72BAB IIIEKSPANSI ADIABATIK1 2 3 3.1. 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).1. 2. 3. 3.1. 3.2. Tinjauan PustakaHukum pertama Termodinamika disebut juga hukum kekekalan tenaga/ energi. Isi hukum tersebut menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dihilangkan, energi hanya dapat diubah dalam bentuk lain, yaitu kalor dan kerja. Dalam hubungan antara sistem dan sekeliling, maka jumlah energi yang dilepaskan oleh sistem adalah sama besar dengan energi yang diterima sekeliling, begitu juga sebaliknya (Sukardjo,2002).Kalor (Q) bernilai positif apabila sistem menerima kalor dari lingkungan. Sebaliknya Q bernilai negatif apabila sistem melepaskan kalor. Begitu juga kerja (W), akan bernilai positif apabila sistem menerima kerja, sedangkan bernilai negatif apabila sistem melakukan kerja.Dimana:U Energi sistem = Q + W(3.1) (Imam, 2006)Hukum kedua menyatakan bahwa kerja merupakan energi yang siap untuk dirubah ke bentuk energi lain, contohnya adalah menjadi energi potensial dengan perbedaan ketinggian dari suatu massa tertentu, menjadi energi kinetik dengan perubahan percepatan dari suatu massa, atau menjadi energi listrik dengan mengoperasikan generator.

Ada dua pernyataan yang paling umum dari Hukum Termodinamika II, yaitu yang pertama bahwa tidak ada alat yang dapat bekerja untuk merubah seluruh panas menjadi 57kerja, dan yang kedua bahwa tidak ada proses yang dapat mentransfer panas dari suhu rendah ke suhu tinggi (Van Ness, 1996).Proses adiabatik adalah proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa antara sistem dan lingkungannya, dimana dalam hal ini Q = 0. (wikipedia)Integrasi dengan Cv dan Cp konstan akan relasi T, P dan V:

(3.2)Jika ratio Cp/Cv dinyatakan dengan konstanta adiabatis () maka:

(3.3)Integrasi dengan Cv konstan:

(3.4)

(3.5)Jadi, persamaannya:

(3. 6)Keterangan :CV=Kapasitas panas volume konstan (J/mol.K)Cp =Kapasitas panas tekanan konstan (J/mol.K)P1 = Tekanan awal tangki (kg/cm2)P2 = Tekanan akhir tangki (kg/cm2)T1 = Suhu awal tangki (K)T2 = Suhu akhir tangki (K)V1 =Volume awal tangki (liter)V2 = Volume akhir tangki (liter)Berdasarkan atas dasar perpindahan panas, baik yang masuk atau keluar dari sistem proses ekspansi dibagi menjadi dua yaitu:1. Ekspansi adiabatik reversibelApabila tidak ada perpindahan panas antara sistem dan lingkungan atau sekelilingnya dalam hal ini q = 0 sehingga U = Q + W U = W58

Keterangan : U = Energi gas idealQ = Kalor (Panas)W = Kerja2. Ekspansi adiabatik irreversibelApabila terjadi perpindahan panas antara sistem dan lingkungan atau sekelilingnya dalam hal ini q 0 sehingga U = Q + WAplikasi ekspansi adiabatik dalam kehidupan sehari-hari, yaitu:1. TurbinEkspansi gas dalam nozzle akan menghasilkan aliran berkecepatan tinggi yang merupakan proses konversi dari internal energi menjadi energi kinetik 1P1P22S2H(H)SHS

Gambar 3.2.1. Pembangkit listrik tenaga uap sederhana Langkah-langkah:12 : Proses ekspansi adiabatik irreversibel12 : Proses ekspansi adiabatik reversible2. Siklus CarnotSiklus carnot adalah suatu proses yang berturutan, dan pada akhir proses dikebailkan lagi ke keadaan awal. (Sukardo, 2002)

59

21

TH

T

TC34

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) (Van Ness,1996)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 0,4 kg/cm260C. D. 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 0,4 kg/cm23.4. Alat dan Bahan A. Alat-alat yang digunakan:B. Bahan-bahan yang digunakan: barometer-Udara kompresor udara pompa vakum stopwatch tangki adiabatik thermometer3.5. Prosedur Percobaan A. Ekspansi udara dari tangki bertekanan (A) ke tangki vakum (B). Membuka valve 1 dan 3 serta menutup valve 2 dan 4 Menghidupkan motor kompresor dan mengalirkan udara dari tangki A sampai tekanan tertentu (sesuai variabel) Mematikan kompresor bila tekanan yang diinginkan telah tercapai dan tetap membuka valve 1 Menghampakan tangki B dengan pompa vakum, kemudian menutup valve 3 dan mematikan pompa vakum Membaca 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 waku yang diperlukan serta mencatat suhu dan tekanan pada masing masing tangki Mengulangi prosedur diatas masing masing sebanyak 5 kali sesuai run, yaitu 1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 (kg/cm2).61

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) Mematikan motor kompresor bila tekanan yang diinginkan tercapai dan menutup valve 2 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 5 kali sesuai run, yaitu 1 ; 1,5 ; 2 ; 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 B dengan tekanan 1 ; 2 ; 3 dan 4 (kg/cm2) dan mengalirkannya ke tangi C sampai mencapai tekanan 0,5 kg/cm2-Mematikan motor kompresor apabila mencapai tekanan yang diinginkan dan menutup valve1, 2, 4, 5 -Membaca suhu dan tekanan awal pada tangki B, tangki C dan atmosfer-Membuka valve 4, 5, dan 6 secara bersamaan, dan menyalakan stopwatch-Mencatat tekanan pada tangki B dan C pada saat tekanan kedua tangki sama-Mencatat waktu yang dibutuhkan sampai tekanan pada tangki C sama dengan atmosfer- Mengulangi prosedur diatas untuk 1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 (kg/cm2) masing-masing sebanyak 5 kali.

