Soal 1 (Menentukan Massa Zat yang Dibakar)
Konteks: Pembakaran etanol (C2H5OH) dalam bom kalorimeter untuk analisis energi minuman beralkohol.
Soal:
Sebanyak m gram etanol (C2H5OH, ΔHc° = -1367 kJ/mol) dibakar sempurna dalam bom kalorimeter (kapasitas kalor = 3,85 kJ/°C) yang berisi 2,5 L air. Suhu awal sistem 24,5°C, dan setelah pembakaran suhu naik menjadi 27,1°C. Kalor jenis air 4,18 J g^-1°C^-1. Hitung massa etanol (m) yang dibakar!
Pembahasan:
1. Hitung kalor yang diserap oleh air dan kalorimeter:
- Kalor air:
q_air = m × c × ΔT = 2500 g × 4,18 J/g°C × (27,1 - 24,5)°C = 27.170 J
- Kalor kalorimeter:
q_bom = C × ΔT = 3850 J/°C × 2,6°C = 10.010 J
- Total kalor (q_total) = 27.170 + 10.010 = 37.180 J = 37,18 kJ
2. Hitung mol etanol:
Karena q_total = n × |ΔHc|, maka:
n = 37,18 kJ / 1367 kJ/mol = 0,0272 mol
3. Hitung massa etanol:
Massa molar C2H5OH = 46 g/mol
m = n × Mr = 0,0272 mol × 46 g/mol = 1,25 g
Jawaban: Massa etanol = 1,25 gram
Soal 2 (Menentukan Kapasitas Kalor Bom)
Konteks: Analisis energi kacang almond (asam lemak C55H104O6) menggunakan kalorimeter.
Soal:
0,92 g senyawa C55H104O6 (ΔHc° = -32.500 kJ/mol) dibakar dalam bom kalorimeter yang direndam dalam 1,8 L air. Suhu air naik dari 21,0°C ke 23,6°C. Jika kalor jenis air 4,2 J g^-1°C^-1, hitung kapasitas kalor bom (dalam J/°C)!
Pembahasan:
1. Hitung kalor dari pembakaran:
- Mol C55H104O6:
n = 0,92 g / 860 g/mol = 1,07 × 10^-3 mol
- Kalor pembakaran:
q_lepas = n × |ΔHc| = 1,07 × 10^-3 × 32.500 kJ = 34,78 kJ = 34.780 J
2. Hitung kalor yang diserap air:
q_air = 1800 g × 4,2 J/g°C × (23,6 - 21,0)°C = 19.656 J
3. Hitung kapasitas bom (C_bom):
q_lepas = q_air + q_bom
34.780 = 19.656 + C_bom × 2,6
C_bom = (34.780 - 19.656) / 2,6 = 5.816 J/°C
Jawaban: Kapasitas kalor bom = 5.816 J/°C
Soal 3 (Menentukan Kalor Pembakaran Spesifik)
Konteks: Uji nilai kalor batu bara dalam industri energi.
Soal:
3,50 g sampel batu bara dibakar dalam bom kalorimeter berkapasitas 11,3 kJ/°C yang berisi 4,00 kg air. Suhu sistem naik dari 22,0°C ke 29,5°C. Jika kalor jenis air 4,18 J g^-1°C^-1, hitung nilai kalor pembakaran batu bara dalam kJ/g!
Pembahasan:
1. Hitung kalor total yang diserap:
- Kalor air:
q_air = 4000 g × 4,18 J/g°C × (29,5 - 22,0)°C = 125.400 J
- Kalor kalorimeter:
q_bom = 11.300 J/°C × 7,5°C = 84.750 J
- Total kalor = 125.400 J + 84.750 J = 210.150 J = 210,15 kJ
2. Hitung kalor pembakaran per gram:
Nilai kalor = 210,15 kJ / 3,50 g = 60,04 kJ/g
Jawaban: Nilai kalor pembakaran batu bara = 60,04 kJ/g
Soal 4 (Menentukan Massa Molar)
Konteks: Analisis senyawa organik tak dikenal di laboratorium forensik.
Soal:
1,25 g senyawa organik X dibakar dalam bom kalorimeter berkapasitas 9,45 kJ/°C yang berisi 3,0 L air. Suhu naik dari 21,2°C ke 24,8°C. Jika kalor pembakaran senyawa X adalah -2.850 kJ/mol dan kalor jenis air 4,20 J g^-1°C^-1, tentukan massa molekul relatif (Mr) senyawa X!
