………………………………………………………………...
7
Fourth Problem ……………………………………………………………………………... 12
Fifth Problem ……………………………………………………………………………….. 14
Sixth Problem ………………………………………………………………………………..
17
Seventh Problem …………………………………………………………………………….
2
!i"ht Problem ………………………………………………………………………………. 21
Kesimu'an 7777777777777777777777777777777
2)
Da,tar Pustaka 7777777777777777777777777777766 2$
2
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
3/26
Zeroth Problem
Scientist and engineers, with careful measurements and analysis of non-nuclear processes,
have consistently observed that mass and energy are conserved. Due to its overall
applicability and generality, these observations have been known as the first law of
thermodynamics: energy can not be created nor destroyed, it can only transform from one
form to another. Energy comes in many forms. List all kind of energy and give real-life
example of each.
Jawab :
1. Energi Bunyi
Energi bunyi adalah sebuah energi yang dihasilkan dari suara atau bunyi-bunyian,
seperti bunyi halilintar bunyi gitar, bunyi petasan dan lain sebagainya.
2. Energi Kimia
Energi kimia merupakan sebuah energi yang masih tersimpan pada persenyawaan
kimia berdasarkan proses kimia yang terjadi. Adapun besarnya jumlah energi kimia
yang dihasilkan sendiri bisa dihitung berdasarkan jumlah dan jenis pereaksi pada
sebuah reaksi kimia tertentu. Sementara alat untuk menghasilkan energi ini,
contohnya adalah baterai dan aki.
3. Energi Panas
Energi yang dihasilkan dari matahari, yang disebut juga sebagai energi kalor adalah
energi panas. Seperti kita ketahui, matahari atau surya adalah sumber dari energi
panas yang begitu besar kapasitasnya. Dengan adanya tenaga matahari ini bisa
3
http://benergi.com/macam-macam-dan-contoh-sumber-energi-bunyihttp://benergi.com/contoh-energi-kimia-dalam-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/contoh-energi-panas-di-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/contoh-energi-kimia-dalam-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/contoh-energi-panas-di-kehidupan-sehari-harihttp://benergi.com/macam-macam-dan-contoh-sumber-energi-bunyi
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
4/26
memenuhi kebutuhan semua makhluk hidup yang ada di dunia.
4. Energi Listrik
Energi yang paling banyak dibutuhkan untuk kebutuhan rumah tangga lainnya adalahenergi listrik . Energi yang satu ini bisa diganti ke dalam bentuk energi lainnya,
misalnya energi panas, energi bunyi, energi gerak dan lainnya. Contohnya adalah
penggunaan berbagai alat elektronik seperti TV, AC, setrika dan lain – lain.
5. Energi Potensial
Energi yang dimiliki oleh sebuah benda berdasarkan kedudukannya terhadap sebuah
acuan tertentu adalah energi potensial. Contohnya adalah orang yang berdiri di atas
gedung tinggi memiliki energi potensial.
6. Energi Potensial
Energi yang dimiliki oleh sebuah benda berdasarkan gerakannya adalah potensial.
Contohnya koin yang dijatohkan dari ketinggian mempunyai energi kinetic hingga
menyentuh dasar tanah.
First Problem
You are planning a birthday party for your niece and need to make at least 4 gallons of Kool-
Aid, which you would like to cool down to 32°F (0°C) before the party begins.
Unfortunately, your refrigerator is already so full of treats that you know there will be no
room for the Kool-Aid. So, with a sudden flash of insight, you decide to start with 4 gallons
of the coldest tap water you can get, which you determine is 50 °F (10°C), and then cool it
down with a 1-quart chunk of ice you already have in your freezer. The owner's manual for
your refrigerator states that when the freezer setting is on high, the temperature is -20°C. Will
your plan work? States all of your assumptions!
