GAS, UAP, CAIRAN DAN PADATAN
gas yaitu suatu keadaaan zat dalam hal ini molekul-molekulnya dapat bergerak sangat bebas, dan dapat mengisi seluruh ruangan yang ditempatinya. Kondisi gas ditentukan oleh tiga factor yaitu : tekanan, suhu dan volume. Pengertian gas ideal adalah keadaan gas yang dianggap sempurna, memiliki sifat tertentu sehingga dapat diterapkan pada teori kinetic gas. Anggapan gas ideal harus memenuhi syarat sebagai berikut :
- Gas terdiri atas partikel-partikel yang disebut molekul
- Partikel-partikel gas tersebut berbentuk bola
- Partikel-partikel gas bergerak secara acak
- Antara partikel-partikel gas tidak ada gaya tarik menarik
- Tumbukan antara partikel dengan dinding tempatnya merupakan tumbukan elastic (lenting) sempurna
- Jarak antarpartikel sangat kecil bila disbanding dengan ukuran partikel itu sendiri, sehingga ukuran partikel dapat diabaikan
- Hukum-hukum newton tentang gerak, tetap berlaku.
Cairan adalah salah satu dari empat fase benda yang volumenya tetap dalam kondisi suhu dantekanan tetap; dan, bentuknya ditentukan oleh wadah penampungnya. Cairan juga melakukan tekanan kepada sisi wadahnya dan juga kepada benda yang terdapat dalam cairan tersebut; tekanan ini disalurkan ke seluruh arah.
Sifat Cairan
1. Tekanan uap
Beberapa molekul yang energi kinetiknya lebih besar dari energi kinetik rata-rata dapat lepas dari gaya tarik antarmolekul dan menguap. Bila cairan diwadahi dalam ruang tanpa tutup, cairan akan perlahan menguap, dan akhirnya habis. Bila ruangnya memiliki tutup dan cairannya terisolasi, molekulnya kehilangan energinya dengan tumbukan, dsb, dan energi kinetik beberapa molekul menjadi demikian rendah sehingga molekul tertarik dengan gaya antarmolekul pada permukaan cairan dan kembali masuk ke cairan. Ini adalah kondensasi uap dalam deskripsi makroscopik. Akhirnya jumlah molekul yang menguap dari permukaan cairan dan jumlah molekul uap yang kembali ke cairan menjadi sama, mencapai kestimbangan dinamik. Keadaan ini disebut kesetimbangan uap-cair.
Tekanan Gas Tekanan gas, yakni, tekanan uap cairan ketika kesetimbangan uap-cair dicapai. Tekanan uap cairan dalam ruang ditentukan oleh jenis cairan dan suhunya. Tekanan uap cairan meningkat dengan meningkatnya suhu. Pola peningkatannya khas untuk cairan tertentu. Dengan meningkatnya suhu, rasio molekul yang memiliki energi yang cukup untuk mengatasi interaksi antarmolekul akan meningkat.
2. Titik didih
Tekanan uap cairan meningkat dengan kenaikan suhu dan gelembung akan terbentuk dalam cairannya. Tekanan gas dalam gelembung sama dengan jumlah tekanan atmosfer dan tekanan hidrostatik akibat tinggi cairan di atas gelembung. Wujud saat gelembung terbentuk dengan giat disebut dengan mendidih, dan temperatur saat mendidih ini disebut dengan titik didih. Titik didih pada tekanan atmosfer 1 atm disebut dengan titik didih normal. Titik didih akan berubah bergantung pada tekanan atmosfer. Bila tekanan atmosfer lebih tinggi dari 1 atm, titik didih akan lebih tinggi dari titik didih normal. Sementara bila tekanan atmosfer lebih rendah dari 1 atm, titik didihnya akan lebih rendah dari titik didih normal.
Titik didih dan perubahannya dengan tekanan bersifat khas untuk tiap senyawa. Jadi titik didih adalah salah satu sarana untuk mengidentifikasi zat. Identifikasi zat kini dilakukan sebagian besar dengan bantuan metoda spektroskopi, tetapi data titik didih diperlukan untuk melaporkan cairan baru.