Pembahasan:
1. Hitung kalor yang dilepaskan:
- Kalor air:
q_air = 3000 g × 4,20 J/g°C × (24,8 - 21,2)°C = 45.360 J
- Kalor kalorimeter:
q_bom = 9.450 J/°C × 3,6°C = 34.020 J
- Total kalor = 45.360 J + 34.020 J = 79.380 J = 79,38 kJ
2. Hitung mol senyawa X:
n = q_total / |ΔHc| = 79,38 kJ / 2.850 kJ/mol = 0,02785 mol
3. Hitung Mr senyawa X:
Mr = massa / n = 1,25 g / 0,02785 mol = 44,88 g/mol ≈ 45 g/mol
Jawaban: Massa molekul relatif senyawa X ≈ 45 g/mol
Soal 5 (Menentukan Volume Air yang Digunakan)
Konteks: Kalibrasi alat kalorimeter di laboratorium kimia.
Soal:
Sebuah bom kalorimeter dengan kapasitas 8,20 kJ/°C digunakan untuk membakar 2,15 g metana (CH4, ΔHc° = -890 kJ/mol). Suhu sistem naik dari 25,0°C ke 38,2°C. Jika kalor jenis air 4,18 J g^-1°C^-1, berapa volume air (dalam liter) yang digunakan dalam kalorimeter tersebut?
Pembahasan:
1. Hitung kalor yang dilepaskan pembakaran:
- Mol CH4:
n = 2,15 g / 16 g/mol = 0,1344 mol
- Kalor pembakaran:
q_lepas = 0,1344 mol × 890 kJ/mol = 119,6 kJ = 119.600 J
2. Hitung kalor yang diserap kalorimeter:
q_bom = 8.200 J/°C × (38,2 - 25,0)°C = 108.240 J
3. Hitung kalor yang diserap air:
q_air = q_total - q_bom = 119.600 J - 108.240 J = 11.360 J
4. Hitung massa air:
m = q_air / (c × ΔT) = 11.360 J / (4,18 J/g°C × 13,2°C) = 206,5 g
5. Konversi ke volume:
Volume = 206,5 g / 1000 g/L = 0,2065 L
Jawaban: Volume air yang digunakan = 0,2065 liter
Soal 6 (Bioenergetika Kelapa Sawit)
Konteks: Efisiensi energi di pabrik kelapa sawit Riau
Soal:
5,2 kg limbah cangkang sawit (ΔHc = -18,5 kJ/g) dibakar dalam kalorimeter industri berkapasitas 85,4 kJ/°C. Sistem mengandung 200 L air pendingin. Jika suhu awal 28°C (suhu rata-rata Riau) dan 60% energi digunakan untuk memanaskan air, hitung:
a) Kenaikan suhu air jika kalor jenis air 4,18 J g^-1°C^-1
b) Efisiensi proses jika kebutuhan teoritis untuk memanaskan air hingga 90°C adalah 52.000 kJ!
Pembahasan:
a) Kenaikan suhu air:
- Energi total pembakaran:
q_total = 5.200 g × 18,5 kJ/g = 96.200 kJ
- Energi untuk air (60%):
q_air = 0,6 × 96.200 kJ = 57.720 kJ = 57.720.000 J
- Massa air = 200 L × 1.000 g/L = 200.000 g
ΔT = q_air / (m × c) = 57.720.000 / (200.000 × 4,18) = 69°C
b) Efisiensi proses:
Efisiensi = (52.000 kJ / 96.200 kJ) × 100% = 54,05%
Jawaban:
a) Kenaikan suhu air = 69°C
b) Efisiensi proses = 54,05%
Soal 7 (Geotermal Kamojang)
Konteks: Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi di Jawa Barat
Soal:
Sumber uap geotermal Kamojang mengandung 0,5 kg uap air pada 150°C. Uap ini dialirkan melalui kalorimeter logam (c = 0,45 J g^-1°C^-1; massa 25 kg) yang berisi 500 kg air dingin 25°C. Jika suhu akhir campuran 75°C, hitung:
a) Kalor yang dilepas uap (kalor pengembunan air = 2.260 kJ/kg; c air = 4,18 kJ kg^-1°C^-1)
b) Efisiensi konversi energi jika listrik yang dihasilkan 1.250 kJ!
