2. Perpindahan panas merupakan unit operasi yang paling
banyak dijumpai di industri.
Misal, pembuatan ethylene glycol dengan cara oksidasi
terhadap ethylene menjadi ethylene oxide dan
selanjutnya dihidrasi menjadi glycol.
Reaksi oksidasi katalitik paling efektif jika dilakukan
pada temperatur sekitar 523,15 K (250 C).
Reaktan, yaitu ethylene dan udara, dipanaskan terlebih
dahulu sebelum dimasukkan ke dalam reaktor.
Untuk merancang preheater, kita harus mengetahui
jumlah panas yang harus ditransfer.
4. Reaksi pembakaran antara ethylene dengan oksigen
dalam tumpukan/bed katalis akan menaikkan
temperatur.
Jika temperaturnya melebihi 250C, maka akan terjadi
reaksi samping yang tidak diinginkan, yaitu terbentuknya CO2.
Oleh karena itu, panas harus terus diambil dari reaktor
agar temperaturnya tidak melebihi 250C .
Untuk merancang reaktor, kita harus mengetahui laju
perpindahan panas, dan hal ini tergantung pada efek
panas yang menyertai reaksi kimia.
5. Produk ethylene oxide dihidrasi menjadi glycol dengan
cara diabsorpsi dengan air.
Pada proses tsb dilepaskan panas karena perubahan
fasa dan proses pelarutan dan juga karena reaksi hidrasi
antara ethylene oxide terlarut dengan air.
Akhirnya, glycol dimurnikan dengan cara distilasi, suatu
proses penguapan dan kondensasi, yang mengakibatkan
terjadinya pemisahan suatu larutan menjadi komponenkomponennya.
Semua efek panas yang penting telah diilustrasikan
dengan menggunakan satu contoh proses kimia
sederhana di atas.
6. Panas sensibel adalah panas yang menyertai perubahan
temperatur dari suatu sistem tanpa disertai perubahan
fasa, reaksi kimia, dan perubahan komposisi.
Jika sistem berupa suatu senyawa homogen dengan
komposisi konstan, maka menurut aturan fasa, keadaan
sistem tersebut akan tertentu jika 2 dari sifat-sifat
intensifnya sudah tertentu.
U = U(T,V)
U
U
dU
dT
dV
T V
V T
U
dU C V dT
dV
V T
7. U
dU C V dT
dV
V T
Suku kedua ruas kanan akan = 0 jika
Proses berlangsung pada volum konstan, apapun
senyawanya.
U tidak tergantung pada V, bagaimanapun prosesnya.
Ini benar untuk gas ideal atau fluida incompressible.
dU = CV dT
T2
U C V dT
T1
(1)
Untuk proses reversible yang berlangsung pada volum
konstan,
T2
Q U C V dT
T1
8. Enthaply juga dapat dinyatakan sebagai fungsi dari T dan P:
H =H(T,P)
H
H
dH
dT
dP
T P
P T
H
dH CPdT
dP
P T
Suku kedua ruas akan akan = 0 jika
Proses berlangsung pada tekanan konstan, apapun
senyawanya.
H tidak tergantung pada P, bagaimanapun prosesnya.
Ini benar untuk gas ideal.
9. dH = CP dT
T2
H CP dT
T1
(2)
Untuk sistem tertutup yang mengalami proses reversibel
yang berlangsung pada tekanan konstan, dan juga untuk
perpindahan panas di dalam alat penukar panas dalam
keadaan steady dengan EK dan Ep yang dapat
diabaikan, dan WS = 0:
T2
Q H CP dT
T1
(3)
10. KETERGANTUNGAN CP TERHADAP T
Persamaan (3) dapat diselesaikan jika tersedia hubungan
antara CP dan T.
Persamaan empiris yang paling sederhana yang menyatakan hubungan antara CP dan T adalah:
CP
A BT CT 2 DT 2
R
(4)
Dengan A, B, C dan D adalah konstanta yang nilainya
tergantung pada jenis senyawa kimia.
Untuk gas ideal:
ig
CP
A BT CT2 DT 2
R
11. Nilai parameter A, B, C, dan D untuk berbagai macam gas
dalam keadaan ideal dapat dilihat pada Tabel C.1.
Untuk gas ideal berlaku:
ig
Cig CP
V
1
R
R
(5)
Sehingga hubungan antara CV dan T mengikuti hubungan antara CP dan T
12. CONTOH SOAL
Hitung panas yang dibutuhkan untuk menaikkan
temperatur 1 mol gas metana dari 260 menjadi 600C di
dalam suatu proses alir steady yang berlangsung pada
tekanan cukup rendah sehingga metana dapat dianggap
sebagai gas ideal.