Jawab :
Diketahui:# Massa Kool-Aid = Massa air keran = 4 gallons = 15,14 kg = 15 kg
4
http://benergi.com/manfaat-energi-listrik-bagi-kehidupan-manusiahttp://benergi.com/pengertian-energi-potensial-pegas-beserta-contohnyahttp://benergi.com/manfaat-energi-listrik-bagi-kehidupan-manusiahttp://benergi.com/pengertian-energi-potensial-pegas-beserta-contohnya
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
5/26
# Massa es = 1 quart = 0,9 kg
# Cair = 4,2
# Ces = 2,1
# Suhu es = -20 oC
# Suhu air keran = 10 oC
# Suhu Kool-Aid = 25 oC# Ts = suhu setimbang
Asumsi :
# Sistem adiabatic = sistem tertutup = tidak ada perpindahan panas yang terjadi pada
sistem
$de % &endin"in'(n )ool#*id den"(n (ir +(n" bertem,er(tur 1 - d(n es b(tu
+(n" bertem,er(tur #2 -.
mes . C es . ∆T es + mes . Les= mair . C air . ∆T air
#6+2 6 #6+"$" 6 2!## 6 Ts 8 9 2#&& : #6+2 6 #6+"$" 6 **$### ; ! 6 !)6!" 6 "2## !# 8 Ts&
Ts ; 26+ OC ; * oC
Secara teoritis tidak berhasil mendinginkan Kool-Aid dengan air yang
bertemperatur 10 C dan es batu yang bertemperatur -20 C karena suhu setimbang
yang di dapat 3 oC sedangkan untuk mendinginkan Kool – Aid yang diharapkan
suhu setimbangnya 0 oC. Walaupun kurang dari 0 oC, Kool – Aid cukup dingin
tetapi tidak sesuai dengan yang diharapkan.
Second Problem
Steam is contained in a closed rigid container with a volume of 1 m3. Initially, the pressure
and temperature of the steam are 7 bar and 500 °C, respectively. The temperature drops as a
5
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
6/26
result of heat transfer to the surroundings. Determine the temperature at which condensation
first occurs, in °C, and the fraction of the total mass that has condensed when the pressure
reaches 0.5 bar. What is the volume, in m3, occupied by saturated liquid at the final state?
Jawab :
Melihat table superheated
Pada tekanan 7 bar dan suhu 500°C diketahui dari table bahwa volume spesifiknya
0,507 m3 /kg.
• Asumsi :
Volume spesifik awal vapor steam = volume spesifik akhir vapor steam karena terjadi
pada sistem tertutup. Kondensasi mengakibatkan perubahan fasa uap menjadi cairan
sehingga juga terjadi perubahan kondisi dari superheated mejadi saturated steam.
Kondensasi mulai terjadi ketika volume spesifik vapor pada saat superheated sama
dengan pada saat saturated.
• Melihat saturated table
Dilakukan interpolasi suhu 140OC dengan 150OC dan diketahui suhu sebesar 140.17
6
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
7/26
oC pada saat mulai terjadi kondensasi.
Pada tekanan 0,05 bar diketahu bahwa volume spesifik liquid = 0,00103 m3 /kg dan
vapor = 3,24 m3 /kg. Berdasarkan asumsi massa awal steam = massa akhir steam
maka nilai persen massa uap pada kondisi akhir dapat dihitung sebagai berikut :msteam=mf +m g
msteam= V
Vs=
1m3
0 .507 m
3
kg
=1.972kg
msteam= V f
Vs f +
V g
Vs g
¿ X
Vs f +
(1− X )Vs g
1.972= X
0 .00103 +
(1− X )3 .24
1.972=3 .24 X +0.00103(1− X )
(0 .00103)(3 .24)
1.972=3 .24 X +0.00103−0 .00103 X
0.0033
0 .00547=3.238 X X =1.71 x 10−3 m3
Massa terkondensasi =
V f
Vs f =
X
Vs f =
0 .00103m3/kg
¿1 .71 x 10−3 m3
¿= 1.66
% Massa terkondensasi = Massa terkondensasi
Massa steam x 100% =
1.66
1.972 x 100% = 84.18%
% Massa uap = 100% - % Massa terkondensasi = 100% - 84.18% = 15.82%
Keterangan : V = Volume
Vs = Volume spesifik
7
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
8/26
X = Volume terkondensasi
Third Problem
Students of the thermodynamics class are excited. The instructor had spent two class sessions
to discuss about transferable skills needed in the work place and how PBL is a suitable
learning method for students to improve their skills. The instructor told them that if they
improve their problem solving, interpersonal communication, group and self-directed
learning skills, they will understand thermodynamics better. The first law of thermodynamics
is about conservation of mass and energy. This law is the results of careful observations of
physical and chemical processes that lead to the conclusion that mass and energy can not be
created nor destroyed nad they could only transform from one point to another. Please read a
paper on the development of a calorimeter to measure heat capacity and enthalpy of fluids
(An automated flow calorimeter for the determination of liquid and vapor isobaric heat
capacities: Test results for water and n-pentane, J.A. Sandarusi, K. Mulia and V.F. Yesavage,
Rev. Sci. Instrum., 63, 2, (1992), 1810:1821). Please read only the first two pages (1810-
1811) of the paper and then try to answer the following questions:
1. One need to understand the concept of conservation of energy and mass, in order to
understand how a calorimeter works. Start from the general formula of the first law of
thermodynamics and describe all of the terms in the equation using real-life examples.
