BAB IIIEKSPANSI ADIABATIK3.1. Tujuan PercobaanMengetahui
hubungan antara tekanan dan temperatur, serta besarnya penyimpangan
yang terjadi pada proses Ekspansi Adiabatik berdasarkan Hukum
Termodinamika I melalui proses: Ekspansi udara dari tangki
bertekanan (A) ke tangki vakum (B). Ekspansi udara dari tangki
bertekanan (B) ke atmosfer. Ekspansi udara dari tangki bertekanan
(B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C).
3.2. Tinjauan PustakaTermodinamika berasal dari dua kata yaitu
thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan
dengan pergerakan).Termodinamika adalah kajian mengenai
hubungan,panas, kerja, dan energy dan secara khusus perubahan panas
menjadi kerja.[3]Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa
energi adalah kekal. Bahwa, meskipun dapat diubah dalam bentuk dan
dipindahkan dari satu tempat yang lain, total kuantitas tetap
konstan. Dengan demikian, hukum pertama termodinamika bergantung
pada konsep energi; tapi, sebaliknya, energi merupakan fungsi
termodinamika yang penting karena memungkinkan hukum pertama yang
dirumuskan.Ketika diterapkan pada sistem tertutup (massa konstan)
yang hanya bentuk energi yang berubah adalah energi internal, hukum
pertama termodinamika dinyatakan secara matematis sebagai
berikut:
[1](3.2.1)
(3.2.2)Q bertanda + bila energi terserap sistem Q bertanda bila
energi dilepas sistemW bertanda + bila sistem dikenai kerjaW
bertanda bila sistem melakukan kerja[6]Hukum kedua mensyaratkan
bahwa entropi dari sistem terisolasimeningkatkan atau, dalam batas,
di mana sistem telah mencapai keadaan setimbang, tetap konstan.
Untuk sistem tertutup (tapi tidak terisolasi) membutuhkan bahwa
setiap penurunan entropi baik dalam sistem atau sekitarnya lebih
dari dikompensasi oleh peningkatan entropi dalam bagian lain atau
di batas, di mana proses ini reversibel, totalentropi sistem
sekitarnya konstan.
Untuk system tertutup semacam ini, kerja pada proses reversible
dapat dihitung dari
(3.2.3)Dimana P adalah tekanan mutlak dan Vt adalah volume total
dari sistem.[1]Sebuah proses, dimana perubahan dalam arah
sebaliknya, akan membalik proses seutuhnya, dikenal dengan proses
reversibel. Sebagai contoh, jika selama proses termodinamika dari
keadaan 1 ke 2, kerja yang dilakukan oleh gas adalah W1-2, dan
kalor yang diserap adalah Q1-2. Sekarang jika kerja dilakukan pada
gas sebesar W1-2 dan mengeluarkan kalor sebesar Q1-2, kita akan
membawa sistem kembali dari keadaan 2 ke 1, proses disebut
reversibel.Pada proses reversibel, seharusnya tidak ada kerugian
panas karena gesekan, radiasi atau konduksi, dsb. Siklus akan
reversibel jika semua proses yang membentuk siklus 3 adalah
reversibel. Maka pada siklus reversibel, kondisi awal dicapai
kembali pada akhir siklus.Tetapi jika perubahan tidak membalik
proses, maka disebut proses ireversibel. Pada proses ireversibel,
terjadi kerugian panas karena gesekan, radiasi atau konduksi.Dalam
keadaan di lapangan, sebagian besar proses adalah ireversibel.
