Keren! Orang ini membuat “PETA FISIKA” yang merangkum ruang lingkup fisika secara utuh!

Gambaran umum bahasan fisika

Kalau kamu tidak suka dengan fisika, mungkin kamu diajar oleh guru yang salah! ~anonim

Fisika adalah objek yang sangat besar dan menarik. Bahasannya mulai dari partikel atom sampai galaxy! Contoh simpelnya yang sekarang sedang kamu lihat juga dibahas dalam ilmu fisika. Bukankah kamu tidak dapat melihat jika tidak ada cahaya? bukankah kamu tidak dapat mendengar jika tidak ada “sesuatu yang bergetar” dan media rambatnya sehinggak bunyi bunyian sampai ke telinga kamu?

Banyak sekali aplikasi fisika dalam kehidupan sehari hari, dari contoh di atas saja (gelombang, bunyi dan cahaya itu gelombang loh..) kita dapat membuat macam2 alat keren yang bermanfaat bagi kelangsungan hidup umat manusa. Sinar x misalnya bisa memudahkan dokter lihat “dalaman” kamu guna memudahkan penanganan medis. Radar yang digunakan oleh pesawat tempur juga merupakan aplikasi dari pemanfaatan gelombang.

Kamu pasti ingin tahu sebenarnya apa saja sih yang dibahas dalam fisika? Apa saja yang yang dipelajari dalam fisika? Saya juga! Beruntung ada seorang youtuber yang membuat peta fisika (Map Of Physics) yang merangkum semua tema yang ada dalam fisika sehingga memudahkan kita untuk mengetahuinya. Mari kita lihat video berikut :

Soal dan Pembahasan Termodinamika (Hukum Pertama dan Konsep Dasar) part 2

Soal 1 : Siklus Termodinamika

1 mol sebuah gas ideal dengan Cp=(7/2)R dan Cv=(5/2)R mengalami ekspansi dari P1 = 8 bar dan T1 = 600 K menuju P2 = 1 bar dengan melalui tahapan berikut:
(a) Volume konstan atau Isovolume
(b) Temperatur konstan atau Isoterm
(c) Adiabatis

Hitunglah Energi dalam (U), Kalor (Q), dan Kerja (W) untuk tiap proses, gambarkan tiap tahap tersebut dalam 1 diagram PV.

JAWABAN

Nilai Cp dan Cv berikut dapat digunakan untuk perhitungan: 

(a) Pada kondisi volume konstan, nilai kerja (W) adalah = 0 (nol). Sehingga nilai kalor akan sama dengan nilai energi dalam yaitu :

Untuk menghitung energi dalam dan kalor tersebut dibutuhkan nilai temperatur pada kondisi akhir (T2)

Sehingga, nilai energi dalam (U) dan nilai kalornya (Q) dapat dihitung sebagai berikut:

Sehingga, untuk kasus isovolume, diperoleh nilai W = 0, U=Q=-10912,125 Joule

(b) Pada kondisi temperatur konstan, nilai energi dalam (U) adalah = 0 (nol). Sehingga nilai kalor akan sama dengan nilai kerja namun hanya berbeda tanda. 

Sehingga, untuk kasus isoterm, diperoleh nilai U=0, Q=10373,086 J, dan W= -10373,086 J

(c) Pada kondisi adiabatik, nilai kalor (Q) adalah = 0 (nol). Sehingga nilai energi dalam akan sama dengan nilai kerja.

Untuk menghitung energi dalam dan kerja tersebut dibutuhkan nilai temperatur pada kondisi akhir (T2). Namun tentu saja nilai T2 ini berbeda dengan kasus (a) karena pada kasus (c) kondisinya adalah adiabatik sehingga yang digunakan untuk menghitung T2 adalah sebagai berikut:

Setelah didapat nilai T2, maka dapat dihitung nilai energi dalam dan kerjanya sebagai berikut:

Sehingga, untuk kasus adiabatik, diperoleh nilai Q=0, U=W=-5591,165 J

Apabila ketiga kasus tersebut digambarkan dalam diagram PV, akan diperoleh ilustrasi sebagai berikut: 

Soal 2 : Siklus Termodinamika

Sebuah gas ideal memiliki temperatur dan tekanan mula-mula sebesar 600 K dan 10 bar mengalami 4 tahap siklus dalam sistem tertutup. Pada tahap 1-2, tekanan diturunkan secara isotermal hingga bertekanan 3 bar; pada tahap 2-3 tekanan diturunkan kembali secara isovolume hingga 2 bar; pada tahap 3-4, volumenya diturunkan pada tekanan tetap. dan pada tahap 4-1, gas tersebut kembali ke keadaan awalnya secara adiabatis. Bila Cp=(7/2)R dan Cv=(5/2)R,
(a) Gambarkan siklus tersebut pada diagram PV
(b) Tentukan P dan T pada keadaan 1,2,3,4