PENYELESAIAN
ig
CP
A BT CT2 DT 2
R
A = 1,702
B = 9,081 103
C = 2,164 106
D=0
T1 = 260C = 533,15 K
T2 = 600C = 873,15 K
13. ig
CP
Q H R
dT
T1 R
T2
T2
T2
Q H CP dT
T1
R A BT CT2
T1
T
B 2 C 3 2
dT R AT T T
2
3
T1
B 2
C 3
2
3
R A T2 T1
T2 T1
T2 T1
2
3
8,314 ,792 873,15 533,15
1
9,081 10 3
873,152 533,152
2
2,164 10 6
873,153 533,153
3
Q = 19.778 J/mol 1 mol = 19.778 J
= 19.778 J/mol
14. CONTOH SOAL
Berapa temperatur akhir jika panas sebanyak 0,4 106
(Btu) ditambahkan pada 25 (lb mol) ammonia yang
semula berada pada temperatur 500 (F) dalam suatu
proses alir steady yang berlangsung pada tekanan 1
(atm)?
PENYELESAIAN
Q 0,4 106
1
H
16.000 Btu lb mol = 37.218 J mol1
n
25
T1
500 459,67
533,15 K
1,8
A = 3,578
B = 3,02 103
C=0
D = 0,186 105
15. T2
Q H R
T1
T2
ig
CP
R
T2
Q H CP dT
dT
T1
R A BT DT 2
T1
T
2
B 2
1
dT R AT T DT
2
T
1
1 1 駈
B 2
2
R A T2 T1 T2 T1 D
2
T2 T1
37.218 8,314 3,578 T2 533,15
3,02 10 3 2
T2 533,152
2
1
駈
1
0,186 10
T 533,15
2
醐
5
16. Selanjutnya persamaan di atas diubah menjadi:
1,51 10
atau
3
2
T2
0,186 10 5
3,578 T2
6.848 ,259 0
T2
f(T2) = 0
Persamaan di atas diselesaikan dengan cara iterasi
T2
f(T2)
1000
-1.741,66
900
-2.384,29
1200
-364,76
1250
-1,50
1250.2
-0.04
Jadi T2 = 1250,2 K
18. Untuk reaksi:
aA+bB l L+mM
Panas reaksi standar didefinisikan sebagai perubahan
enthalpy jika a mol A dan b mol B pada temperatur T
keadaan standar bereaksi membentuk l mol L dan m mol M
pada keadaan standarnya pada temperatur T yang sama.
Keadaan standar adalah keadaan tertentu dari suatu
spesies pada temperatur T dan pada tekanan, komposisi,
dan kondisi fisik tertentu, seperti gas, cair, atau padat.
Gas: zat murni dalam keadaan gas ideal pada 1 bar
Cairan/padatan: cairan atau padatan nyata pada 1 bar
1
3
N2 H2 NH3
2
2
H298 46.110 J
N2 3H2 2NH3
H298 92.220 J
a
19. Panas pembentukan standar adalah perubahan
enthalpy yang menyertai pembentukan 1 mol suatu
senyawa dari elemen-elemen penyusunnya pada
keadaan standar.
CONTOH:
CO2(g) :
C(s) + O2(g) CO2(g)
H298 393.509 J /mol
f
CO (g) :
C(s) + 遜 O2(g) CO (g)
H298 110.525 J /mol
f
H2O(g) :
H2(g)
:
H2(s) + 遜O2(g) H2O(g) Hf298 241.818 J /mol
H298 0 J
f
Panas pembentukan untuk elemen = 0
Panas pembentukan standar dapat digunakan untuk
menghitung panas reaksi standar.
20. Misal untuk menghitung panas reaksi dari water-gas shift
reaction pada 25C:
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
Cara menghitungnya adalah:
298
CO2(g) C(s) + O2(g)
H
C(s) + 遜O2(g) CO(g)
H298 110.525 J / mol
H2(g) + 遜O2(g) H2O(g)
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
298
H
393.509 J / mol
241.818 J / mol
H298 41.166 J / mol
21. Panas pembakaran standar adalah perubahan enthalpy
yang menyertai pembakaran 1 mol suatu senyawa.
CONTOH:
C(s) + O2(g) CO2 (g)
H298 393.509 J
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)
H298 802.600 J
CH4O(g) + 1遜O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)
H298 638.200 J
Seperti halnya panas pembentukan standar, panas
pembakaran standar juga dapat digunakan untuk
menghitung panas reaksi standar.