3. Titik beku
Bila temperatur cairan diturunkan, energi kinetik molekul juga akan menurun, dan tekanan uapnya pun juga akan menurun. Ketika temperatur menurun sampau titik tertentu, gaya antarmolekulnya menjadi dominan, dan gerak translasi randomnya akan menjadi lebih perlahan. Sebagai akibatnya, viskositas cairan menjadi semakin bertambah besar. Pada tahap ini, kadang molekul akan mengadopsi susunan geometri reguler yang disebut dengan keadaan padatan kristalin. Umumnya titik beku sama dengan titik leleh, yakni suhu saat bahan berubah dari keadaan padat ke keadaan cair.
Dengan meningkatnya suhu, kecepatan gerakannya akan meningkat, dan dengan demikian energi kinetiknya juga meningkat sehingga lebih besar dari gaya tarik antarmolekulnya.
Volume gas dapat ditekan sementara volume cairan hampir tidak dapat ditekan sebab jarak antarmolekul jauh lebih pendek. Dalam padatan, setiap molekul cenderung menempati posisi tertentu. Bila susunan molekul dalam padatan teratur, padatan disebut padatan kristalin. Bila tekanan diberikan pada kristal, pengaruh tekanan pada padatan lebih kecil dibandingkan pengaruhnya pada cairan. Bila cairan meleleh, dalam banyak kasus volumenya meningkat sekitar 10%. Hal ini berkaitan dengan perbedaan dalam pengepakan molekul dalam cairan dan padatan. Singkatnya, cairan lebih dekat dengan padat dibandingkan dengan gas.
Partikel gas berdifusi sebab gas bergerak dengan cepat. Molekul cairan bergerak dengan lebih lambat. Partikel dalam padat tidak pernah berdifusi sebab gaya antarmolekul demikian kuat sehingga energi kinetiknya tidak dapat mengatasinya.
Sumber : Prof .Yoshito Takeuchi (the University of Tokyo), Iwanami Publishing Company, 1966
Terjemahan Ismunandar
Padatan digolongkan dalam dua golongan, padatan kristalin yang partikel penyusunnya tersusun teratur, dan padatan amorf yang partikel penyusunnya tidak memiliki keteraturan yang sempurna. Studi bahan kristalin mempunyai sejarah yang jauh lebih panjang karena kristal lebih mudah dipelajari daripada bahan amorf. Perkembangan paling penting dalam studi bahan kristalin adalah perkembangan analisis kristalografi sinar-X. Awalnya teknik ini hanya dapat digunakan untuk struktur yang sangat sederhana seperi garam (NaCl). Namun dalam 80 tahun terakhir analisis kristalografi telah berkembang dengan demikian cepat sehingga protein dengan massa molekul yang sangat besar kini dapat dipelajari dengan teknik ini. (file:///C:/Users/Toshiba%20NB520/Documents/ATK%20II/11.%20PADATAN%20%C2%AB%20Eben's%20Site.htm)
A. Kejenuhan
Dalam ini kita melihat bagaimana keseimbangan antara cairan atau padat dan uap yang mengarah pada gagasan tekanan uap jenuh. Ini juga terlihat pada bagaimana jenuh tekanan uap bervariasi dengan suhu, dan hubungan antara tekanan uap jenuh dan titik didih.