Read the paper and try to simplify the general formula based on the information of the
calorimeter set-up and the how the measurement is carried-out. If you work in a
systematic way then you should obtain the first equation (equation 1) given in the
paper. State all of your assumptions clearly. Apparently heat loss term Qlst is not
included in the final working equation for heat capacity measurment (equation 3).
Consider all kind of heat transfer modes that potentially contribute to this term and
explain how they were minimized in the experiment.
2. The steam table listed in introductory chemical engineering thermodynamics books
contain data of enthalpy as a function of temperature and pressure. The data were
obtained using calorimeters such as the one reported in the paper by Sandarusi et al.
8
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
9/26
Describe how you carry-out the experiment to determine h=h(T,P).
Jawab :
1. First Law Thermodynamics
d
dt E sys=ṁ¿ ( H i+ vi
2
2+ g zi)−ṁO ( H our + vO
2
2+g zO)+Q−W sys … …(1)
Pada persamaan tersebut, Q merupakan kalor (heat ), yaitu suatu bentuk energi yang
dihasilkan dari getaran molekul yang dapat dipindahkan melalui konduksi, konveksi, dan
radiasi. Contoh dari adanya kalor adalah terjadinya panas yang meyebar pada air yang
sedang di masak keseluruh partikel molekul air tersebut. W merupakan kerja (work ), yaitu
bentuk energi yang dihasilkan akibat gaya dari luar dan menyebabkan adanya perubahan
pada objek yang dikenai gaya. Contoh dari kerja adalah mengaduk air teh yang panas
kemudian membuat air tersebut berputar dan mempercepat perpindahan panas yang
terjadi. H merupakan entalpi (enthalpy), nilai entalpi pada sistem tidak dapat diukur, nilai
yang hanya dapat diukur adalah perubahan eltalpi pada sistem.v2
2 menggambarkan
energi kinetik dan gz merupakan energi potensial , pada kehidupan sehari-hari contoh
dari adanya energi kinetik dan energi potensial adalah jatuhnya apel dari ketinggian
tertentu dan kecepatan tertentu yang berubah-rubah terhadap waktu.
9
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
10/26
(mb(r 1. Outline of calorimeter operation principle. /Sumber % Test result for water and n-pentane0.*. S(nd(rusi0 ). &uli( (nd .F. es(v("e0 ev. Sci. $nstrum.0 302 /16620 181%1821
Asumsi :
# Steady sate system, ( ddt Esys=0)# Kecepatan pada saat in dan out sama , ( vi −vo=0 )# Aliran sistem konstan, (ṁ¿=ṁout )# Aliran tidak mengalami perbedaan ketinggian, ( z i− zo=0 )
# Sistem tidak menerima kerja (pengadukan), W (¿¿ sys=0)¿
# Kalor yang keluar sistem dalam bentuk heat loss,Q
(¿¿ out =Q1 st )¿
d
dt E sys=ṁ¿( H i + vi
2
2+ g zi)−ṁO ( H out + vO
2
2+g zO)+Q−W sys
0=ṁ¿ ( H i )−ṁout ( H o )+Q¿−Qlst
0=ṁ ( H i− H o )+Q¿−Qlst
ṁ ( H o− H i )=Q I −Q lst … …(2)
• Nilai kapasitas kalor
c =( ! H ! " ) … … (3)c d" =dH … …(4)
10
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
11/26
∫c d" =∫dH ……(5)
c # " =# H ……(6)
c (
" o
−" i )
= H o
− H i
……(7)
c = H o− H i(" o−" i )
……(8)
• Subtitusi Persamaan 7 ke persamaan 2
ṁ c (" o−" i )=Q I −Q1 st … … (9)
c = Q I −Q1 st ṁ (" o−" i )
… …(10)
• Menyamakan nilai c sehingga didapat persamaan 11 yang merupakan Eq.1 seperti
pada Jurnal tersebut.
