BAB 2 TERMODINAMIKA REAKSI KIMIA
Reaksi pembakaran merupakan salah satu contoh proses di mana terjadi reaksi kimia. Reaksi pembakaran memegang peranan yang sangat penting dalam pembangkitan energi primer yang terkandung dalam bahan bakat untuk diubah menjadi energi termal.
Untuk sistem dimana tidak terjadi reaksi kimia maka energi yang dipunyai oleh suatu zat akan akan terdiri terdiri dari energi dalam sensibel (yang ditentukan oleh gerakan molekul dan berubah dengan perubahan p perubahan p dan dan T ) dan energi dalam laten (berubah karena adanya perubahan fasa)
Untuk sistem dengan reaksi kimia maka selain dari 2 bentuk energi dalam di atas maka akan ada energi dalam kimia (chemical ( chemical internal energy) energy) yang berubah-ubah dengan adanya pembentukan atau pelepasan ikatan antar atom.
2.1 Stoikiometri Pembakaran
Contoh reaksi kimia 1C
!
1"2
1C"2
Reaksi di atas dapat diinterpretasikan sebagai #. 1 kmol C ditambah 1 kmol "2 menghasilkan 1 kmol C"2 tidak berlaku kekekalan mol. 2. (1 M C) kg C bereaksi dengan ( 1 M "2 mana M i "2) kg " 2 menghasilkan ( 1 M C"2 C"2) kg C" 2 di mana M adal adalah ah berat berat moleku molekull unsu unsurr i. $eng $engan an kata kata lain lain #2 kg C bere bereak aksi si deng dengan an %2 kg " 2 menghasilkan && kg C" 2 berlaku hukum kekekalan massa
2.2 Proses Pembakaran Teori dan Akt!aln"a
'ecara teoritis proses pembakaran akan terjadi secara kompletsempurna apabila jumlah udara yang tersedia adalah cukup sehingga semua unsur karbon C berubah menjadi karbon dioksida C"2 semua unsur hidrogen * berubah menjadi air * 2" +etapi pada kenyataannya proses pembakaran berlangsung tidak sempurna yaitu tidak memenuhi syarat seperti di atas (timbulnya C *2 C" "* atau yang lain). *al ini dapat disebabkan oleh kekurangan oksigen kualitas campuran bahan bakar dan udara yang tidak baik terjadi disosiasi (pecahnya unsur-unsur stabil yang kemudian membentuk unsur baru)
$isini #embakaran tidak sem#!rna didefinisikan sebagai proses pembakaran yang jumlah oksigennya tidak memenuhi jumlah udara stoikiometristeoritis untuk pembakaran sempurna.
'edangkan #embakaran stoikiometris$teoritis adalah apabila bahan bakar terbakar sempurna dengan jumlah udara minimum. Udara minimum ini disebut sebagai udara teori. $engan kata lain pembakaran stoikiometris adalah pembakaran sempurna tanpa menyisakan oksigen "2 dalam produk pembakarannya. ,embakaran stoikiometris dengan bahan bakar hidrokarbon C * dapat dinyatakan secara umum sebagai C* ! ( +
&
) ("2 ! %/2)
C"2 ! 2*2" ! % ( +
&
) /2
,ada prakteknya dengan tujuan (a) menjamin sempurnanya proses pembakaran danatau (b) menurunkan temperatur pembakaran maka disuplai udara dalam jumlah yang berlebih. 0elebihan jumlah udara dibandingkan jumlah udara teoristoikiometris disebut !dara lebi% (excess air ) dimana 1udara lebih
mudaraa mudaras mudaras
Untuk mengetahui seberapa banyak udara yang digunakan dibandingkan dengan jumlah udara teoristoikiometris didefinisikan 1udara teoritis
mudaraa mudara s
#1
dimana a dan s masing-masing menunjukkan kondisi aktual dan stoikiometristeoritis. definisi ini maka hubungan antara 1udara lebih dan 1udara teori x 1 udara lebih (# + x ) 1udara teori
0ondisi campuran reaksi pembakaran juga dapat dinyatakan sebagai berikut Air-Fuel Ratio
� mudara 34R � �m bb
�m � & �( + &) MW udara 34R st � udara � # MW bb �m bb � st
Equivalence Ratio F
1 Stoichiometric Air
AFR st AFR
FAR FAR st
$ari
1 stoichiometric air
#1 F
1 Excess Air 1 excess air
(# F) F
#1 �
ontoh Soal 'atu kmol bensin dibakar dengan 2 kmol udara kering. 3pabila diasumsikan produk pembakaran terdiri dari C" 2 *2" "2 /2 tentukan jumlah mol dari tiap gas dan 34R-nya. Udara kering di sini didefinisikan sebagai udara dengan komposisi 2#1 " 2 dan 51 / 2.
