BAB IV NERACA ENERGI UNTUK SISTEM TANPA REAKSI
4.1. Pengantar Dalam persamaan neraca energ !alam s"at" s#stem !perl"$an %arga entalp !an energ !alam !mana %arga n mer"pa$an s&at ma$r's$'p$ sstem #ang !tent"$an pa!a $ea!aan a(al !an a$%r s"at" pr'ses. A!a pertan#aan #ang %ar"s !)a(a* $et$a men#elesa$an pers'alan neraca energ at"+ -
Apa$a% s&at ma$r's$'ps , !an U a!ala% &"ngs -
-
Bla Bla , !an !an U mer" mer"pa pa$a $an n &"ng &"ngs s #ang #ang sela selala la" " !pe !per' r'le le% % *aga *agama mana na mengg"na$ann#a-
-
Bagamana Bagama na salng "*a% per%t"ngan per%t "ngan antara , !an U -
Salng "*a% antara s"%" te$anan $'mp'ss &ase entalp !an energ !alam pa!a "m"mn#a r"mt. Dalam peneracaan energ a!a *e*erapa anggapan #at"+ 1. /ase /ase sste sstem m selal selal" " !$eta !$eta%" %" 0. Pengar"% Pengar"% te$anan pa!a , !an U !*a$an !*a$an.. . Sem"a Sem"a camp camp"ra "ran n a!ala a!ala% % !eal. !eal.
4.0. Neraca Energ mengg"na$an Data Ta*el Term'!nam$a Ar a!ala% 2at #ang palng semp"rna !$eta%" !an tela% !ta*el$an &"ngs entalp !an energ !alam. Ar !apat !alam &ase pa!at car ata" "ap !an pa!a $'n!s tertent" !per'le% !alam $esetm*angan. Ta*el "ap !apat !sa)$an !alam tga t ga m'!el #at" ta*el temperat"r temperat"r "ap "ap )en"% ta*el te$anan te$anan "ap "ap )en"% !an ta*el "ap le(at )en"% 3superheated.
C'nt'% S'al 4.1 a. ,t"ng entalp 1 $g ar )en"% 56'C !an tent"$an te$anan "ap. *. ,t"ng entalp 16 $g "ap )en"% 16 *ar !an tent"$an 7'l"me spas&$ c. ,t"ng energ !alam 1 $g "ap )en"% pa!a 7'l"me spas&$ 006 m 8$g !. ,t"ng entalp 166 $g "ap pa!a 06 *ar !an 966 'C !an %t"ng !era)at s"per%eate!n#a
Pen#elesaan+ B"$a ta*el "ap + a. Pa!a s"%" 56'C P "ap )en"% : 64;< entalp spes&$ : 4= $>8$g. Entalp 1 $g a!ala% 4= $> *. Pa!a 1 *ar "ap )en"% entalp spes&$ "ap )en"% 0<;94 $>8$g spes&$ 7'l"me 1<=4 m8$g. Entalp 16 $g "ap : 0<.;94 $> c. V'l"me a!ala% 7ara*el $ea!aan n!epen!en car 7'l"me spes&$ 006 pa!a ta*el "ap !per'le% s"%" )an"% =0 'C !. Pa!a 06 *ar temperat"r )en"%n#a : 0104'C 3 Ta*el "ap pa!a s'al !se*"t s"%" "ap 966 'C ma$a !era)at le(at )en"% : 966 ? 0104 : 05;< 'C. Unt"$ menent"$an entalp spes&$ *"$a ta*el "ap le(at )en"% 06 *ar !an 966 'C !per'le% entalp spes&$ 4<; $>8$g ma$a entalp 166 $g a!ala% 4<.;66 $>
Bla !ata #ang !ngn$an *era!a pa!a antara !"a *"a% %arga ! ta*el ma$a !ata #ang !ngn$an %ar"s !nterp'las. C'nt'% l%at ta*el *er$"t+ P(bar) 100 10 10"
Simbol interpolasi xU xi x#
R"m"s nterp'las a!ala%+ y y
i
U
−
L
y
−
y
L
=
x x
i
U
−
L
x
−
L
x
H (kJ/kg) 2727,7 ! 271$,7
Simbol interpolasi yU yi y#
ata"+ y i
=
y L
+
x i x
U
−
x L
−
L
( yU
−
y L )
x
C'nt'% s'al 4.0. Tent"$an entalp spes&$ !an 7'l"me spes&$ "ap pa!a 9 *ar !an 06 'C.