c = H o− H i(" o−" i )
= Q I −Q1 st ṁ (" o−" i )
… … (11)
• Sehingga digunakan rumus kapasitas panas rata-rata untuk mengestimasi nilai cp yang
sesungguhnya dengan adanya suhu dan tekanan koreksi. Koreksi tekanan perludiperhatikan, terutama pada fluida dengan tekanan rendah karena efek Joule-Thomson
yang besar. Digunakan pendekatan menggunakan teknik koreksi yang sederhana yang
dibutuhkan pada eksperimen ini dengan blank determination dengan pengukuran
penurunan tekanan dan perubahan suhu sepanjang kalorimeter, dimana tidak ada panas
yang masuk ke dalam fluida. Kapasitas panas yang sebenarnya dapat dirumuskan sebagai:
di mana perbedaan suhu blank experiment (b) ditambahkan sesuai dengan perbedaan suhu
pada penambahan kalor (a).
• Pada persamaan diatas, hilangnya panas Qlst pada persamaan 3 tidak dimasukkan karena
nilai Qlst dianggap terlalu kecil, sehingga nilai tersebut diabaikan. Maka didapatkan
persamaan%
11
ć =c ("́ $ %o )= Q¿
ḿ
[ (" o−" i )
a
−(" o−" i )&
]
… … (12)
´ $ %o )= Q¿
ḿ [ (" o−" i )a−(" o−" i )& ] … … (12)
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
12/26
c ( "́ $ %o )= Q¿
ṁ [ (" o−" i )a−(" o−" i )& ] … …(13)
dimana:
(T o - T i)a = perbedaan temperatur kalorimeter dengan input panas.
(T o - T i)b = perbedaan temperatur pada blank’s experiment .
2. Percobaan Joule Thompson yang menyatakan bahwa penentuan entalpi
berdasarkan fungsi temperatur dan tekanan maka :
Persamaan ini hanya berlaku untuk gas ideal, namun untuk perhitungan gas nyata tidak
dapat menggunakan persamaan ini dan membutuhkan dua fungsi lainnya karena derajat
kebebasan bernilai 2. Fungsi yang tersedia antara lain temperature, pressure, internal
energy, entropi dan spesifik volum. Dalam kasus ini kita memilih parameter temperatur
dan tekanan
Apabila dengan perubahan entalpi yang kecil, maka :
Dan apabila persamaan ini di integrasikan maka :
Fourth Problem
An evacuated tank with 1 m3
capacity is initially empty with no fluid inside. Water in the
amount of 2 L and at 25 °C is transferred into the tank. At midday, thermal equilibrium is
assumed to be attained and fluid temperature of 60°C is uniform throughout the tank. At this
12
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
13/26
condition do we find water in the tank as a mixture of liquid and vapor or only as water
vapor? If only as water vapor, how much additional water we have to add so that water in the
tank exist only as saturated water vapor?
Jawab :
Campuran Uap dan Liquid atau tidak
Massa air pada kondisi awal :
V =v . m
2 .10−3
m3=0,0010029
m3
kg . m
m= 2 .10−3
0,0010029kg
m=1,9942 kg
Untuk mengetahui apakah kesetimbangan pada keadaan akhir adalah air+uap/uap, maka
harus dihitung terlebih dahulu volume spesifik totalnya:
m. v=V
v =V
m
v total= 1m
3
1.9942 kg=0.5015
m3
kg
Maka, melalui grafik P-V:
13
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
14/26
Dapat dilihat bahwa pada keadaan volume spesifik total = 0,5015 m 3 /kg dan T=60oC maka
titik berada dalam region liquid-vapor maka kondisi akhir kesetimbangan, terdapat dua fasa
pada tangki yaitu air dan uap.
