Experimental CalorimetryOne needs to understand the concept of conservation energy and mass, in order to understand how a calorimetry works. Read a paper on the development of a calorimeter to measure heat capacity and enthalpy of fluids (An automated calorimeter for the determination of liquid and vapor isobaric heat capacities: Test result for water and n-pentane, J.A Sandarusi, K. Mulia, and V.F yesavage, Rev. Sci. Instrum.,63,2,(1992).\,1810:1821). Read only the first two pages of the paper and then starting from the general formula of the first law of thermodynamics, simplify the general formula based on the information of calorimeter set up and how the measurement is carried out. If you work in a system way then you should obtain the first equation (equation1) given in the paper. State all of your assumption clearly. Apparently heat loss term, Qlst, is not included in the final working equation for heatcapacity measurement (equation 3). Consider all kind of heat transfer modes that potensially contribute to this term and explain how they were minimized in the experiment. Ditanya :1. Konsep dari Konservasi energi dari hukum termodinamika ke 1 terhadap prinsip kalorimeter. 2. Penjelasan persamaan ke 1 dari jurnal.3. Persamaan ke 3 jurnal.4. Metode perpindahan panas yang terjadi. 5. Cara meminimalisir heat lose. Jawab : 1. Hukum Termodinamika ke 1Hukum tersebut menjelaskan mengenai konservasi massa dan energi, dimana massa dan energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan tetapi hanya dapat mengalami perubahan bentuk. Hukum termodinamika pertama diturunkan pada keadaan sistem tertutup. Dimana pada sistem tertutup tidak ada transfer zat antara sistem dengan lingkungan melalui aliran. Ketika tidak ada aliran yang masuk atau keluar dari sistem, tidak ada energi dalam yang di kirim melewati batasan sistem.Persamaan hukum termodinamika pertama secara matematis, yaitu :

Persamaan tersebut memiliki makna bahwa energi dalam dari suatu sistem besarnya tetap, kecuali jika diubah dengan melakukan kerja atau dengan melakukan pemanasan.

KalorimeterKalorimeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat dalam suatu perubahan atau reaksi kimia. Selain itu juga, dapat mengukur kapasitas panas fluida.Prinsip dasar dari kalorimeter adalah suatu benda yang mempunyai suhu lebih tinggi dari fluida bila dicelupkan kedalam fluida, maka benda tersebut akan melepaskan kalor yang akan diserap oleh fluida hingga tercapai keadaan seimbang (suhu benda = suhu fluida). Prinsip dasar tersebut sesuai dengan asas Black, yang menyatakan bahwa jumlah kalor yang dilepaskan oleh benda sama dengan jumlah kalor yang diserap fluida. Dari hal tersebut, untuk mengukur kalor yang dilepaskan atau diterima fluida dalam kalorimeter dapat menggunakan asas Black : QLepas = Q Terima Nilai-nilai Q tersebut dapat diperoleh dari neraca energi untuk sistem tertutup, yaitu

-H + Ep + Ek = Q - Ws karena pada kalorimeter tidak ada perubahan energi potensial, kinetik, dan kerja maka persamaanya menjadi : Q = H

2. Persamaan 1 JurnalDiketahui persamaan 1 pada jurnal adalah persamaan untuk mengukur kapasitas panas rata-rata.

Persamaan tersebut berasal dari entalpi untuk sistem isobarik (tekanan tetap). Pada buku Smith, persamaan entalpi untuk kondisi isobarik pada sistem tertutup adalah dH = Cp dT lalu dengan menintegralkan T1 ke T2 menjadi :

dengan kondisi batasan T = To saat H = Ho dan T = Ti saat H = Hi, persamaan menjadi:

Keterangan : H(To,Po) = entalpi fluida pada tekanan dan temperatur kalorimeter di outlet.H(Ti,Pi) = entalpi fluida pada tekanan dan temperature kalorimeter di inlet.To = temperatur kalorimeter di outlet.Ti = temperatur kalorimeter di inlet. Dengan :

Untuk membentuk persamaan 1pada jurnal, persamaan H harus diubah menjadi entalpi spesifik:

Sehingga :

Selanjutnya dengan melakukan substitusi nilai Cp, didapatkan persamaan yang sama dengan equation 1 pada jurnal, yaitu:

3. Persamaan ke 3 pada jurnal, mengapa nilai Qlost dihilangkan ? Rumus kapasitas panas rata-rata dapat digunakan untuk mengestimasi nilai cp yang sesungguhnya dengan adanya suhu dan tekanan koreksi. Koreksi tekanan perlu diperhatikan, 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 dari persamaan 1 pada jurnal, yaitu :

Dengan memanfaatkan laju alir yang besar, Qlst dianggap terlalu kecil sehingga nilai nya dapat diabaikan. Sehingga diperoleh persamaan ke 3 pada jurnal, yaitu :

Keterangan :(b) : perbedaan suhu blank experiment (a) : perbedaan suhu pada penambahan kalor (a).