Pen#elesaan+ Pa!a 9 *ar temperat"r )en"% 1915 'C 3ta*el "ap pa!a $'n!s ! atas "ap $ea!aan le(at )e"%. Dar ta*el "ap le(at )en"% !ata #ang !per'le% a!ala% "nt"$ s"%" 66 !an 96'C "nt"$ mengestmas V !an , !g"na$an ntrp'las.
s%&% 00 20 "0
H 0" Hi 1$
' 0"22 'i 0"71
Dengan mengg"na$an r"m"s nterp'las ma$a !per'le%+ , : 16<0 $>8$g 3g"na$an E@cel V : 6940 m8$g
Kualitas Uap Dalam pr'ses te$n$ $ma serng !)"mpa camp"ran "ap !an caran. In *erart *a%(a camp"ran !alam $ea!aan )en"%. /ra$s "ap )en"% !alam camp"ran "ap car !se*"t kualitas uap (X). Bla
: 6 *erart sem"a caran : 1 *erart sem"a "ap
S&ats&at camp"ran "ap !an car !apat !%t"ng men"r"t r"m"s *er$"t+
C'nt'% 4.. ,t"ng P V , !an U "nt"$ "ap *asa% pa!a 06 'C !an $"altas 64
Pen#elesaan+ Dar ta*el "ap )en"% !per'le%+
Dengan menggunakan rumus diatas, maka diperoleh:
C'nt'% 4.4. Be)ana 6 m *ers 16 $g ar pa!a P <6 *ar. ,t"ng T !an , camp"ran ar"ap.
Pen#elesaan+ V'l"me spes&$ s *e)ana a!ala%+ 6 m 816 $g : 66 m8$g.
Pa!a <6 *ar !per'le% V car : 66611= !an V "ap : 6604 ma$a !apat !%t"ng $"altas "ap
>a! "ap se*an#a$ =0 !an caran : ;;. Entalp camp"ran a!ala,+
4.. Apl$as Neraca Energ !alam Sstem Tert"t"p
Persamaan neraca energ !apat !t"ls !alam *ent"$+
Serng energ $net$ !an p'tensal !a*a$an ma$a persamaan men)a!+
Dalam sstem tert"t"p "sa%a !apat !n#ata$an !alam $'mpres ata" e$spans se%ngga persamaan !apat !t"ls !alam *ent"$+
Bla P $'nstan ma$a .
C'nt'% 4.9.
!an entalp !apat !t"ls !alam *ent"$
1 $g "ap pa!a 1 *ar !s $e !alam sln!er !engan l"as penampang 1<= m 0 anggap t"t"p m"!a% *ergera$ !an t!a$ a!a $e*'c'ran. Sln!er !panas$an secara e$sternal se%gga s"%" *ertam*a% !ar 166 men)a! 66 'C. Anggap t!a$ a!a panas %lang $e lng$"ngan %t"ng *an#a$n#a panas #ang !perl"$an "nt"$ pr'ses n.
Pen#elesaan+ Unt"$ sstem tert"t"p *erla$" +
Pa!a $as"s n energ $net$ : 6 a!a per"*a%an $etnggan $arena e$spans t"t"p sln!er. Unt"$ ta*el "ap le(at )en"% pa!a 166 ' C !an 1 *ar entalp "ap 0<;< $>8$g !an spes&$ 7'l"me 1<= m8$g semetara pa!a 66 'C !an 1 *ar spese&$ entap : 6;4 >8$g !an 7'l"me spes&$ : 0<4 m 8$g. Dengan mengg"na$an neraca ! atas !apat !%t"ng+
P"sat $etnggan massa sln!er a!ala% 2 : 80 : V8A !per'le%+
>elas !sn *a%(a energ p'tensal t!a$ sgn&$an. Selama pr'ses sstem mela$"$an "sa%a e$spans ma$a "sa%a !apat !%t"ng !engan mengg"na$an r"m"s+
!mana P : $'nstan.