Jumlah air yang ditambah ketika kondisi uap
Massa air yang tersisa pada saat T = 60oC:
V total=V air+V ua
V total= x . vair+(mtotal− x )vua
1m3= x .0,0010172
m3
kg+(1,9942 kg− x )7,671
m3
kg
1=0,0010172 x+15,296−7,671 x
−14,296=−7,67 x
mair= x=1,864 kg
mua=1,994− x =0,13 kg
Jika air dalam tangki hanya berupa uap pada kesetimbangan, maka massa uap akhir pada
14
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
15/26
volume tangki 1 m3:
V total=V air+V ua
V total=0.v air+m . vua
1m3=0+m.7,671 m3
kg
1=7,671m
m= 1
7,671kg=0,13036 kg
Maka, agar pada kondisi akhir kondisi tangki hanya berisi uap, air harus dikurangi, bukan
ditambah, dengan jumlah pengurangan massa:
m=1,99421 kg−0,13036 kg
m=1,86385 kg
Fifth Problem
Internal energy and enthalpy are two thermodynamics quantities or variables that are used in
energy balance equations. Thermal energy added to a gas of polyatomic molecules can appear
15
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
16/26
as rotational and vibrational, as well as translational energies of the gas molecules. Describe
the internal energy of a gas molecule in terms of its different modes of motion: translational,
rotational, and vibrational modes, in addition to electronic contributions. Use the following
diagram showing the Boltzmann distribution of populations for rotation, vibration, andelectronic energy levels at room temperature.
Jawab :
Energi Internal Molekul Gas Dalam Hal Mode Gerak Dan Distribusi Boltzmann
Energi internal (energi dalam) molekul gas dapat didefinisikan sebagai berikut:
' =∫( v d" Pada gerak translasi, nilai kapasitas panas dari molekul gas adalah:
( v=3
2n)
Sehingga, energi dalamnya adalah:
' =3
2n)"
Ketika molekul gas mulai mengalami gerak rotasi, nilai kapasitas panasnya menjadi:
( v=5
2n)
Sehingga, energi dalamnya adalah:
' =5
2n)"
Dan ketika molekul gas mulai mengalami gerak rotasi, nilai kapasitas panasnya menjadi:
( v=
7
2 n)
Sehingga, energi dalamnya adalah:
' =7
2n)"
Hal ini dapat dijelaskan dalam gambar berikut:
16
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
17/26
Gambar 2. Diagram Cv versus T pada Molekul Gas
sumber: www.ux1.eiu.edu
Distribusi Boltzmann dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:
* i * +
=e−( Ei− E +
k"
)
Dengan “k” adalah nilai konstanta Boltzmann sebesar 1,381 x 10-23 J/K. Dalam
pengaplikasiannya untuk tingkat energi, terdapat beberapa hal penting yang harus
diperhatikan, yaitu sebagai berikut:
Semakin tinggi keadaan energi suatu molekul, semakin sedikit populasi molekul yang
menempati keadaan tersebut.
Semakin tinggi suhu suatu molekul, semakin banyak populasi molekul yang
menduduki keadaan energi tinggi,
Tingkat energi akan semakin banyak terpopulasi apabila perbandingan antara “ E i –
E j” dengan “kT ” dekat (seperti dalam gerak translasi dan gerak rotasi).
Dari fig.4 ditunjukan bahwa tingkat energi pada gerak rotasi lebih banyak terpopulasi
daripada gerak vibrasi dan gerak elektronik pada suhu ruangan. Hal ini bersesuaian dengan
poin ketiga dari pernyataan mengenai distribusi Boltzmann diatas. Lalu, pada diagram,
semakin tinggi tingkat energinya, semakin sedikit populasi molekul yang menempati tingkateergi tersebut. Hal ini bersesuaian dengan poin pertama dan poin kedua dari pernyataan
17
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
18/26
mengenai distribusi Boltzmann diatas.