Solusi Reaksi pembakaran yang terjadi adalah sempurna tetapi bukan reaksi stoikiometris. ,ersamaan reaksi yang terjadi adalah C6*#6 !
2("2 ! %/2)
x C"2
!
y*2"
!
z "2
!
w /2
$ari hukum kekekalan massa (atau kekekalan jumlah atom) maka C
67 x
x76
*
#672 y
y75
"
&72 x ! y ! 2 !
! 78
/2
(2)(%)7"
"782
$ari sini maka persamaan lengkapnya adalah C6*#6 !
2("2 ! %/ 2)
6C"2
!
5*2"
!
8"2
!
82/2
Rasio massa udara dan bahan bakar 34R aktual 34R
mudara mbb 2 (# + %.) 25 # (6 #2 + #6 #)
2&2 kg - udarakg - bb
ontoh Soal 9tana (C2*) dibakar dengan 21 udara lebih. 3pabila pembakaran berlangsung sempurna dan dilakukan pada # k,a tentukan 34R.
Solusi 9tana (C2*) dari rumus umum 72 7 sehingga persamaan kimia untuk reaksi stoikiometrisnya
C2* ! %8("2 ! %/2)
2C"2 ! %*2" ! (%8%)/2
0arena udara lebih sama dengan 21 (udara aktual 12&') maka persamaan kimia menjadi C2* ! (%8 12&')("2 ! %/2)
2C"2 ! %*2" ! (%8 21)"2 ! (%8%12&')/2
(a) Rasio massa udara dan bahan bakar 34R
mudara mbb %8 #21 (# + %.) 25 # ( 2 #2 + . #)
#5% kg - udarakg - bb
ontoh Soal :ensin dibakar dengan udara kering. 3nalisa ;olumetris se(ara kering terhadap produk pembakaran menunjukkan C"2 (#21) "2(821) C"(661) / 2(6%&61). +entukan (a) 34R (b) 1udara teori yang digunakan.
Solusi $i sini yang perlu diperhatikan adalah analisa se(ara kering tidak bisa mendeteksi air (tetapi tidak berarti air tidak terbentuk <).
$engan asumsi produk pembakaran adalah gas ideal maka perbandingan ;olume menunjukkan perbandingan jumlah mol. 'ehingga apabila jumlah produk pembakaran yang terdeteksi ada # kmol maka x C6*#6 ! a("2 ! %/2)
#2C" 2 ! 66C" ! 82" 2 ! 6%&6/ 2 ! b*2"
$ari kekekalan jumlah atom sebelum dan sesudah reaksi didapatkan a7222 x 7#% b7#22& sehingga 1)*C6*#6 ! 222("2 ! %/2)
#2C" 2 ! 66C" ! 82" 2 ! 6%&6/ 2 ! 122+*2"
,ersamaan reaksi pembakaran untuk # kmol bahan bakar C6*#6 ! #%2("2 ! %/2)
%C"2 ! 8C" ! &#%" 2 ! #%6/ 2 ! 5*2"
(a) Rasio massa udara dan bahan bakar 34R
m udara mbb #.%2 (# + %.) 25 # (6 #2 + #6 #)
#5. kg - udarakg - bb
(b) Untuk mengetahui berapa 1udara teori yang dipakai harus ditentukan reaksi stoikiometrisnya untuk dibandingkan. 0arena C 6*#6 maka dari rumus umum 76 7#6 7 maka rumus reaksi stoikiometrisnya adalah C6*#6 ! #28("2 ! %/2)
6C"2 ! 5*2" ! #28% /2
sehingga m
1udara teori
udara)a
m
udara)s
#.)%2 &)-. 25 #2)8 &)-. 25
#%#1
2.) Ental#i Pembakaran dan Ental#i Pembent!kan
$alam suatu sistem yang didalamnya terjadi reaksi pembakaran (reaksi kimia) E sys E keadaan + E kimia
$ari persamaan ini maka apabila kondisi sistem inlet dan outlet adalah sama maka perubahan energi sistem akan sama dengan perubahan energi kimia dari unsur-unsur yang ada di sistem sehingga dalam termodinamika pembakaran dikenal ental#i #embakaran (enthalpy o# combustion).