)a! t'tal energ #ang !trans&er $e sstem se*aga panas 3=5 $> se$tar F 3=9 $> !$'ns"ms 'le% sstem !alam "sa%a e$spans. Energ !alam sstem na$ #at"+
C'nt'% 4.<. 1 $g "ap pa!a 166'C !an 1 *ar ! s !alam s"at" *e)ana *erte$anan. Berapa panas #ang !perl"$an "nt"$ mena$$an s"%" "ap !alam *e)ana men)a! 66 'C !an *erapa te$anan a$%r. Pen#elesaan+ Anggapan+ -
t!a$ a!a "ap #ang %lang
-
pr'ses 7'l"me $'nstan 3ta$ a!a per"*a%an 7'l"me *e)ana
-
t!a$ a!a panas #ang %lang $e lng$"ngan
Dengan anggapan terse*"t neraca energ !apat !t"ls+
Karena 7'l"me tetap ma$a persamaan !apat !t"ls+
Pa!a 166'C !an 1 *ar V spes&$"ap : 1<= m8$g $arena sstem tert"t"p ma$a 7'l"me spas&$ a$%r pr'ses tetap #at"+
>elas !sn pa!a 66'C "ap a$an men)a! le(at )en"%. 1 *ar !an 66'C 7'l"me spes&$ : 0<4 m8$g sementara pa!a 9 *ar !an 66 'C 7'l"me spes&$ : 6900 m8$g. Kea!aan a$%r antara !"a %arga terse*"t !enga mengg"na$an r"m"s nterplas !per'le%+
Se%ngga+
Harga Energi Absolut dan Relatif ,arga entalp !an energ !alam pa!a persamaan neraca energ secara a$t"al a!ala% %erga entalp !an energ !alam a*s'l"t. Se!ang$an %arga entalp !an energ !alam !alam ta*el a!ala% %arga relat& !engan as"ms nla energ !alam pa!a triple point a!ala% n'l.
!mana+ a!ala% energ !alam a*s'l"t !an
Po a!ala% energ !alam relat& ter%a!ap $ea!aan re&erens
G"na$an entalp relat& !alam peneracaan se*a* energ !alam $ea!aan re&erens !apat !gant !alam persamaan neraca. Bla Û= Ûr + Ûo !s"*st"s $e persamaan %"$"m pertama term'!nam$a ma$a !per'le%+
Q – W = m(Û2- Û1 )= m[(Û2r + Ûo )-( Û1r+ Ûo )] = m(Û2r - Û1r ) >a! neraca energ !apat !t"ls !alam *ent"$ energ !alam a*s'l"t !an relat&. Nam"n !alam pengg"naan %arga entalp !an energ !alam %ar"s re&erens #ang sama. Bla t!a$ mengg"na$an re&erens #ang sama ma$a %ar"s!la$"$an $'re$s. Msaln#a s"at" ta*el energ !alam memp"n#a re&erens a sementara ta*el lan energ !alam "nt"$ 2at #ang sama memp"n#a re&erens b. Unt"$ mer"*a% entalp realt& $e a (U-
Ua ) !an entalp realt& b (U-Ub ) !apat !r"m"s$an+ (U-Ub )= (U-Ua )- (Ub –Ua )
C'nt'% 4.;. ,t"ng panas #ang !perl"$an "nt"$ mena$$an 1 $g "ap pa!a 59 *ar !ar 966 men)a! 51<'C. D$eta%" entalp spes&$ pa!a s"%" 51< 'C relat& ter%a!ap "ap )en"% pa!a 16109 *ar 31 atm.