Sixth Problem
Explain how we could estimate the isobaric heat capacity of methane as an ideal polyatomic
gas as a function of temperature from 300 to 800 K based on the equipartition principle. Plot
the theoretical values of methane heat capacity and compare them with the values you
obtained using the ideal gas heat capacity equation and parameters given in the book by
Smith et al. or by Moran and Saphiro. Explain why it is (or is not) reasonable to assume a
constant ideal gas heat capacity for the whole temperature range?
Jawab :
Pinsip Equipartisi
Kapasitas panas dari molekul gas monoatomik, diatomik, atau poliatomik dapat diprediksi
dengan didasarkan pada prinsip equipartisi dengan menghitung degree of freedom dari
molekul gas tersebut. Prinsip equipartisi menyatakan bahwa degree of freedom (dof) dari
suatu gerakan molekul (rotasi, translasi dan vibrasi) berkontribusi (1/2 ) dalam perhitungan
energi dalam (U)
1
2
' = (dof )¿T
Hubungan antara kapasitas panas isobarik (Cp) dengan kapasitas panas isokhorik (Cv)
adalah:
-, 9 -v : a) Molekul Monoatomik
Molekul monoatomik dapat bertranslasi dengan bebas dalam ruangan pada arah x, y dan z.
Gerak translasi ini menyatakan memiliki bahwa molekul monoatomik memiliki tiga degree of
freedom. Pada molekul monoatomik kedua gerakan yang lain (vibrasi dan rotasi) hampir
tidak terlihat sehingga dapat diabaikan.
b) Molekul Diatomik dan Poliatomik dengan Bentuk Linear
18
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
19/26
Pada molekul diatomik dan poliatomik yang berbentuk linear terdapat gerakan translasi
kearah x, y dan z, serta gerakan rotasi. Terdapat dua kemungkinan sumbu rotasi pada gerakan
ini, sehingga terdapat tambahan dua degree of freedom. Selanjutnya, jika dipanaskan dengan
suhu tinggi maka akan terjadi gerakan vibrasi yang jumlahnya dapat ditentukan denganrumus 2(3 − 5) dimana angka 5 merupakan derajat kebebasan untuk translasi dan rotasi dan
N menyatakan banyaknya jumlah atom dalam suatu molekul. Perlu diperhatikan bahwa untuk
molekul diatomik, pada suhu rendah ±250 hanya terjadi gerakan translasi, pada suhu
sedang ±500 terjadi gerakan translasi dan rotasi, sedangkan untuk gerakan vibrasi baru terjadi
diatas suhu 1000 K.
c) Molekul Poliatomik dengan Bentuk Non-Linear
Pada molekul poliatomik non-linear, terdapat tiga sumbu gerakan rotasinya sehingga
mempunyai 3 degree of freedom. Pada pemanasan dengan suhu tinggi, gerakan vibrasi dapat
ditentukan dengan rumus 2(3N − 6) dimana angka 6 menyatakan derajat kebebasan untuk
translasi dan rotasi. Pengaruh temperatur dalam penentuan jumlah gerakan yang terlibat sama
pada molekul diatomic.
• Penentuan Kapasitas Panas Isobarik Gas Metana Poliatomik (300 K – 800 K)
Berdasarkan Prinsip Equipartisi
Gas metana merupakan gas poliatomik, sehingga dapat menyimpan energy dalam 3 bentuk
yaitu translasi, rotasi, dan vibrasi. Namun, kemampuan gas metana juga bergantung pada
fungsi temperatur. Penentuan derajat kebebesan suatu molekul dapat dilihat di grafik
dibawah, yaitu grafik molekul H2, nilai Cv/R nya yang bergantung pada fungsi temperature
Berdasarkan grafik diatas, dapat terlihat bahwa derajat kebebasan molekul H2 bergantung
19
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
20/26
pada kondisi temperature. Pada suhu rendah H2 hanya dapat melakukan gerakan translasi.