9ntalpi pembakaran adalah perbedaan entalpi antara produk pembakaran pada keadaan tertentu dan reaktan pada keadaan yang sama untuk suatu reaksi pembakaran yang sempurna atau bisa juga diartikan sebagai jumlah kalor yang dilepas selama proses pembakaran steadi oleh # kmol atau # kg bahan bakar yang terbakar sempurna pada temperatur dan tekanan tertentu. 'ecara matematis bisa dituliskan hC $ , $ R
Untuk bahan bakar tertentu pada 28C # atm maka harga entalpi pembakaran hC dapat dilihat dari +abel 3-2. Untuk bahan bakar yang tidak tercantum dalam tabel bisa juga dicari entalpi pembakarannya dari ental#i #embent!kan (enthalpy o# #ormation) unsur-unsurnya.
o 9ntalpi pembentukan h # dapat dilihat dari +abel 3-2 dimana ( ) menunjukkan nilai pada
kondisi standar. $alam +abel 3-2 bisa dilihat bah=a untuk unsur-unsur yang stabil " 2 /2 * 2 dan C) pada kondisi referensi standar (28C # atm) maka harganya adalah nol.
$alam prakteknya istilah yang sering digunakan untuk menunjukkan besarnya energi yang dilepaskan oleh bahan bakar adalah nilai kalor (heating value *>) dimana besarnya adalah *>
hC
@kAjg - fuel?
/ilai kalor ini dibagi menjadi 2 tergantung kepada fasa air dalam produknya. $igher $eating %alue **> apabila produk * 2" dalam fasa cair &o"er $eating %alue B*> apabila produk * 2" dalam fasa gas dimana hubungan antara **> dan B*> adalah **> B*> + ( ' hfg ) * 2"
di sini ' jumlah mol air hfg entalpi penguapan air pada temperatur tertentu @kAkmol?.
ontoh Soal +entukan entalpi pembakaran dari gas oktana pada 28C # atm menggunakan tabel entalpi pembentukan. 3sumsikan air dalam bentuk fasa cair.
Solusi 9ntalpi pembakaran didapatkan pada reaksi stoikiometris. as oktana 7 C 6*#6 maka dari rumus umum 76 7#6 7 maka rumus reaksi stoikiometrisnya adalah C6*#6 ! #28("2 ! %/ 2)
6C"2 ! #28%/ 2 ! 5*2"
9ntalpi pembakaran dihitung dari hC
$ ,
( ' h # o ) ,
( ' h # o ) C"2
$ R
( ' h # o ) R +
( ' h # o ) *2"
( ' h # o ) C6*#6
$ari +abel 3-2 diketahui h # oC" 2 %5% .82 kAkmol
h # o* 2" 268 .6% kAkmol h # oC6*#6 26.&8 kAkmol
sehingga hC (6 %5%.82) + (5 268.6%) (# 26.&8)
8.8#2.#6 kAkmol - C 6 *#6
2.+ Analisa ,!k!m Pertama Sistem dengan Reaksi
,ada prinsipnya disini yang membedakan dengan sistem tanpa reaksi adalah hanya pada timbulnya suku yang menunjukkan energi kimia.
Sistem Terbu(a )Steadi* 9ntalpi absolut ( standardi!ed enthalpy) suatu zat pada suatu kondisi tertentu dituliskan sebagai berikut
h (T ) h #o (Tre# ) +
h #o
+
(hs
T
�h (T ) T re#
s
hs o )
,ersamaan ini menunjukkan bah=a entalpi absolut dari suatu zat dalam sistem dengan reaksi o akan sama dengan entalpi formasi pada kondisi standar h # ditambah dengan entalpi sensibel
o
relatif terhadap kondisi referensi (h s hs ) . $i sini tanda ( o ) menunjukkan kondisi referensi. Untuk selanjutnya subscript ( s ) yang menunjukkan sensibel dihilangkan.