JAWABAN

(a) Siklus tersebut dapat digambarkan pada diagram PV sebagai berikut:

(b) Dari deskripsi soal, diketahui bahwa P1 = 10 bar, T1 = 600 K, P2 = 3 bar, dan P3 = 2 bar. Artinya, kita tinggal mencari T2, T3, P4, dan T4

1-2 merupakan garis isoterm yang artinya antara titik 1 dan 2 memiliki temperatur yang sama, T2=T1= 600 K. 

3-4 merupakan garis isobar yang artinya antara titik 3 dan 4 memiliki tekanan yang sama, P4=P3= 2 bar

2-3 merupakan garis isovolume. Sehingga untuk menghitung Temperatur pada titik 3 dapat dilakukan sebagai berikut:

1-4 merupakan garis adiabatik. Sehingga untuk menghitung Temperatur pada titik 4 dapat dilakukan sebagai berikut: 

Referensi:
[1] Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 7th Edition, J.M Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott
[2] Fundamental of Physics 8th Edition Extended, Halliday and Resnick

Soal dan Pembahasan Termodinamika part 2 (Heat Effect)

Soal 1 : Heat Effect

Berapakah temperatur maksimum yang bisa dicapai dari pembakaran sempurna 1 mol Metana dengan 20% Udara berlebih bila Metana dan Udara masuk ke raung bakar (Burner) pada 25 C

Gunakan data pada Tabel C1 dan C4 dari buku referensi "Introduction to chemical engineering thermodynamics" karangan Smith, Van Ness & Abbot

JAWABAN

Untuk menyelesaikan masalah ini, mula-mula kita ambil data kalor pembentukan standar dan konstanta A,B,C,D dari tabel C1 dan C4 referensi :

Mula-mula kita selesaikan terlebih dahulu neraca molnya

Reaksi yang terlibat adalah sebagai berikut:

Secara stoikiometri, 1 mol CH4 akan bereaksi dengan 2 mol O2 (koefisien reaksi). Sehingga mol O2 stoikiometri adalah = 2 mol. Dari ekses udara, kita hitung berapa O2 yang harus disuplai  dengan rumus berikut: 

Kemudian kita hitung mol tiap komponen, 

Nitrogen tidak ikut bereaksi, namun keberadaannya akan mempengaruhi temperatur yang akan dicapai burner. Mol Nitrogen mula2 sama dengan Mol Nitrogen akhir karena tidak ikut bereaksi. Mol Nitrogen dapat dihitung menggunakan Mol Oksigen : 

Sehingga, mol tiap2 komponen mula-mula dan setelah bereaksi dapat dikumpulkan pada tabel berikut: 

Temperatur maksimum dapat dihitung bila kita asumsikan pembakaran dilaksanakan secara adiabatik, atau dengan kata lain tidak ada energi yang keluar maupun masuk ke sistem. (Q=H=0)

Neraca energi dapat dihitung dengan memperhatikan diagram berikut:

Neraca energi : 

Mula-mula kita hitung terlebih dahulu Nilai Delta H pada 298 K dengan menggunakan data kalor pembentukan (Hf):

Kemudian kita hitung nilai Delta H produk dengan menghitung Delta H masing-masing komponen produk

Untuk CO2, 

Untuk H2O, 

Untuk O2, 

Untuk N2, 

Lalu kita masukkan nilai-nilai Delta H tiap komponen diatas ke rumus beirkut dan kita jumlahkan. Akhirnya, dengan menggunakan solver, didapat nilai Temperatur maksimal yang bisa dicapai

Referensi : 

[1] Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 7th Edition, J.M Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott

Soal dan Pembahasan Termodinamika (Heat Effect)

Soal 1 : Heat Effect

Hitunglah panas standard dari reaksi sintesis metanol berikut pada temperatur 800 C :

Gunakan data pada Tabel C1 dan C4 dari buku referensi "Introduction to chemical engineering thermodynamics" karangan Smith, Van Ness & Abbot

JAWABAN

Untuk menyelesaikan masalah ini, mula-mula kita ambil data kalor pembentukan standar dan konstanta A,B,C,D dari tabel C1 dan C4 referensi :

Untuk menghitung panas standar dari reaksi pada temperatur 800oC, digunakan rumus berikut: 

Kemudian hitung nilai delta H masing-masing senyawa :

Sehingga, didapat kalor untuk reaksi tersebut pada 800 C adalah sebagai berikut 

Referensi : 