22.
H
Reaksi secara umum:
1 A1 2 A2 ... 3 A3 4 A4 ...
i adalah koefisien stoikiometri reaksi
Konvensi tanda untuk i:
Positif (+) untuk produk
Negatif (-) untuk reaktan
CONTOH:
N2 + 3H2 2NH3
N2 1
H i Hi
i
H2 3
NH3 2
(5)
23.
Hi adalah enthalpy spesies i pada keadaan standar, yaitu
sama dengan panas pembentukan standar ditambah
dengan enthalpy pada keadaan standar dari semua
elemen-elemen penyusunnya.
Jika sebagai dasar perhitungan diambil enthalpy pada
keadaan standar elemen penyusun = 0, maka:
Hi Hi
f
(6)
Jika pers. (6) ini disubstitusikan ke pers. (5):
H i Hi
f
i
(7)
24. Untuk reaksi standar, produk dan reaktan selalu berada
pada keadaan standar, yaitu tekanan 1 bar, sehingga
enthalpy keadaan standar hanya merupakan fungsi dari
temperatur:
dHi CPi dT
Jika dikalikan dengan i :
i dHi i CPi dT
Penjumlahan untuk semua produk dan reaktan:
i dHi i CPi dT
i
(8)
i
Karena i konstan maka
dH d H d H C
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Pi
dT
25. dH d H d H C
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Menurut pers. (5):
d H d i H
i
H i Hi
i
i
Jika perubahan kapasitas panas standar didefinisikan
sebagai:
CP i CPi
(9)
i
Maka:
d H CP dT
(10)
Jika diintegralkan:
C
P
H 0 H R
dT
T
0
R
T0
T
(11)
Pi
dT
26.
d H CP dT
H 0
T
d H
H 0 0
T
T
C dT
P
T0
P
C
H H R
dT
R
T0
0
T
T
T0
P
C
H H R
dT
R
T0
0
T
T
T0
C
P
H 0 H R
dT
T
298
R
298
T
28.
H HR H298 HP
T
Panas sensibel
Panas sensibel
Panas reaksi 298 K
HR
298
298
T
ni CPi dT ni CPi dT ni CPi dT
i
R i T
R
i 298
R
T
HP
T
T
ni CPi dT ni CPi dT
i
P i 298
P
298
H
T
H
T
H298
T
T
ni CPi dT ni CPi dT
i 298
P i 298
R
H298
CP
R
dT
R
298
T
29. T
T
H T H 298 n i C Pi dT n i C Pi dT
i 298
i 298
P
R
T
T
C Pi
C Pi
R ni
R ni
H 298
dT
dT
R
R
i 298
P i 298
R
CPi
R n i
R
T0 i
T
H
298
C
P
H H R
dT
T
T
R
T
T
C
P
H H R
dT
T
298
R
298
T
CPi
ni
R
P i
dT
R
30. (9)
CP i CPi
i
Ci
P
P
C
i
R
R
i
i A i B i T Ci T 2 Di T 2
i
i A i i B i T i Ci T 2 i Di T 2
i
i
i
A B T CT2 DT2
i
31. CONTOH SOAL
Hitung panas reaksi standar untuk sintesis metanol pada 800C
CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
C
P
H H R
dT
T
298
R
298
T
PENYELESAIAN
Tref = 298,15 K
T = 1073,15 K
i
Hf298
A
103 B
106 C
1 200.660
2,211
12,216
3,450
0,000
CO
1 110.526
3,376
0,557
0,000
0,031
H2
2
3,249
0,422
0,000
0,083
i
CH3OH
0
H0 H298 200.660 110.525 90.135 J
10-5 D
32. A = ワiAi = (1) (2,211) + ( 1) (3,376) + ( 2) (3,249) = 7,663
B = 10,815 103
C = 3,450 106
D = 0,135 105
Dengan cara yang sama:
T C
P
T0
R
T
dT A BT CT 2 DT 2 dT
T0
T
B 2 C 3 D
A T
T
T
2
3
T T0
A T T0
1 1
B 2
C 3
2
3
T T0
T T0 D
T T
2
3
0
= 1.615,5 K
T C
P
H H0 R
T0
R
dT
= 90.135 + 8,314 ( 1.615,5) = 103.566 J/mol
33. CONTOH
Berapa temperatur maksimum yang dapat dicapai oleh reaksi pembakaran gas metana dengan udara yang berlebihan 20%? Udara dan
metana masuk ke burner pada temperatur 25C.