4. Metode perpindahan panasPanas dari sistem mengalir keluar bisa melalui konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi adalah perpindahan energi akibat interaksi antar partikel yang lebih aktif ke partikel yang kurang aktif. Perpindahan kalor konduksi dapat terjadi pada benda padat, cairan, maupun gas. Sedangkan konveksi adalah perpindahan energi antara permukaan benda padat pada aliran gas atau cairan di sekitarnya. Radiasi merupakan hasil perubahan konfigurasi elektron dari atom atau molekul yang ada di dalamnya. Dimana energi dipindahkan oleh gelombang elektromagnetik dengan tidak membutuhkan media untuk penjalarannya, bahkan dapat terjadi pada kondisi vakum. Mekanisme perpindahan panas yang terjadi pada percobaan kalorimetri adalah perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi terjadi pada kontak antara wadah dari kalorimeter dengan insulasi, konveksi yang hanya terjadi pada media fluida, terjadi pada jaket udara dan jaket air yang terdapat pada kalorimeter. Sementara radiasi akan selalu terjadi karena tidak membutuhkan media apapun, walaupun dalam nilai kecil. 5. Cara meminimalisir efek panas yang hilang. Berdasarkan jurnal panas yang hilang dapat dirumuskan secara eksperimen, dengan menentukan efek laju alir alir masa pada kapasitas panas dan kemudian diekstrapolasi pada aliran tak terbatas. Bila diaplikasikan pada persamaan , efek hilangnya panas akan menghilang:

Selain itu untuk dapat meminimalisasikan perpindahan panas yang tidak diinginkan, dapat dilakukan peningkatan efisiensi sistem insulasi pada kalorimeter. Dengan menambah jumlah jaket insulator (jaket udara, dll). Atau dengan menggunakan bahan/material dengan nilai konduktivitas termal yang lebih kecil.

Introduction to unsteady state processes: part ASoal A tank containing 45 kg of liquid water initially at 45oC has one inlet and one exit with equal mass flow rates. Liquid water enters at 45oC 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 kinetic and potential energy effects can be ignored. Derive equation that related to the temperature and time. What is the final and constant temperature? Is it equal to steady state solution ? Plot the variation of water temperature with time.Plot the variation of water temperature with time.

DiketahuiMassa air : 45 kgTemperatur awal = T(1) = 45oCLaju alir awal = laju alir keluar = 270 kg/hW pengaduk = 0,6 kWQ coil = 7,6 kW

Ditanya : a. Persamaan temperatur terhadap waktub. Temperatur akhir yang bernilai konstan, apakah nilainya sama dengan solusi untuk steady state c. Plot grafik hubungan temperatur terhdapa waktu

Jawab :a. Persamaan Temperatur terhadap waktu

Diagram sistem

Asumsi:1. Pada Control Volume , perpindahan kalor yang signifikan pada kumparan. Pengaruh energi kinetik dan potensial diabaikan1. Temperatur Air merata di semua tempat T = T(t)1. Air didalam tangki inkompresibelPersamaan umum Neraca-Massa-Energi :

Karena massa pada control volume konstan terhadap waktu, maka:

Dengan mengasumsikan bahwa air bersifat inkompresibel, sehingga

Dimana c adalah kalor spesifik. Tidak ada perubahan tekanan, dan karena teraduk dengan baik maka temperatur pada tangki sama dengan temperatur pada pipa keluar, sehingga :Berdasarkan persamaan model gas inkompresibel berlaku :

Sehingga :

Dengan menggunakan metode penyelesaian persamaan differensial orde pertama :

Sehingga

Konstanta C1 dievaluasi dengan menggunakan kondisi awal t = 0, T = T1 ,

Konstanta C1 dievaluasi dengan menggunakan kondisi awal t = 0, T = T1 ,sehingga:

Dengan menstubtitusikan nilai numerik yang telah diberikan bersama dengan kalor spesifik c untuk cairan air dari tabel A-19 (buku Termodinamika Teknik oleh Moran dan Saphiro)

Temperatur(K)Spesific heat,cp (kJ/kg.K)

2754,211

3004,179

3254,182

3504,195

3754,220

4004,256

Sehingga diambil angka Cp rata-rata air = 4,2 kJ/kg.K

b. Tentukan nilai temperatur akhir Nilai temperatur akhir, diperoleh saat . Hal tersebut karena pada persamaannya temperatur merupakan fungsi dari waktu T(t). Sehingga :

Nilai dari temperatur akhir saat digunakan persamaan steady state. Persamaan Neraca-Massa-Energi pada saat sistem steady state adalah :

Dari hasil diatas diketahui bahwa nilai dari temperatur akhir baik pada persamaan steady maupun unsteady bernilai sama.

c. Plot grafik hubungan antara T dengan tDari persamaan diatas diplot data T terhadap t dengan rentang T dari 290 sampai T1. XY

Waktu (h)Temperatur (K)

0318

0.007753317

0.015885316

0.024434315

0.033445314

0.042972313

0.053076312

0.063832311

0.075331310

0.087682309

0.101023308

0.115525307

0.13141306

0.14897305

0.1686304

0.190855303

0.216547302

0.246934301

0.284125300

0.332072299

0.399649298

0.515174297

#NUM!296

#NUM!295

#NUM!294

#NUM!293

#NUM!292

#NUM!291

#NUM!290

Dari data tersebut, dapat dibuat grafik hubungan temperatur terhadapt waktu sebagai berikut :

Hasilnya T pada 286K kebawah hasilnya adalah tak hingga, sehingga dapat dikatakan bahwa temperatur air menidekati nilai yang konstan setelah jangka waktu lebih dari 0.515174 jam.