[1] Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics 7th Edition, J.M Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott

Soal dan Pembahasan Neraca Massa - Azas Teknik Kimia

Soal 1 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Streptomycin digunakan sebagai antibiotik untuk melawan penyakit yang disebabkan oleh bakteri dan diproduksi melalui proses fermentasi bakteri dalam sebuah reaktor biologi berisi glukosa dan asam amino sebagai sumber makanannya. Setelah proses fermentasi selesai, Streptomycin diambil dengan mengontakkan larutan kaldu fermentasi dengan sebuah pelarut organik dalam suatu proses ekstraksi. Proses ekstrasi dapat berlangsung karena Streptomycin memiliki sifat afinitas yang lebih besar dalam pelarut organik daripada dalam larutan fermentasi. Gambar dibawah menunjukkan proses keseluruhan

Tentukan fraksi massa Streptomycin dalam larutan organik keluaran proses dengan asumsi tidak ada air dalam yang terkandung dalam pelarut dan tidak ada pelarut yang terbawa di larutan fermentasi. Asumsi densitas larutan fermentasi 1 g/cm3 dan densitas pelarut organik 0,6 g/cm3. 

JAWABAN

Untuk memudahkan penulisan, 

Larutan Fermentasi disimbolkan "A", Pelarut Organik disimbolkan "S", subscript "in" menunjukkan aliran masuk, subscript "out" menunjukkan aliran keluar.

Tinjau Neraca Massa Streptomycin disetiap aliran

Untuk menghitung fraksi massa Streptomycin dalam larutan organik keluaran proses ekstraksi, kita perlu menentukan massa Streptomicyn dan masssa solvent terlebih dahulu

massa solvent pada pelarut organik yang masuk dan keluar proses ekstraksi adalah sama karena asumsi "tidak ada pelarut yang terbawa ke larutan fermentasi"

Sehingga, massa solvent pada aliran keluaran dapat dihitung sebagai berikut:

Sedangkan, massa Streptomicyn dipelarut dapat dihitung sebagai berikut

Sehingga, fraksi massa Streptomicyn di pelarut organik keluaran proses ekstraksi adalah 

Soal 2 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Titanium dioksida, TiO2, adalah sebuah pigmen yang diproduksi secara masif dan digunakan secara luas pada industri cat dan kertas. Pada sebuah pabrik pigmen yang memproduksi 4000 lb/jam TiO2-basis kering, terdapat sebuah proses intermediate untuk memurnikan larutan garam yang mengandung TiO2 sehingga didapat produk akhir yang mengandung maksimal 100 ppm garam (1 ppm = fraksi massa 10-6) basis kering. Proses penghilangan garam ini menggunakan air sebagai pencucinya. Bila larutan pigmen yang masuk ke unit penghilangan garam ini mengandung 40% TiO2, 20% garam, dan sisanya air (%massa) dan bila pigmen yang sudah dicuci tersebut diharapkan mengandung 50% padatan TiO2, berapa %massa garam pada aliran air limbah bila F2/F1=6 ? 

JAWABAN

Dari soal, diketahui bahwa fraksi massa garam pada aliran produk bersih adalah 100 ppm basis kering. Artinya, dalam perhitungan fraksi tersebut tidak melibatkan air dalam perhitungan massa totalnya. Sehingga, fraksi massa garam dalam aliran produk bersih dapat dituliskan sebagai berikut:

Bagi kedua bagian pecahan (penyebut dan pembilang) dengan F3, dan masukkan fraksi massa TiO2 pada aliran 3 sebesar 50%, didapat:

Sehingga, didapat fraksi garam pada aliran produk bersih (3)

Berikutnya, dari neraca total pada aliran 3 basis kering, didapat laju massa total aliran 3 (F3) basis basah:

Kemudian, tinjau neraca massa TiO2 total dalam sistem. TiO2 hanya berada di aliran 1 dan 3, sehingga massa TiO2 pada aliran 1 sama dengan massa TiO2 pada aliran 3. Sehingga, didapat laju alir massa total aliran 1 (F1)

Dengan menggunakan perbandingan antara F2 dan F1, didapat nilai F2 sebagai berikut:

Dengan meninjau neraca massa total dari sistem, dapat dihitung nilai F4 sebagai berikut

Akhirnya, dengan menggunakan neraca massa garam, dapat dihitung fraksi massa garam di aliran air limbah (4). Garam berada pada aliran 1, 3, dan 4. Sehingga neraca massa garam tersebut dideskripsikan sebagai berikut:

Referensi:
[1] Introduction to Material and Energy Balances, Reklaitis and Schneider
[2] Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering, Himmelblau and Riggs