PENYELESAIAN
Reaksi:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
Basis: 1 mol CH4 yang bereaksi
H298 = 393.509 + (2) ( 241.818) ( 74.520) = 802.625 J
Asumsi:
Reaksi berlangsung sempurna
Reaksi berlangsung secara adiabatis (Q = 0)
EK dan EP diabaikan
WS = 0
Sehingga H = 0
34. Basis: 1 mol CH4 yang dibakar
Mol O2 yang dibutuhkan = 2,0
Mol O2 kelebihan = (0,2) (2,0) = 0,4
Mol O2 total yang masuk = 2,4
Mol N2 yang masuk = (2,4) (79/21) = 9,03
Reaksi:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O
CH4
O2
CO2
H 2O
N2
Masuk
1,00
2,40
0,00
0,00
9,03
Bereaksi
1,00
2,00
0,00
0,00
0,00
1,00
2,00
0,00
1,00
2,00
9,03
Hasil reaksi
Keluar
0,00
0,40
35.
HP
Reaktan pada 1 bar
dan 25C:
CH4 1,00 mol
O2
2,40 mol
N2
9,03 mol
H298
Produk pada 1 bar
dan T K:
CO2 1,00 mol
H2O 2,00 mol
O2
0,40 mol
N2
9,03 mol
Produk pada 1 bar
dan 298 K:
CO2 1,00 mol
H2O 2,00 mol
O2
0,40 mol
N2
9,03 mol
36. Neraca energi:
H298 HP H 0
HP adalah panas sensibel untuk menaikkan temperatur produk
dari 298,15 K menjadi T K
T C
Pi
ni CP
i
HP ni R
dT R
i
T0 R
T0 i R
T
dT
R ni Ai ni Bi T ni Ci T 2 ni Di T 2 dT
i
i
i
T0 i
T
T
ni Bi
ni Ci
i
T2 i
T 3 n D 1 駈
R ni A i T
э i i 件
2
3
i
T 醐
i
T0
ni Bi
ni Ci
i
T2 T2 i
T 3 T 3 n D 1 1 駈
R ni A i T T0
э i i 件
0
0
T T
2
3
i
醐
i
0 醐
37. ni Ai (1) (5,457) + (2) (3,470) + (0,4) (3,639) + (9,03) (3,280)
i
= 43,471
Dengan cara yang sama akan diperoleh:
ni Bi 9,502 10
i
3
ni Di 0,645 10 5
ni Ci 0
i
i
Jika dimasukkan ke persamaan untuk HP:
HP 8,314 43,471T 298,15 4,751 103 T 2 298,152
1 駈
1
0,645 10 5
T 298 ,15
Persamaan neraca energi menjadi:
802.625 8,314 43,471T 298,15 4,751 103 T 2 298,152
1 駈
1
0,645 10 5
件 0
T 298 ,15
T = 2066,3 K
39. CONTOH SOAL
Sebuah boiler menggunakan bahan bakar minyak kualitas tinggi
(hanya berisi hidrokarbon) yang memiliki panas pembakaran standar
43.515 J g-1 pada 25C dengan CO2(g) dan H2O(l) sebagai produk.
Temperatur bahan bakar dan minyak masuk ke ruang pembakaran
pada 25C. Udara dianggap kering. Gas hasil pembakaran keluar dari
boiler pada 300C, dan analisis rata-ratanya adalah (basis kering)
11,2% CO2, 0,4% CO, 6,2% O2 dan 82,2% N2. Berapa bagian dari
panas pembakaran yang ditransfer sebagai panas ke boiler?