Penyebab utama ireversibel adalah: (1) gesekan mekanik dan fluida,
(2) ekspansi tak tertahan, (3) perpindahan panas dengan perbedaan
temperatur tertentu. Lebih jauh, gesekan akan merubah kerja mekanik
menjadi panas. Panas ini tidak bisa dirubah kembali dalam jumlah
yang sama ke dalam kerja mekanik. Sehingga jika ada gesekan di
dalam proses maka proses adalah ireversibel.Proses isotermal bisa
dicapai jika proses begitu lambat sehingga kalor yang diserap atau
dilepaskan pada laju dimana temperatur tetap konstan. Dengan cara
yang sama, proses adiabatik bisa dicapai jika proses terjadi dengan
sangat cepat sehingga tidak ada waktu bagi kalor untuk masuk atau
meninggalkan gas.Dengan pandangan tersebut, proses isotermal dan
adiabatik dianggap sebagai proses reversibel.[3]Ekspansi adiabatik
reversibel, pada proses adiabatik terjadi apabila tidak ada
perpindahan panas antara sistem dan lingkungan atau sekelilingnya
dalam hal ini dQ = 0 sehingga dU = dW = -PdV (3.2.4)Karena
perubahan energi dalam untuk setiap proses yang melibatkan gas
ideal, makaCvdT = -PdV(3.2.5)Integrasi dengan Cv dan Cp konstan
akan relasi T, P dan V:
(3.2.6)
Jika ratio Cp/Cv dinyatakan dengan konstanta adiabatis ()
maka:
(3.2.7)
(3.2.8)Integrasi dengan Cv konstan:[2]
(3.2.9)
(3.2.10)
(3.2.11)Ekspansi adiabatik irreversibel, proses irreversible
adalah proses dimana perubahan entropi harus
positif(S>0).[4]Aplikasi ekspansi adiabatik dalam kehidupan
sehari-hari, yaitu:1. TurbinEkspansi gas dalam nozzle akan
menghasilkan aliran berkecepatan tinggi yang merupakan prdapat
dikonversi menjadi shaft work, kemudian aliran dialirkan melalui
blade untuk tujuan shaft rotasi.
1P1P22S2H(H)SHS Gambar 3.2.1. Pembangkit listrik tenaga uap
sederhana
Langkah-langkah:12 : Proses ekspansi adiabatik irreversibel12 :
Proses ekspansi adiabatik reversible[2]
2. Siklus Carnot
TH12
T
TC3
4
S
Gambar 3.2.2. Siklus carnot pada diagram T, SLangkah langkah
penjelasan pada Gambar Siklus Carnot, adalah:Langkah 1 2: Proses
pemanasan dengan tekanan konstan di dalam boiler. Langkah 2 3:
Proses reversibel, dimana ekspansi adiabatik pada keadaan uap jenuh
menghasilkan campuran zat cair jenuh dan uap jenuh pada TC (Proses
ekspansi adiabatik reversibel) di dalam kondensor.Langkah 3 4:
Proses kondensasi dimana tidak terjadi panas pada TC (Proses
kondensasi isothermal)Langkah 4 1: Kembali pada proses dalam
keadaan jenuh (Proses kompresi isentropi)[2]
3.3. Variabel PercobaanA. Ekspansi udara dari tangki bertekanan
(A) ke tangki vakum (B) Variabel berubah : Tekanan (PA) 1 ; 1,5 ; 2
; 2,5 (kg/cm2) Variabel tetap : Tekanan tangki vakum 0 kg/cm2B.
Ekspansi udara dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer Variabel
berubah : Tekanan udara ke tangki (B) sampai tekanan 1 ; 1,5 ; 2 ;
2,5 (kg/cm2) Variabel tetap : Tekanan udara luar 760 kg/cm2C.
Ekspansi udara dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer melalui
tangki bertekanan (C) Variabel berubah : Tekanan udara dari tangki
(B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan C sampai tekanan : 1 ;
1,5 ; 2 ; 2,5 (kg/cm2) Variabel tetap : Tekanan udara luar 760
kg/cm2
3.4. Alat dan Bahan A. B. Alat-alat yang digunakan: barometer
kompresor udara pompa vakum stopwatch tangki adiabatik termometer
C. Bahan yang digunakan: udara
3.5. Prosedur Percobaan A. Ekspansi udara dari tangki bertekanan
(A) ke tangki vakum (B). menutup valve 2 dan 4 serta membuka 1 dan
3 menghidupkan motor kompresor sampai tekanan tertentu (sesuai
variabel) mematikan kompresor bila tekanan yang diinginkan telah
tercapai menghampakan tangki B dengan pompa vakum, kemudian menutup
valve 3 dan mematikan pompa vakum mencatat suhu dan tekanan awal
pada tangki A dan tangki B, lalu membuka valve 2 dan menyalakan