Pembahasan:
a) Kalor uap:
- Kalor pengembunan:
q_kondensasi = 0,5 kg × 2.260 kJ/kg = 1.130 kJ
- Kalor pendinginan:
q_pendinginan = 0,5 kg × 4,18 kJ/kg°C × (150-75)°C = 156,75 kJ
- Total kalor uap = 1.130 + 156,75 = 1.286,75 kJ
b) Efisiensi:
Efisiensi = (1.250 kJ / 1.286,75 kJ) × 100% = 97,14%
Jawaban:
a) Kalor total uap = 1.286,75 kJ
b) Efisiensi konversi = 97,14%
Soal 8 (Biodiesel Jarak Pagar)
Konteks: Pengembangan biodiesel di Nusa Tenggara Timur
Soal:
2 L biodiesel (C19H36O2, ρ = 0,88 g/cm^3) dibakar dalam kalorimeter bom berkapasitas 15,3 kJ/°C. Suhu naik dari 30°C ke 650°C. Jika kalor yang diserap lingkungan 15% dan ΔHc biodiesel = -11.200 kJ/mol, hitung:
a) Massa biodiesel yang terbakar
b) Efisiensi pembakaran!
Pembahasan:
a) Massa biodiesel:
- Volume = 2 L = 2.000 cm^3
m = ρ × V = 0,88 × 2.000 = 1.760 g
b) Efisiensi:
- Kalor terukur:
q_kalorimeter = 15,3 kJ/°C × (650-30)°C = 9.486 kJ
- Kalor teoritis:
n = 1.760 g / 296 g/mol = 5,9459 mol
q_teoritis = 5,9459 × 11.200 kJ = 66.594 kJ
- Efisiensi = (9.486 kJ / 66.594 kJ) × 100% = 14,24%
Jawaban:
a) Massa biodiesel = 1.760 g
b) Efisiensi pembakaran = 14,24%
Soal 9 (Gula Merah Aren)
Konteks: Industri gula merah tradisional di Jawa Tengah
Soal:
500 g gula merah (C12H22O11) dibakar dengan oksigen terbatas menghasilkan 2.250 kJ energi. Jika kalorimeter tembaga (m = 5 kg; c = 0,385 J g^-1°C^-1) mencatat kenaikan suhu 85°C, hitung:
a) Persentase energi yang hilang
b) Massa arang yang terbentuk jika ΔHc gula = -5.650 kJ/mol!
Pembahasan:
a) Energi hilang:
- Kalor terukur:
q = 5.000 g × 0,385 J/g°C × 85°C = 163.625 J = 163,625 kJ
- % hilang = [(2.250 - 163,625)/2.250] × 100% = 92,73%
b) Massa arang:
- Reaksi tidak sempurna:
C12H22O11 → 12C + 11H2O
Mol gula = 500 g / 342 g/mol = 1,462 mol
Massa arang = 1,462 × 12 × 12 g/mol = 210,5 g
Jawaban:
a) Energi hilang = 92,73%
b) Massa arang terbentuk = 210,5 g
Soal 10 (Tambang Batu Bara Kalimantan)
Konteks: Analisis kualitas batu bara di Kalimantan Timur
Soal:
Sampel batu bara mengandung 75% karbon, 5% hidrogen, dan 20% pengotor dibakar dalam kalorimeter berisi 10 kg air. Jika suhu naik dari 27°C ke 93°C (kapasitas kalorimeter diabaikan), dan diketahui:
ΔHc C = -393,5 kJ/mol
ΔHc H2 = -285,8 kJ/mol
Hitung:
a) Energi yang dihasilkan per kg batu bara
b) Kadar pengotor jika energi nyata 20% lebih rendah dari teoritis!
Pembahasan:
a) Energi per kg:
- Kalor air:
q = 10.000 g × 4,18 J/g°C × (93-27)°C = 2.758.800 J = 2.758,8 kJ
- Untuk 1 kg batu bara:
q/kg = 2.758,8 kJ / 0,5 kg = 5.517,6 kJ/kg
b) Kadar pengotor:
- Energi teoritis:
C: 750 g / 12 g/mol × 393,5 kJ/mol = 24.593,75 kJ
H: 50 g / 2 g/mol × 285,8 kJ/mol = 7.145 kJ
Total teoritis = 31.738,75 kJ
- Selisih = 31.738,75 - (5.517,6 × 5) = 4.149,75 kJ
% pengotor = (4.149,75/31.738,75) × 100% = 13,07%
Jawaban:
a) Energi per kg = 5.517,6 kJ/kg
b) Kadar pengotor sesungguhnya = 13,07%
Berikut ini alat bantu hitung yang dapat digunakan untuk soal-soal seperti dicontohkan pada 10 soal di atas.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar