Sabtu, 09 Februari 2013

Ekspansi Joule-Thomson


Kalau Anda pernah belajar ilmu termodinamika ketika kuliah, pasti pernah mendengar istilah Ekspansi Joule Thomson atau biasa juga disebut Joule-Thomson Effect. Banyak orang (lebih tepatnya sih mahasiswa) merasa bingung dan tak terbayang ketika belajar istilah ini. Sering juga orang menyebutnya mata kuliah yang abstrak banget. Kayaknya sulit  dilihat atau diwujudkan dalam kehidupan sehari-hari. Benarkah demikian? Yuk, kita lihat kisah seru ekspansi Joule-Thomson.
Suatu hari Joule dan Thomson melakukan eksperimen dengan peralatan sederhana seperti berikut. Bayangkan sebuah tabung dengan pelat berpori (porous plug) yang memisahkan tabung tersebut menjadi dua bagian. Pelat tersebut dapat dilewati gas tetapi dengan laju yang lambat (biasanya istilah gaul termodinamikanya disebut throttle). Pada kedua ujung tabung tersebut terdapat piston yang bisa masuk dengan tepat dan kuat ke dalam tabung. Setiap piston bisa bergerak mendekati dan menjauhi poros berpori tersebut. Tabung juga diinsulasi dengan baik sehingga tidak ada kalor yang bisa masuk dan keluar tabung tersebut (istilah keren: adiabatik).

Skema Percobaan Ekspansi Joule-Thomson

Gas dimasukkan di antara pelat berpori dan piston sebelah kiri tabung. Kita sebut  sisi pertama. Pada bagian kanan tabung, piston berada tanpa ruang kosong di sebelah poros berpori. Sebut saja sisi kedua. Volume awal sisi pertama adalah V1. Tekanan awal dan temperaturnya masing-masing P1 dan T1.  Sekarang, gas pada sisi pertama didorong piston ke arah poros berpori dan pada saat yang sama piston sisi kedua akan tertarik menjauhi poros berpori sehingga memiliki tekanan P2 (tentu saja P2 lebih kecil daripada P1). Pada akhir eksperimen, piston sisi pertama tepat berada di sebelah poros berpori dan kondisi (volume, tekanan, dan temperatur) akhir sisi kedua adalah V2, P2, dan T2.
Ada yang aneh hasil percobaan sederhana tersebut! Pengukuran yang akurat menunjukkan T2 tidak sama dengan T1. Kadang T2 bisa lebih kecil dan lebih besar dari T1. Bagaimana menjelaskan hal ini?
Analisis Awal
Proses diawali dengan volume V1=V1 dan V2=0 dan diakhiri dengan V1=0 dan V2=V2. Kerja yang dilakukan pada sisi pertama: W1= – P1(0-V1) =P1V1. Kerja yang dihasilkan pada sisi kedua: W2 = – P2 (V2-0) = – P2V2 (sekedar intermezo: Masih ingat kan rumus kerja W = – P ?V?? Kalo negatif berarti kerja yang dihasilkan sisitem, kalo positif berarti kerja yang dilakukan pada sistem).
Berarti kerja total adalah
Wtotal = W1 + W2 = P1V1 – P2V2
Masih ingat hukum termodinamika pertama? deltaU = Q + W. Artinya perubahan energi dalam sistem akan dipengaruhi oleh panas dan kerja total yang terjadi pada sistem. Karena eksperimen ini dilakukan pada kondisi adiabatik, maka Q = 0. Dengan demikian energi dalam (deltaU) hanya bergantung pada W (kerja total sistem).
DeltaU = Wtotal
U2 – U1 = P1V1 – P2V2
U2 + P2V2 = U1 + P1V1
Masih ingat U+PV = H (entalpi) ??
Jadi, persamaan terakhir ditutup dengan H2 =H1. Proses ternyata berlangsung pada kondisi ISENTALPI!
Biasanya dalam soal atau aplikasi termodinamika, alat yang berperan sebagai poros berpori (porous plug) tersebut adalah valve. Nah, uda tahu kan kenapa pada setiap soal termodinamika yang berhubungan dengan valve selalu diselesaikan dengan kondisi isentalpi (H2 =H1)?
Sekian tulisan ekspansi Joule-Thomson bagian pertama. Pembahasan mengenai efek penurunan/kenaikan temperatur akan dijelaskan pada bagian kedua. Nantikan kisah seru ekspansi Joule-Thomson pada bagian kedua.
Tak bermaksud menggurui, hanya sekedar berbagi ilmu.

Sumber:
  1. Daubert. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6 Edition
  2. Gans, Paul. Physical Chemistry 1: JT Notes. 1993.
  3. Smith, V., Van Ness,  Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics,  4th Edition, McGraw-Hill, Singapore, 1987
  4. etiska18.wordpress.com/2010/10/04 (Image Source)
  5. WikEducator. The Joule-Thomson Experiment (Image Source)

2 komentar:

  1. bagian kedua nya dimana ya? thanks

    BalasHapus
  2. iya nih bagian 2 nya manna? URGENT Please

    BalasHapus