3pabila perubahan energi kinetik dan energi potensial bisa diabaikan maka hukum kekekalan energi untuk sistem dengan reaksi akan berbentuk sebagai berikut + W $ , $ R @kAkmol - bb?
dimana $ ,
o ' p (h # + h
o
h ),
$ R ' R (h # o + h h o ) R
3pabila persamaan entalpi untuk produk dan reaktan dimasukkan dalam persamaan kekekalan energi maka + W
o o ' , (h # + h h ) , o
o
o
' R ( h # + h h ) R
o
o
hC + ' , ( h h ) , ' R ( h h ) R
Sistem Tertutup ,ersamaan kekekalan energi untuk sistem tertutup + W , , , R @kAkmol - bb?
dimana , , dan , R masing-masing adalah energi dalam produk dan reaktannya. $ari definisi entalpi
u
h
pv
maka persamaan di atas menjadi
+ W
o
' , (h #
+ h h o p v ) , ' R ( h # o + h h o pv ) R
'uku pv adalah cukup kecil untuk zat padat dan cair dan untuk gas ideal bisa digantikan dengan Ru+
ontoh Soal ,ropana cair masuk ke ruang bakar pada 28C dan laju 8 kgmin dimana dicampur dan dibakar dengan udara dengan 81 udara lebih. Udara lebih ini masuk ke ruang bakar pada C. *asil analisa produk menunjukkan semua hidrogen menjadi air tetapi hanya 51 karbon yang berubah menjadi karbon dioksida dan sisanya menjadi karbon monooksida. 3pabila temperatur gas buang adalah #8 0 tentukan (a) laju massa udara (b) transfer kalor.
Solusi Reaksi stoikiometrisnya C%*6 ! 8("2 ! %/2)
%C"2 ! 8%/2 ! &*2"
Reaksi aktualnya C%*6 ! 8("2 ! %/ 2)
2C"2 ! %C" ! 28"2 ! 8%/ 2 ! &*2"
(a) $ari persamaan reaksi aktual diatas 34R
mudara mbb 8 (# + %.) 25 # (% #2 + 6 #)
288% kg - udarakg - bb
'ehingga udara 34R m bb m 288% 8 ##6 kg - udaramin
(b) +ransfer kalor untuk kasus ini adalah + W
o
' , (h #
o
o
o
+ h h ) , ' R (h # + h h ) R
$engan mengasumsikan bah=a semua gas adalah gas ideal maka hh(T ) sehingga dari tabel didapatkan harga-harga sebagai berikut
Unsur C%*6
o h #
@kAkmol?
-##6.5#
h26 @kAkmol?
-
h256 @kAkmol?
-
h#8
@kAkmol? -
"2
6#8
662
&5.252
/2
6#&#
65
&.%
*2"
-2&#.62
-
55&
8.555
C"2
-%5%.82
-
5%&
#.6
C"
-##.8%
-
65
&.8#
hfoC%*6 (l ) didapat dari hfoC%*6 ( g ) dikurangi hfgC%*6 D 28C . $ari nilai-nilai yang didapat maka
apabila dimasukkan dalam persamaan kekekalan energi akan didapatkan + - %%.662 @kAkmol - C % * 6 ? -%%.662&& - 62 @kAkg - C % * 6 ?
'ehingga laju kalor yang terjadi adalah
+
8 (-62) - &#%8 @kAmin? - 65 @kE?
2.- Tem#erat!r A#i Adiabatik
$alam proses pembakaran apabila tidak ada interaksi kerja antara sistem dan lingkungan dan perubahan energi kinetik dan potensial maka
9nergi kimia bb
transfer panas ke lingkungan menaikkan temperatur produk pembakaram
3pabila transfer panas 7 maka produk pembakaran menerima semua energi yang dibangkitkan dari proses pembakaran sehingga mencapai temperatur maksimum. +emperatur maksimum ini disebut tem#erat!r a#i adiabatik (adiabatic #lame temperature) dimana untuk proses pembakaran steadi maka temperatur api adiabatik akan dicapai bila + 7 W 7 sehingga di sini berlaku hubungan $ , $ R o
' , (h #
o
+ h h ),
o
' R (h #
o
+ h h ) R
$alam perhitungan temperatur adiabatik #. 9ntalpi reaktan $ R akan mudah ditentukan karena kondisi reaktan biasanya sudah diketahui 2. Untuk mengetahui entalpi produk $ , maka perlu mengetahui temperatur produk dimana temperatur ini sama dengan temperatur api adiabatik yang harus dicari secara iterasi ( trial and error ) %. Fterasi pertama dapat diasumsikan bah=a produk semuanya adalah /2 (ini karena /2 adalah unsur paling dominan dalam pembakaran yang menggunakan udara)
$alam desain ruang bakar (furnace) maka temperatur api adiabatik sangat penting dalam penentuan jenis material dimana temperatur api adiabatik ini bukan merupakan properti dari bahan bakar tetapi akan tergantung kepada kondisi reaktan (temperatur tekanan) tingkat kesempurnaan reaksi pembakaran jumlah udara yang digunakan.