Kejenuhan gas yang terlalu tinggi (gas supersaturation) di perairan dapat mengakibatkan terjadinya penyakit gelembung gas (gas bubble disease). Perairan dengan kandungan gas super jenuh menyebabkan cairan dalam tubuh ikan mengalami hal yang sama, sehingga timbul gas (terutama N dan O2) dalam pembuluh darah dan jaringan tubuh dan menyebabkan "emboli". Emboli akan mengganggu transportasi oksigen, ikan akan mengalami hypoxia dan kerusakan jaringan, akibat lebih jauh akan menyebabkan kematian massal. Kondisi gas super jenuh di perairan dapat disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain:
pemanasan air pada kolam budidaya atau danau, fotosintesis berlebihan, tekanan udara rendah (biasa terjadi jika akan ada badai atau angin puting beliung) produksi gas O2, N dan metana akibat adanya aktivitas bakteri pemanasan oleh matahari dalam waktu yang lama dan angin dalam kondisi tenang (misalnya pada musim kemarau di daerah pengunungan/lembah)
pemanasan air pada kolam budidaya atau danau, fotosintesis berlebihan, tekanan udara rendah (biasa terjadi jika akan ada badai atau angin puting beliung) produksi gas O2, N dan metana akibat adanya aktivitas bakteri pemanasan oleh matahari dalam waktu yang lama dan angin dalam kondisi tenang (misalnya pada musim kemarau di daerah pengunungan/lembah)
Kejenuhan gas yang terlalu tinggi (gas supersaturation) di perairan dapat mengakibatkan terjadinya penyakit gelembung gas (gas bubble disease). Perairan dengan kandungan gas super jenuh menyebabkan cairan dalam tubuh ikan mengalami hal yang sama, sehingga timbul gas (terutama N dan O2) dalam pembuluh darah dan jaringan tubuh dan menyebabkan "emboli". Emboli akan mengganggu transportasi oksigen, ikan akan mengalami hypoxia dan kerusakan jaringan, akibat lebih jauh akan menyebabkan kematian massal. Kondisi gas super jenuh di perairan dapat disebabkan oleh beberapa faktor, antara lain:
pemanasan air pada kolam budidaya atau danau, fotosintesis berlebihan, tekanan udara rendah (biasa terjadi jika akan ada badai atau angin puting beliung) produksi gas O2, N dan metana akibat adanya aktivitas bakteri pemanasan oleh matahari dalam waktu yang lama dan angin dalam kondisi tenang (misalnya pada musim kemarau di daerah pengunungan/lembah)
pemanasan air pada kolam budidaya atau danau, fotosintesis berlebihan, tekanan udara rendah (biasa terjadi jika akan ada badai atau angin puting beliung) produksi gas O2, N dan metana akibat adanya aktivitas bakteri pemanasan oleh matahari dalam waktu yang lama dan angin dalam kondisi tenang (misalnya pada musim kemarau di daerah pengunungan/lembah)
Tekanan uap jenuh adalah tekanan pada suhu tertentu akibat tekanan uap suatu larutan. Untuk mempermudah pemahaman tentang pengertian tekanan uap jenuh kita anggap semua zat menguap pada setiap saat, artinya pada suhu berapapun zat (terutama zat cair) pasti akan menguap. Sebagai contoh botol mineral yang sebagian isinya sudah kita minum, lalu kita diamkan, lama kelamaan dinding botol bagian atas akan ada titik embun, semula sedikit, semakin lama semakin rapat. Titik-titik uap yang mengembun di dinding botol akan mencapai kerapatan tertentu, sampai seolah-olah tidak ada lagi air yang menguap, padahal sebenarnya penguapan terus terjadi tetapi dibarengi dengan pengembunan. Keadaan inilah yang disebut sebagai keadaan uap jenuh. Jika tekanan akibat uap jenuh pada botol tersebut kita ukur dengan alat pengukur tekanan, maka angka hasil pengukuran itulah yang disebut sebagai tekanan uap jenuh.
Jika ke dalam botol mineral tadi kita larutkan gula atau garam atau sirup, kemudian kita tunggu sampai keadaan uap jenuh, lalu kita ukur tekanannya, maka hasil pengukuran akan menunjukkan angka yang lebih kecil dari tekanan uap jenuh air murni. Hal ini menunjukkan bahwa partikel zat terlarut akan menurunkan tekanan uap jenuh. Kenapa terjadi penurunan tekanan uap jenuh? Hal ini dikarenakan partikel-partikel pelarut murni yang akan menguap, terhalang oleh partikel-partikel zat terlarut, sehingga hanya sedikit partikel pelarut yang dapat menguap, sehingga tekanan yang dihasilkan juga sedikit
Tekanan uap jenuh, gelembung ini akan dicegah dari pembentukan, dan Anda hanya mendapatkan penguapan pada permukaan cairan.