Sedangkan pada 250 K, menunjukkan kenaikan Cv/R dan nilai derajat kebebasan, sehingga
molekul dapat melakukan gerakan translasi dan rotasi. Untuk suhu diatas 100 K, molekul H2
baru dapat melakukan vibrasi. Kita dapat menggunakan pendekatan untuk menentukan nilaiCp dari metana dengan prinsip equipartisi melalui grafik H2 diatas. Pada suhu 300 K, gas
metana yang merupakan gas poliatomik memiliki energy untuk bergerak secara translasi dan
rotasi. Oleh sebab itu, rumus kapasitas isobariknya adalah:
(=7
2 (8,314 , Mol - )=29.099 , Mol - Sedangkan pada suhu 800 K, molekul metana 3 degree of freedom gerak translasi dan 3
degree of freedom gerak rotasi. Hal ini dikarenakan energy panas yang diterima oleh mentana
diubah menjadi gerak translasi dan rotasi, tetapi tidak cukup untuk melakukan vibrasi.
Berikut adalah rumus kapasitas isobariknya:
(=4 )=4(8.315 , Mol - )=33,256 , Mol - • Penentuan Nilai Kapasitas Panas Isobarik Gas Metana (300 K – 800 K) dengan
Persamaan Gas Ideal (Smith et. al)
Hubungan antara temperature dengan kapasitas panas ideal pada tekanan digambarkan
melalui persamaan berikut:
(
) = + /" +( " 2+ 0 " −2
Dimana nilai A, B, C, D berbeda-beda untuk tiap jenis gas dapat dilihat pada tabel C.1 buku
Smith et.al. Untuk gas metana (CH4), nilai A = 1,702; B = 9,081x10-3
; C = -2.164x 10-6
;
dan D = 0. Untuk mengetahui nilai kapasitas panas isobarik pada rentang temperatur 300-800
K, maka nilai A, B, C, D gas CH4 disubstitusikan ke persamaan diatas, kemudian dilakukan
plot antara hubungan antara temperatur dan kapasitas panas isobarik metana.
Temperatur
Cp/RCp
(J/mol K)300 4.23154 35.1852
400 4.98816 41.4765
500 5.7015 47.4079
600 6.37156 52.9795
700 6.99834 58.1912800 7.58184 63.0429
20
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
21/26
Tabel 1. Perbandingan Nilai Cp Gas Metana (300 K – 800 K) Secara Teoritis dengan Nilai Cp dengan
Perhitungan Persamaan Gas Ideal
Apakah kapasitas gas ideal
adalah konstan untuk seluruh
temperatur?
Tidak. Kapasitas panas berubah
seiring perubahan suhu.
Kapasitas panas akan konstan pada
seluruh temperatur berlaku hanya pada gas monoatomik, karena pergerakan molekul hanya
translasi saja. Pergerakan molekul untuk gas poliatomik dan diatomik berubah-rubah dimana
semakin banyak atom penyusun, semakin banyak gerakan dilakukan .
Seventh Problem
Reproduce Figure E4.2b shown in Moran’s book (7th Ed.) using data for water and benzene.
Compare the two plots you obtain.
Jawab :
r(fi' !4.2b ,(d( bu'u &or(n meru,('(n "r(fi' +(n" men+(t('(n b(n+('n+( c(ir(n +(n"
tert(m,un" terh(d(, ;('tu +(n" diberi'(n. P(d( "r(fi' terlih(t b(h;( tem,(t +(n"
di"un('(n (d(l(h silinder den"(n lu(s (l(s 3 ft20 m(ss( m(su' 3 lb
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
22/26
d2
dt +( 9 1 ) 2= 30 1
@il('u'(n ,enurun(n sehin""(
>ntu' (ir0 ,ers(m((nn+( men?(di
2=3.33 [1−exp (−0.048 t ) ]Sed(n"'(n untu' benAen(0 ,ers(m((nn+( men?(di
2=3.33 [1−exp (−0.0545 t ) ]Sehin""( di,eroleh "r(fi' (ir d(n benAen(
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Benene
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
!ater
Ke"ua #ra$% ter&e'ut menata%an %etn##an ar pa"a &elan# *a%tu an#
&ama+ "apat "l,at "ar #ra$% 'a,*a #ra$% 'enene "an ar meml%
per'e"aan atu pa"a &etap &aat *a%tu an# &ama+ %etn##an 'enene
le', tn## "arpa"a ar.