PENYELESAIAN
Basis: 100 mol gas hasil pembakaran kering:
CO2
11,2 mol
CO
0,4 mol
O2
6,2 mol
N2
82,2 mol
-----------------------Total 100,0 mol
40. NERACA O
Masuk:
Masuk sebagai O2 (dalam udara) =
21
= 21,85 mol
79
Masuk sebagai O (dalam udara) = 2 21,85 mol = 43,7 mol
82,2
Keluar:
Dalam CO2
= 2 11,20 = 22,40 mol
Dalam CO
= 0,40 mol
Dalam O2 sisa = 2 6,20
= 12,40 mol
-------------------------------------------------------Total O selain H2O
= 35,20 mol
Jadi O yang bereaksi membentuk H2O = 43,7 35,2 = 8,5 mol
H2O yang terbentuk = 8,50 mol
Total O yang bereaksi = 22,4 + 0,4 + 8,5 = 31,3 mol
Kesimpulan:
Total O2 yang bereaksi = 遜 31,3 = 15,65 mol
41. NERACA C
Keluar:
Sebagai CO2 = 11,20 mol
Sebagai CO
= 0,40 mol
--------------------------------------Total
= 11,60 mol
Masuk:
Mol C masuk = mol C keluar = 11,60 mol
NERACA H
Keluar:
Sebagai H2O
= 2 8,50 = 17,0 mol
Masuk:
Mol H masuk = mol H keluar = 17,0 mol
KESIMPULAN
Rumus molekul bahan bakar = C11,6H17
42. C dan H2 semuanya berasal dari bahan bakar, sehingga total berat
bahan bakar yang masuk adalah
= (11,60) (12) + (8,50) (2) = 156,2 g
Reaksi pembakaran jika bahan bakar terbakar sempurna membentuk
CO2(g) dan H2O(l) adalah:
C11,6H17(l) + 15,85 O2(g) 11,6 CO2(g) + 8,5 H2O(l)
H298 = 43.515 J/g
Jika semua bahan bakar terbakar sempurna membentuk CO2(g)
dan H2O(l) pada 25C, maka panas pembakarannya adalah:
H 43.515 J g 156,2 g 6.797.040 J
298
43. Analisis hasil pembakaran menunjukkan bahwa pembakaran
berlangsung tidak sempurna (karena terbentuknya CO) dan H2O
berupa gas bukan cairan.
Reaksi yang terjadi:
C11,6H17(l) + 15,65 O2(g) 11,2 CO2(g) + 0,4 CO(g) + 8,5 H2O(g)
Panas reaksi untuk reaksi tersebut dapat dihitung dengan
menggunakan berbagai panas reaksi yang telah diketahui
datanya.
44. Reaksi di atas merupakan penjumlahan dari reaksi2 sbb.:
C11,6H17(l) + 15,85 O2(g) 11,6 CO2(g) + 8,5 H2O(l)
8,5 H2O(l) 8,5 H2O(g)
0,4 CO2(g) 0,4 CO(g) + 0,2 O2(g)
C11,6H17(l) + 15,65 O2(g) 11,2 CO2(g) + 0,4 CO(g) + 8,5 H2O(g)
Panas reaksi standar total pada 25C:
H298 6.797.040 44.0128,5 282.9840,4 6.309.740 J
45.
HP
Reaktan pada 1 bar
dan 25C:
fuel 152,2 g
O2
21,85 mol
N2
82,20 mol
H298
Produk pada 1 bar
dan 300C:
CO2 11,2 mol
CO
0,4 mol
H 2O
8,5 mol
O2
6,2 mol
N2
82,2 mol
Produk pada 1 bar
dan 298K:
CO2 11,2 mol
CO
0,4 mol
H 2O
8,5 mol
O2
6,2 mol
N2
82,2 mol
46. T C
Pi
ni CP
i
HP ni R
dT R
i
T0 R
T0 i R
T
dT
ni Bi
ni Ci
i
T2 T2 i
T 3 T 3 n D 1 1 駈
R ni A i T T0
э i i 件
0
0
T T
2
3
i
醐
i
0 醐
ni Bi 76,134 10 3
ni Ai 384,142
i
i
ni Di 10,0617 10 5
ni Ci 0
i
i
Jika dimasukkan ke persamaan untuk HP:
HP 8,314 384,142573,15 298,15
1 駈
1
76,134 10 3 573 ,15 2 298 ,15 2 0,645 10 5
件
T 298 ,15
= 940.660 J
47.
H H298 HP
= 6.309.740 + 940.660 = 5.369.080 J
Proses pembakaran ini merupakan proses alir tunak dengan:
WS = 0
EK = 0
EP = 0
Maka: H = Q
Q = 5.369.080 J merupakan panas yang ditransfer ke boiler
Jadi fraksi panas pembakaran yang ditransfer ke boiler adalah:
5.369.080
100% 79,0%
6.797.040
49. Methane gas is burned completely with
30% excess air at approximately
atmospheric pressure. Both the methane
and the air enter the furnace at 303.15 K
(30属C) saturated with water vapor, and the
flue gases leave the furnace at 1773.15 K
(1500属C). The flue gases then pass
through a heat exchanger from which
they emerge at 323.15 K (50属C).
Per mole of methane, how much heat is
lost from the furnace, and how much heat
is transferred in the heat exchanger?