Jika cairan tersebut dalam wadah terbuka dan Suatu cairan mendidih saat tekanan uap jenuh yang menjadi sama dengan tekanan eksternal pada cairan. Ketika itu terjadi, memungkinkan gelembung uap untuk membentuk seluruh cairan - mereka adalah gelembung Anda lihat ketika mendidih cair.
Jika cairan tersebut dalam wadah terbuka dan Suatu cairan mendidih saat tekanan uap jenuh yang menjadi sama dengan tekanan eksternal pada cairan. Ketika itu terjadi, memungkinkan gelembung uap untuk membentuk seluruh cairan - mereka adalah gelembung Anda lihat ketika mendidih cair.
Jika tekanan eksternal lebih tinggi daripada terkena tekanan atmosfer normal, cairan mendidih ketika tekanan uap jenuh yang menjadi sama dengan 1 atmosfer (atau 101325 Pa atau 101,325 kPa atau 760 mmHg). Hal ini terjadi dengan air saat suhu mencapai 100 ° C.
Tapi pada tekanan yang berbeda, air akan mendidih pada temperatur yang berbeda. Sebagai contoh, di puncak Gunung Everest tekanan sangat rendah sehingga air akan mendidih pada sekitar 70 ° C Depresi dari Atlantik dengan mudah dapat menurunkan tekanan atmosfer di Inggris cukup sehingga air yang akan mendidih pada 99 ° C - bahkan lebih rendah dengan depresi yang sangat dalam.
Setiap kali kita hanya berbicara tentang "titik didih" dari cairan, kita selalu berasumsi bahwa ia sedang diukur pada tekanan atmosfer tepat 1. Dalam prakteknya, tentu saja, yang jarang sepenuhnya benar.
Padatan juga dapat kehilangan partikel dari permukaan mereka untuk membentuk uap, kecuali bahwa dalam kasus ini kita sebut efek sublimasi bukan penguapan. Sublimasi adalah perubahan langsung dari padat menjadi uap (atau sebaliknya) tanpa melalui tahap cair.
Dalam kebanyakan kasus, pada suhu biasa, tekanan uap jenuh zat padat berkisar dari rendah sampai sangat, sangat, sangat rendah. Kekuatan tarik dalam padatan banyak orang yang terlalu tinggi untuk memungkinkan hilangnya banyak partikel dari surfacestage tersebut.
Namun, ada beberapa yang lakukan mudah membentuk uap. Sebagai contoh, naftalen (digunakan dalam kuno "bola ngengat" untuk mencegah ngengat pakaian) memiliki cukup bau yang kuat. Molekul harus melepaskan diri dari permukaan sebagai uap, karena jika tidak, anda tidak akan bisa mencium baunya.
Contoh lain yang cukup umum (dibahas secara rinci pada halaman lain) adalah karbon dioksida padat - "es kering". Ini tidak pernah membentuk cair pada tekanan atmosfer dan selalu mengkonversi langsung dari padat menjadi uap. Itulah mengapa dikenal sebagai es kering.
B. Kesetimbangan Uap Air Untuk Komponen Ganda
a. Konsep kesetimbangan
Ditinjau sistem kontak uap dan cair campuran A dan B:
Uap yA+yB=1,0
A B Pv , Tv
Cairan xA+xB=1,0
A B
RL, TL
Dimana : x = fraksi mol difase cair.
y = fraksi mol difase uap.
Pada keadaan seimbang (equilibrium, ideal, teoritis), tidak ada perubahan T, P, dan fraksi-fraksi dalam sistem, dan akan tercapai:
1. Kesetimbangan termal = perpindahan panas netto=0,
atau tidak ada driving foree perpindahan panas (DT=0), maka: TV = TL
Tv=suhu uap,
TL=Suhu cairan.