ontoh Soal :ensin cair masuk ke ruang bakar sistem turbin gas secara steadi pada # atm 28C dan dibakar dengan udara yang masuk dengan kondisi yang sama. $engan mengabaikan perubahan energi kinetik dan enrgi potensial tentukan temperatur api adiabatik untuk (a) pembakaran sempurna dengan #1 udara teori (b) pembakaran sempurna dengan &1 udara teori (c) pembakaran tidak sempurna dengan 51 udara teori.
Solusi (a) Reaksi pembakaran dengan #1 udara teori C6*#6 ! #28("2 ! %/2)
6C"2 ! #28%/2 ! 5*2"
,ersamaan kekekalan energi berubah menjadi o o ' , (h # + h h ) ,
o
o
' R ( h # + h h ) R o
' R hfC6 *#6 o
h # @kAkmol?
h256 @kAkmol?
-2&5.58
-
"2
662
/2
65
*2"
-2&#.62
55&
C"2
-%5%.82
5%&
Unsur C6*#6
$engan mensubstitusikan harga-harga di atas dalam persamaan kekekalan energi akan didapatkan 6hC" 2
+
5 h* 2 "
+
& h / 2
8.&.6# @kA?
,ersamaan di atas bisa diselesaikan apabila temperatur produk diketahui. $isini pertamatama diasumsikan semua produknya adalah / 2 sehingga akan didapatkan 8.&.6#(6!5!&)766.22 kAkmol
yang merupakan h / 2 pada 280 (lihat +abel 3-#6).
Bangkah berikutnya adalah mengasumsikan nilai baru yang biasanya besarnya lebih kecil dari nilai asumsi pertama. Gisal T 7 2& 0 maka persamaan kekekalan energi akan menjadi 6hC" 2
+
5 h* 2 "
+
&- h / 2
6
#28.#82
+
5
#%.86
+
&-
-5.%2
8..626 @ kA ?
/ilai ini lebih besar dari 8.&.6# kA. "leh karena itu temperatur adiabatis yang dicari adalah lebih kecil dari 2& 0. :erikutnya temperatur diasumsikan 2%80 dimana persamaan kekekalan energinya berubah 6hC" 2
+
5 h* 2 "
+
&- h / 2
6
#22.5# + 5
8.82.8&
#.6&
+
&-
--.&5
@ kA ?
/ilai ini lebih kecil dari 8.&.6# kA sehingga temperatur adiabatis yang dicari adalah terletakk antara 2%8 dan 2& 0. $ari interpolasi ditemukan T prod 7 2%5&8 0.
(b) Reaksi pembakaran untuk &1 udara teori C6*#6 ! 8("2 ! %/2)
6C"2 ! 8%/2 ! 5*2" ! %8"2
$engan mengikuti langkah seperti di atas akan didapatkan T prod 7 52 0.
(c) Reaksi pembakaran untuk 51 udara teori C6*#6 ! ##28(" 2 ! %/2)
88C"2 ! 28C" ! ##28%/ 2 ! 5*2"
$engan cara yang sama didapatkan T prod 7 22% 0.
$ari kenyataan di atas bisa diambil kesimpulan bah=a dari tinjauan termodinamika temperatur api adiabatik menurun akibat pembakaran tidak sempurna atau penggunaan udara lebih. Auga temperatur api adiabatik akan mencapai maksimum pada proses pembakaran dengan menggunakan #1 udara teori.
:esarnya temperatur adiabatik
secara teoritis (tanpa memperhitungkan terjadinya disosiasi) maksimum apabila F7# (kondisi stoikiometris) dan turun pada kondisi kaya maupun miskin
secara aktual tergantung sejauh mana terjadi disosiasi. 'ecara umum dikatakan disosiasi semakin berkurang dengan naiknya tekanan