Pen#elesaan+ Pa!a te$anan $'nstan +
. Entalp pa!a $'n!s a(al !%t"ng !engan
mengntrp'las !ata ta*el "ap le(at )en"%+
Entalp n relat& ter%a!ap ar pa!a triple point . Unt"$ mer"*a% entalp 116 $>8$g $e re&erens trple p'nt ma$a !g"na$an r"m"s $'re$s +
K"anttas
men"n)"$$an entalp "ap 1 atm relat& ter%a!ap triple point .
Dar ta*el "ap )en"% !per'le% %argan#a 0<;<6 $>8$g. Se%ngga +
A$%rn#a
4.. Apl$as Neraca Energ pa!a Sstem Ter*"$a Secara "m"m *ent"$ neraca energ "nt"$ sstem ter*"$a #ang mel*at$an alran mas"$ !an $el"ar a!ala% +
Be*erapa %al #ang pentng !per%at$an !alam pengg"naan persamaan n+ a. >elas !e&ns *atasan sstem. *. ,at%at menetap$an s"$"s"$" #ang !apat !a*a$an !alam pen#elesaan masala%. c. Per$sa sem"a panas !an "sa%a #ang terl*at !alam sstem. !. Past$an sem"a s"m*er !ata entalp "nt"$ sem"a $'mp'nen re&erens #ang
memp"n#a
sama.
C'nt'% S'al 4.5 Uap pa!a 066'C !an ; *ar mas"$ $e !alam n'2el %'r2'ntal pa!a la)" <6 m8!et. Uap $el"ar pa!a la)" <66 m8!et !an te$anan *er$"rang 14 *ar. ,t"ng s"%" !an $"altas "ap.
Pen#elesaan+ /"ngs N'2el+ menng$at$an energ $net$ &l"!a !engan meng"rang te$anan. Sstem !anggap sepert gam*ar *er$"t+
Persamaan neraca energ !apat !t"ls+
Pa!a sstem n *erla$"+ -
Pr'ses !anggap a!a*at$+ !8!t : 6 T!a$ a!a e$spans ata" $'mpress #ang *erart sstem t!a$ mela$"$an "sa%a !H8!t : 6.
-
t!a$ a!a per"*a%an $etnggan "mpan !an $el"aran 2 1 : 20 >"mla% 2at mas"$ : )"mla% 2at $el"ar
Ber!asar$an %al n ma$a persamaan !apat !t"ls men)a!+
ata"
Pa!a 066'C !an ; *ar "ap $ea!aan le(at )en"% !an setela% !nterp'las entalp pes&$n#a : 0545 $>8$g. Se%ngga !apat !%t"ng entalp "ap $el"ar n'2el.
Unt"$ menent"$an stat"s "ap $el"ar pa!a te$anan 14 *ar perl" !ce$ ta*el "ap )en"%. Pa!a $ea!aan )en"% entalp "ap pa!a 14 *ar a!ala% 0<=6 $>8$g !an entalp ar : 4994 $>8$g. Tela% !%t"ng entalp $el"ar a!ala% 0<<9< $>8$g nla entalp antara "ap !an ar )en"% n *erart stat"s "ap $el"ar a!ala% camp"ran a"p !an ar 3$'n!ensat pa!a s"%" 16= 'C. Ma$a $"altas "ap !apat !%t"ng+
: 6=5= se%ngga !per'le% &ra$s $'n!esat se*an#a$ 1 ? 6=5= : 6611.
C'nt'% 4.=. Dalam sstem "ap penggera$ t"r*n 3l%at gam*ar *er$"t "ap )en"% pa!a 149 psa !engan $ecepatan 166 &t8!et !le(at$an melal" s"per%eater !engan la)" pemanasan 66 BTU8l*m. Uap le(at )en"% n !e$spans$an melal" t"r*n "nt"$ mem"tar s"m*" 96 ,P !an a$%rn#a "ap !le(at$an melal" !&"ser pa!a te$anan 19 psa !an $ecepatan 1 &t8!et. Per*e!aan tngg np"t !an a'"tp"t a!ala% 066 &t. ,t"ng s"%" !an $"altas "ap $el"ar as"ms$an la)" alr "ap 66 l*8)am. Pen#elesaan+
Neraca energ+
Karena per%t"ngan !alam sat"an satem Amercan Engeerng 3AE ma$a sem"a per%t"ngan %ar"s !ses"a$an.