2. Kesetimbangan mekanis =Kesetimbangan semua gaya-gaya: Pv =PL
3. Kesetimbangan potensi kimia:
DG sistem®minimum.
(mi)V = (mi)L
Dari persamaan ini akan diperoleh hubungan antara komposisi di fase uap
Dan di fase cairan®Bidang termodinamika.
b. Kaidah fase (Hukum fase Gibbs)
F=C-P+2
Dimana : F= jumlah design variaberl; yaitu T, P, & komposisi
C= jumlah komponen.
P= jumlah fase.
Contoh: sistem keseimbangan antara cairan dengan uap untuk campuran
Biner (A&B).
Hk Gibbs dengan:
C=2
P=2
F=2-2+2=2
Artinya,dengan mengambil 2 variabel, maka variabel lainnya dievaluasi.
Dua design variabel ( D V ) itu ialah:
D.V. Dievaluasi:
T&P komposisi
T&X P,Y
P&Y T,X
c. Bentuk dan sumber Data keseimbangan UAP- CAIR:
Campuran biner:
1) disajikan dlm tabel Y-X-T (pada P tertentu)
2) disajikan dlm diagram Y-X (kurva McCabe-Thiele), diplot dari data
table.
3) disajikan dlm diagram T-komposisi atau T-(X;Y).
C. Kejenuhan Parsial Dan Kelembaban
Uap air merupakan hasil pemanasan air yang besarnya tergantung pada besarnya energi radiasi.Sumber uap air utama berasal dari lautan, prosentasi laut terhadap daratan mempengaruhi nilai kelembapan suatu wilayah(iklim lokal)Uap air dapat transportasikan dari satu wilayah ke wilayah lain melalui mekanisme evapotranpirasi. Di Idonesia oleh pengaruh angin monson.
Kelembapan mutlak kandungan uap air yang dinyatakan dengan masa uap air or tekananya persatuan volum
Pv = mv/ V (mv; masa uap air(kg), V; vol udara (m3)
Pada daerah lembab/panas (Indonesia/ tropis) nilai pv akan lebih tinggi dibanding daerah kering (sub tropis) terutama pada musim dingin, kerana dengan menurunnya suhu kapasitas uadar menampung air menjadi lebih kecil. Darah tropis menerima energi surya yang lebih besar sehingga evaporasinya lebih besar.
Kelembapan nisbi(RH) ; perbandingan antara kandungan/ jumlah uap air diudara(ėa) dengan kapasitas udara untuk menampung auap air(es).
RH = (ea/es) x 100%
Kapasitas uap jenuh tgt pada suhu udara, T >> maka es>>
Jika ea tetap dan terjadi kenaikan suhu, maka RH <<
Jika ea tetap dan terjadi penurunan suhu maka RH>>
Bila RH mencapai 100 akan terjadi pengembunan, meskipun nilai ea rendah.
Secara harafiah operasi humidifikasi berarti operasi kelembaban. Namun di dalam praktek, operasi humidifikasi mempunyai arti yang lebih luas yang tidak saja terbatas pada operasi kelembaban saja, tetapi juga meliputi operasi dehumidifikasi (menurunkan kelembaban), pendinginan cairan, pendinginan gas dan pengukuran kelembaban gas. Bahan yang ditransfer diantara fase-fase dalam operasi humidifikasi meliputi bahan fase cair murni yang ditransfer dengan cara penguapan atau pengembunan. Di dalam operasi humidifikasi ini, disamping terjadi transfer massa juga terjadi transfer panas, sehingga di dalam operasi ini disamping perlu mengetahui karakteristik keseimbangan sistem, juga perlu diketahui karakteristik entalpi sistem.