stopwatch menutup valve dengan cepat apabila tekanan kedua tangki
telah sama dan mematikan stopwatch, mencatat waktu yang diperlukan
serta mencatat suhu dan tekanan pada masing masing tangki
mengulangi prosedur diatas masing masing sebanyak 3 kali sesuai
run, yaitu 1 ; 1,5 ; 2 dan 2,5 kg/cm2.B. Ekspansi udara dan tangki
bertekanan (B) ke atmosfer. membuka valve 1 dan 2 serta menutup
valve 3 dan 4. menghidupkan motor kompresor dan mengalirkan udara
ke dalam tangki B sampai mencapai tekanan tertentu (sesuai
variabel) dengan membuka valve 1 dan 2 mematikan motor kompresor
bila tekanan yang diinginkan tercapai membaca suhu dan tekanan awal
pada tangki B dan atmosfer membuka valve 4 dan menyalakan
stopwatch. menutup valve 4 dengan cepat apabila tekanan tangki B
dan atmosfer telah sama dan mematikan stopwatch, mencatat waktu
yang diperlukan serta mencatat suhu dan tekanan pada masing masing
tangki. mengulangi percobaan masing masing sebanyak 3 kali sesuai
run, yaitu 1 ; 1,5 ; 2 dan 2,5 kg/cm2.C. Ekspansi udara dari tangki
bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C). membuka
valve 1, 2, 4 ,5 serta menutup valve 3 dan 6 menghidupkan motor
kompresor dan mengalirkan udara ke dalam tangki C hingga 0,5 kg/m2
melalui tangki B dengan membuka valve 1, 2, 4 dan 5 menutup valve 4
dan 5 kemudian mengalirkan udara ke tangki B hingga tekanan
mematikan motor kompresor apabila mencapai tekanan yang diinginkan
dan menutup valve 1 dan 2 membaca suhu dan tekanan awal pada tangki
B, tangki C dan atmosfer membuka valve 4,5, dan 6 secara bersamaan
dan menyalakan stopwatch mencatat waktu yang dibutuhkan sampai
tekanan pada tangki C sama dengan atmosfer mengulangi prosedur di
atas untuk masing-masing tekanan, sebanyak 3 kali, yaitu 1 ; 1,5 ;
2 dan 2,5 kg/cm2.
3.6. 1Gambar Peralatan
1C3C73B2D62E2B
1B
2C
4
3A
5
2A1A
Gambar 3.6.1. Instrumen Ekspansi AdiabatikKeterangan:1. Chanel
penguatA. Kompresor B. Tangki adiabatik dengan isolasiC. Tangki
adiabatik dengan isolasi2. ValveA. Valve 1B. Valve 2C. Valve 3D.
Valve 4E. Valve 53. ManometerA. Manometer tangki AB. Manometer
tangki BC. Manometer tangki C4. Pipa penyangga5. Dasar penyangga6.
Pompa vakum7. Thermometer3.7. Data Pengamatan Tabel 3.7.1. Data
pengamatan proses ekspansi dari tangki bertekanan (A) ke tangki
vakum (B) RunPA1 (kg/cm2)PB1(kg/cm2)TA1 (C)TB1 (C)PA2 (kg/cm2)PB2
(kg/cm2)TA2 (C)TB2 (C)Waktu (detik)
11024260,50,522,5283
224260,50,522283,5
324260,50,522283,3
11,5025280,750,7522296
225280,750,7522296,5
325280,750,7522296,3
12025281125308
225271124297,5
325281124,529,57
12,50252711233112
2242711233110
324,52711233111
Tabel 3.7.2. Data pengamatan proses ekspansi dari tangki
bertekanan (B) ke atmosferRunPB1 (kg/cm2)PB2(kg/cm2)TB1 (C)TB2
(C)PATM1 (mmHg)PATM2 (mmHg)TATM1 (C)TATM2 (C)Waktu (detik)
110,6313076078825213
20,5292776077325212,5
30,6292976078125212,5
11.50,8333076077925173,8
20,9343276077725164,3
30,75343176077825174,3
121,2322976077925135,8
21,1363376079425125,5
31,0343076079625145,9
12,51,6383576079625103,5
21,5383576080025114
31,5383576079625113
Tabel 3.7.3. Data pengamatan proses ekspansi dari tangki
bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan
(C)RunPB1(kg/cm2)PC1(kg/cm2)Patm1(mmHg)TB1(C)TC1(C)Tatm1(C)PB2(kg/cm2)PC2(kg/cm2)Patm2(mmHg)TB2(C)TC2(C)Tatm2(C)Waktu(detik)
110,57603130250,70,17932928282
20,57603130280,80,17943028262,5
30,57603130270,750,17942928252,3
11,50,576034302710,257743228252,2
20,576033262910,257763228253
30,576033282910,257753228252,7
120,57603528291,20,37703428264
20,57603428271,10,37733327244,5
30,57603528281,20,37723327254,3
12,50,57603627,5251,90,37843327242,5
20,57603328251,90,37823127242
30,57603427251,90,37833227242,3
3.9. Grafik
Grafik 3.9.1. Hubungan antara dengan dan pada proses ekspansi