Eigth Problem
A tank containing 45 kg of liquid water initially at 45°C has one inlet and one exit with equal
mass flow rates. Liquid water enters at 45°C and a mass flow rate of 270 kg/h. A cooling coil
immersed in the water removes energy at a rate of 7.6 kW. The water is well mixed by a
paddle wheel so that the water temperature is uniform throughout. The power input to the
water from the paddle wheel is 0.6 kW. The pressures at the inlet and exit are equal and all
22
2=3.33[1−exp(−9t 1 )]
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
23/26
kinetic and potential energy effects can be ignored. Derive the equation that related the
temperature of water inside the tank to time. What is the final and constant temparature of the
water? Is it equal to the steady-state solution?
1. Plot the variation of water temperature with time.
2. Again plot the variation of water temperature with time but change the liquid to
benzene
Jawab :
" =" i +
(
Q́cv− Ẃ cv
ḿ c
)[1−exp
(
− ḿ
mcv
t
)]" =318 - +(
−7,6, /s−(−0,6) , / s270kg
3600 s .4,2, /kg- )[1−exp (−270kg /345kg t )]1−exp (−6 t )" =318−22¿
• Unsteady State:
" =318−22 [1− 1
exp (6 t )
]
" =318−22 [1− 1
exp4 ]
" =318−22 [1− 1
4 ]
" =318−22 [1−0]" =318−22=296 -
• Steady State:
0= ́Qcv
− Ẃ cv
+ ḿc("
i
−" )
0= ́Qcv− Ẃ cv+ ḿ c " i− ́m c"
ḿ c" = Q́cv− Ẃ cv+ ḿ c " i
" =Q́cv
ḿc−
Ẃ cv
ḿ c +" i
" = −7,6W −(−0,6)W
270 kg
3600 s . 4,2, /kg-
+318 -
" =−22.22+318 - =295,778 -
23
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
24/26
1
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
25/26
KESIMPULAN
•Hukum I Termodinamika berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan
tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain.”
• Proses termodinamika terdiri dari proses isobarik, proses isothermal, proses isokhorik,
dan proses adiabatic
• Prinsip ekuipartisi adalah sebuah rumusan umum yang merelasikan temperature suatu
sistem dengan energi rata – ratanya.
• Keadaan pada termodinamika terbagi menjadi 2 yaitu
o Keadaan tunak (steady state) merupakan keadaan di mana suatu sistem berada
dalam kesetimbangan atau tidak berubah lagi seiring waktu, atau tunak, atau
mantap.
o Keadaan tak tunak (unsteady state) yang dikatakan tak tunak jika kecepatan
setiap partikel di suatu titik selalu sama.
• Panas dapat dipindahkan melalui tiga cara yaitu secara konduksi, konveksi, dan
radiasi
• Terdapat 2 sistem pada yang berhubungan dengan aliran massa yaitu
o Sistem terbuka yaitu terdapat aliran massa yang masuk dan keluar pada sistem
o Sistem tertutup yaitu tidak ada aliran massa yang masuk maupun keluar pada
sistem
25
8/19/2019 Makalah Termo Pemicu 2
26/26
DAFTAR PUSTAKA
• ASME Steam Tables Compact Edition, Properties of Saturated and
Superheated Steam in U.S. Customary and SI Units from the International
Standard for Indsutrial Use.
• Atkins, P.W. (1989) Kimia Fisika, Edisi ke - 4 Jilid 1. Jakarta : Erlangga
[terjemahan].
• Borgnakke, C. dan Sonntag, R.E. (2009) Fundamentals of
Thermodynamics, 7th Edition. NJ : John Wiley & Sons, Inc.
• Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2002. Thermodynamics an Engineering
Approach. Fourth Ed. Mc. Graw-Hill
• Maron, H. Samuel and Jerome B. Lando. 1974. Fundamentals of Physical
Chemistry. New York : Macmillan Publishing.
• Moran, J. Michael, Shapiro N. Howard. 2006. Fundamentals of
Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.
• Smith, J.M. ; H.C. Van Ness and MM. Abbot. 2005. Introduction to
Chemical Engineering Thermodynamics 7th edition. New York :
McGraw-Hill
• Wark, Knneth. 1983. Thermodynamics. United States : McGraw- Hill,
Inc.