Dalam operasi humidifikasi, lebih-lebih bila diterapkan pada sistem udara-air, ada beberapa dafinisi yang lazim digunakan. Perhitungan keteknikan disini biasanya ialah satuan massa gas bebas-uap, dimana dengan “uap” dimasukkan adalah bentuk gas dari komponen yang juga terdapat sebagai zat cair, dan :”gas” adalah komponen yang hanya terdapat dalam bentuk gas saja. Dalam pembahasan ini, kita akan menggunakan satuan massa gas bebas-uap sebagai dasar perhitungan. Dalam fase gas, uap akan dinamakan komponen A dan gas tetap komponen B. Oleh karena sifat-sifat campuran gas-uap itu berubah sesuai dengan tekanan totalnya, tekanan harus ditetapkan dulu. Kecuali bila dinyatakan lain, kita andaikan tekanan total 1 atm. Demikian pula, kita andaikan bahwa gas dan uap itu mematuhi hukum gas ideal.
Kelembaban (humidity) ialah massa uap yang dibawah oleh satu satuan massa gas bebas-uap. Menurut defini ini, kelembaban hanya bergantung pada tekanan bagian uap di dalam campuran bila tekanan total dibuat tetap. Jadi tekanan bagian uap adalah PA atm, rasio molal antara uap dan gas pada 1 atm adalah PA/(1 – PA)
Kelembapan spesifik adalah metode untuk mengukur jumlah uap air di udara dengan rasio terhadap uap air di udara kering. Kelembapan spesifik diekspresikan dalam rasio kilogram uap air, mw, per kilogram udara, ma. Rasio tersebut dapat ditulis sebagai berikut :
Kelembaban Absolut
Kelembaban absolut, Y’ adalah rasio massa uap/massa gas. Kelembaban absolut molal, Y adalah rasio mol uap/mol gas. Untuk kondisi yang memenuhi gas ideal
Dimana :
.Contoh Soal :
Udara (B) - Uap air (A) mempunyai temperatur bola kering 55oCdan kelembaban absolut 0,030 kg uap air/kg udara kering pada tekanan 1 atm. Berikan karakteristiknya
Jawaban :
Titik dengan koordinat tG=55oC dan Y’=0,030 terdapat di titik D.
- Dengan interpolasi vertikal antara kurva-kurva yang berdekatan, sampel mempunyai % kelembaban = 26,1 %. Alternatif lain, kelembaban jenuh pada 55oC adalah YS’ = 0,115 dan % kelembaban di titik D = 0,030/0,115 x 100% = 26,1 %
- Kelembaban absolut molal = Y = Y’ ( MB / MA ) =
0,030 (28,97/18,02) = 0,0482 kmol uap air/kmol udara kering
c. Tekanan parsial uap air
- Tekanan uap pada 55oC = 118 mmHg = 118 x 133,3 N/m2
= 15730 N/m2 = pA
Kelembaban relatif =
- Titik embun. Dari titik D tarik garis ke kurva penjenuhan pada titik E dimana temperatur titik embun adalah 31,5oC
- Humid Volume. Pada 55oC, VH pada udara kering adalah 0,93 m3/kg ; dan vH pada udara jenuh adalah 1,10 m3/kg. Interpolasi untuk kelembaban 26,1 %
- Humid Heat, pers. (7.10)
CS = CB + Y’ CA = 1005 + 0,030 (1884)
= 1061,5 J udara basah/ kg udara kering
- Entalpi. Pada 55oC entalpi udara kering adalah 56000 J/kg udara kering; entalpi udara basah adalah 352000 J/kg udara kering.
Interpolasi untuk % kelembaban 26,1 %
H’ = 56000 + (352000 – 56000)x 0,261
= 133300 J/kg udara kering
Alternatif lain
H’ = CS (tG – tO) + Y’lO
= (1005 + 1884 Y’) tG + 2502300 Y’
= [1005 + 1884 (0,030)]55 + 2502300 x 0,03
= 133,4 kJ/kg udara kering
Alternatif lain, tarik garis DF yang paralel dengan kurva penjenuhan adiabatis. Pada F, entalpi adalah 134 kJ/kg udara kering, atau hampir sama dengan pada titik D
(staff.ui.ac.id/internal/131644936/material/Humidifikasi.ppt)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar
kami butuh saran dan masukan yang membangun