adiabatik dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)
Grafik 3.9.2. Hubungan antara dengan dan pada proses ekspansi
adiabatik dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)
Grafik 3.9.3. Hubungan antara dengan % Kesalahan pada proses
ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan
(B)
Grafik 3.9.4. Hubungan antara dengan danpada proses ekspansi
adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer
Grafik 3.9.5. Hubungan antaradengan dan pada proses ekspansi
adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer
Grafik 3.9.6. Hubungan antara dengan % Kesalahan pada proses
ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer
Grafik 3.9.7. Hubungan antara dengan dan pada proses ekspansi
adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke Atmosfer melalui tangki
bertekanan (C)
Grafik 3.9.8. Hubungan antara dengan % kesalahan pada proses
ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke Atmosfer melalui
tangki bertekanan (C)
3.10. PembahasanA. Proses ekspansi dari tangki bertekanan (A) ke
tangki vakum (B)Pada grafik 3.9.1 dan 3.9.2 menunjukkan hubungan
antara PA1 terhadap TA1 dan TA2 serta antara PA1 terhadap TB1 dan
TB2 berbanding lurus antara suhu dan tekanannya, semakin besar
tekanannya maka suhu juga semakin tinggi. Hal ini sesuai dengan
teori yang menyatakan bahwa suhu berbanding lurus dengan tekanan.
Pada grafik 3.9.3 dilihat dari % kesalahan TB2, pada tangki B
didapatkan % kesalahan pada proses ekspansi adibatik berbanding
lurus terhadap tekanan. Hal ini disebabkan penurunan suhu yang
terjadi karena adanya kebocoran pada ujung tangki dan isolator yang
kurang baik serta pemasangan selang yang kurang rapat. B. Proses
ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer Pada grafik 3.9.4.
menyatakan hubungan antara PB1 terhadap TB1 dan TB2 berbanding
lurus antara tekanan dan suhu, semakin besar tekanan maka suhu juga
semakin tinggi. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa
suhu berbanding lurus dengan tekanan. Pada grafik 3.9.6 menyatakan
% kesalahan TB1, kesalahan ini bisa disebabkan adanya penurunan
suhu yang terjadi karena pemasangan selang yang kurang rapat serta
ada kebocoran pada ujung tangki.C. Proses ekspansi dari tangki
bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C)Pada grafik
3.9.7. menyatakan hubungan antara PB1 terhadap TB1 dan TB2
berbanding lurus antara tekanan dan suhu, semakin besar tekanan
maka suhunya juga semakin tinggi. Hal ini sesuai dengan teori yang
menyatakan bahwa suhu berbanding lurus dengan tekanan. Pada grafik
3.9.8. dilihat dari % kesalahan TB2, pada tangki B didapatkan %
kesalahan pada proses ekspansi adibatik, kesalahan ini disebabkan
adanya penurunan suhu yang terjadi karena pemasangan selang yang
kurang rapat serta ada kebocoran pada ujung tangki.3.11. Kesimpulan
Hubungan antara tekanan dan temperature adalah berbanding lurus,
jika tekanan semakin tinggi maka suhu akan semakin tinggi juga,
begitu pula jika tekanan semakin rendah maka suhu akan semakin
rendah juga. Penyimpangan temperatur setelah proses ekspansi
sebanding dengan variabel tekanan, namun pada praktikum tidak
berbanding lurus. Persen (%) kesalahan yang terbesar didapatkan
pada variabel tekanan 1,5 kg/cm2.
DAFTAR PUSTAKA1. Perry, R. H., and Green, D. Perrys Chemical
Engineers Handbook, 6th ed. New York: McGraw-Hill Book Company,
1984.2. H. C. Van ness, dkk. 1996. Introduction to Chemical
Engineering Thermodynamics. New York: McGraw-Hill Book Company3.
(___,http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195708071982112-WIENDARTUN/ThermoMklh-1.pdf
diakses pada 26 Mei 2014.4.
(___,http://aguspur.staff.uns.ac.id/files/2009/07/termodinamika.pdf
diakses pada 26 Mei 2014.