!alam %al n ! 1 = ! 2 ma$a persamaan !apat !t"ls men)a!+
Unt"$ menge7al"as entalp spes&$ pa!a $'n!s nlet %ar"s !$'n7ers 149 psa $e sat"an SI #at" 16 *ar !mana entalp spas&$n#a 0;;<0 $>8$g. Kem"!an $'n7ers$an $e sat"an AE !per'le%+
Se%ngga persamaan neraca energ men)a!+
Pa!a te$anan 19 psa ata" 16 *ar entalp spes&$ "ap )en"% le*% *esar !ar %arga #ang !per'le% n *erma$na "ap !alam $ea!aan *asa%. Setela% !nterp'las !per'le% entalp spes&$ "ap !an ar )en"% pa!a 16 *ar masngmasng 0;<;; !an 4014 $>8$g. Ma$a !apat !%t"ng $"altas "ap.
S"%" $el"ar !apat !%t"ng *er!apasr$an r"m"s nterp'las #at" 1669 'C. Kala" !per%at$an !ar !"a c'nt'% ! atas tern#ata %arga energ p'tensal !an $net$ sangat $ecl. Kea!aan n a$an serng !)"mpa !alam apl$as pr'ses $ma
!mana $e*an#a$an "nt pr'ses ter!r !ar tan$ #ang tetap 7'l"me. Unt"$ $as"s n !H8!t : 6 se%ngga "nt"$ neraca energ $ea!aan t"na$ !apat !t"ls men)a!+
In a!ala% persamaan !asar "nt"$ sem"a per"*a%an $an!"ngan energ pr'ses #ang ter)a! se*aga %asl perpn!a%an panas $e ata" !ar sstem. Dengan mengas"ms$an *ass (a$t" msln#a 1 )am ma$a persamaan !atas !apat !t"ls men)a!+
Bent"$ persamaan n !ent$ !engan persamaan #ang !t"r"n$an "nt"$ sstem te$anan tetap tert"t"p.
C'nt'% 4.16+ Uap !g"na$an "nt"$ memanas$an 66 $g8)am ar pr'ses pa!a te$anan 9 *ar !ar 96'C sampa 196'C mengg"na$an pen"$ar panas double pipe. Uap pa!a te$anan 16 *ar !an )en"%. Dper'le% $'n!ensat )en"%. ,t"ng la)" alr "ap #ang !perl"$an.
Pen#elesaan+
Perl" !per%at$an t!a$ a!a pencamp"ran antara "ap pemanas !engan ar #ang !panas$an. Unt"$ mem"!a%$an pema%aman perpn!a%an panas !alam sstem n !gam*ar$an sepert *er$"t n+
Sstm !*atas 'le% gars p"t"sp"t"s !an sstem !s'las se%ngga t!a$ a!a panas #ang %lang 3!8!t : 6. T!a$ a!a per"*a%an energ $net$ !an p'tensal serta sstem t!a$mela$"$an $er)a. Ma$a neraca energ "nt"$ sstem sepert n a!ala%+
Ke!"a alran t!a$ *ercamp"r se%ngga +
Selan)"tn#a+
Pa!a 16 *ar entalp "ap !an ar )en"% masngmasng 0;;<0 !an ;<0< $>8$g. Entalp ar pa!a 9 *ar !an 96 'C !an 196'C masngmasng 06=; $>8$g !an <00 $>8$g.
S"*st"s sem"a %arga #ang !$eta%" $e persamaan !per'le%+
Neraca energ pa!a ss ar a!ala%+
Se!ang pa!a ss "ap neraca energn#a a!ala%+