623.6. 3.7. Gambar Peralatan 2D 3B73Cc 1C 2E 2B

Gambar 2.4.2. Instrumen Ekspansi Adiabatik2C45 1B 61A2A3A

Keterangan:1. Chanel peenguatA. KompresorB. Tangki adiabatik dengan isolasiC. Tangki adiabatik dengan isolasi2. ValveA. Valve 1B. Valve 2C. Valve 3D. Valve 4E. Valve 53. Manometer A. Manometer tangki AB. Manometer tangki BC. Manometer tangki C4. Pipa penyangga5. Dasar penyangga6. Pompa vakum7. Thermometer 63

3.7. Data Pengamatan1. Tabel 3.7.1. Data pengamatan proses ekspansi dari tangki bertekanan (A) ke tangki vakum (B)RunPA1 (kg/cm2)PB1 (kg/cm2) TA1 (oC)TB1 (oC)PA2 (kg/cm2)PB2 (kg/cm2)TA2 (oC)TB2 (oC)Waktu (detik)

1 1023260,50,52528,524,87

223260,50,52628,526,84

11,5023270,70,7263124,69

223,5270,60,626,53026,41

12023,5271,11,126,533,522,45

224281126,53229,43

12,5024281,31,326,53322,86

224281,41,42733,529,05

RunPA1 (kN/m2)PB1 kN/m2TA1 (K)TB1 (K)PA2 (kN/m2)PB2 (kN/m2)TA2 (K)TB2 (K)Waktu (Detik)TA2 teoritisTB2 teoritis%%log PA1Log PA2Log TA1Log TA2

198,06650296,15299,1549,033349,0333298,15301,6524,87243,05296,6022,668%1,703%3,9831,6902,472,38

2296,15299,1549,033349,0333299,15301,6526,84243,05295,3423,079%2,137%1,6902,472,38

1147,10296,15300,1568,646668,6466299,15304,1524,69238,32296,3225,524%2,641%4,1591,8362,472,37

2296,65300,1558,839958,8399299,65303,1526,41228,46296,3331,160%2,301%1,7692,472,35

1196,1330296,65300,15107,873107,873299,65306,6522,45271,55296,3310,348%3,482%4,2842,0322,472,43

2297,15301,1598,066598,0665299,65305,1529,43243,87297,9622,870%2,414%1,9912,472,38

1245,1660297,15301,15127,486127,486299,65306,1522,86246,62297,9621,504%2,750%4,3802,1052,472,39

2297,15301,15137,293137,293300,15306,6529,05251,88297,3219,163%3,136%2,1372,472,40

641. 1. Tabel 3.7.2. Data pengamatan proses ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosferRunPA1 (kg/cm2)PB1 (kg/cm2) TA1 (oC)TB1 (oC)PA2 (kg/cm2)PB2 (kg/cm2)TA2 (oC)TB2 (oC)Waktu (detik)

11126317620,5262412,87

2126297660,5282411,42

11,51,526337670,5302412,01

21,526337820,5312414,04

12226357860,533249,78

2226347900,532249,75

12,52,526357790,532234,62

22,526327820,533234,63

RunPA1 kN/m2PB1 kN/m2TA1 (K)TB1 (K)PA2 kN/m2PB2 kN/m2TA2 (K)TB2 (K)Waktu DetikTA2 teoritisTB2 teoritis%%log PA1Log PB2Log TB1Log TB2

198,06698,066299,15304,15101,59149,0333299,15297,1512,87249,62304,1519,842%2,301%3,9832,00692,47592,3973

2299,15302,15102,12549,0333301,15297,1511,42247,98299,6021,442%0,817%2,00912,47592,3944

1147,1147,1299,15306,15102,25849,0333303,15297,1512,01223,84301,0235,433%1,284%4,1592,00972,47592,3499

2299,15306,15104,25849,0333304,15297,1514,04223,84299,7635,880%0,870%2,01812,47592,3499

1196,13196,13299,15308,15104,79149,0333306,15297,159,78207,56299,2147,499%0,688%4,2842,02032,47592,3171

2299,15307,15105,32449,0333305,15297,159,75206,89299,4847,496%0,779%2,02252,47592,3157

1245,16245,16299,15308,15103,85849,0333305,15296,154,62194,77300,4656,672%1,433%4,3812,01642,47592,2895

2299,15305,15104,25849,0333306,15296,154,63192,87296,3058,731%0,049%2,01812,47592,2853

651. 1. Tabel 3.7.3. Data Pengamatan Proses ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C)RunPB1PC1P atm1TB1TC1T atm1PB2PC2P mmHgTB2TC2T atm2Waktu

110,50,52829220,50,27712728255,05

20,50,52829220,50,27742728256,6

11,50,50,52829220,50,37842629263,57

20,50,52930220,50,17872629252,48

120,50,52930220,50,17822628252,55

20,50,52829220,50,1789262925,51,13

12,50,50,52930220,50,17912628252,08

20,50,52829220,50,17902628251,69

RunPB1PC1P atm1TB1TC1T atm1PB2PC2P mmHgTB2TC2T atm2Waktu

198,066549,0332549,0333301,15302,15295,1549,033319,6133102,791300,15301,15298,155,05

249,0332549,0333301,15302,15295,1549,033319,6133103,191300,15301,15298,156,6

1147,099849,0332549,0333301,15302,15295,1549,033329,42104,524299,15302,15299,153,57

249,0332549,0333302,15303,15295,1549,03339,80665104,924299,15302,15298,152,48

1196,133049,0332549,0333302,15303,15295,1549,03339,80665104,258299,15301,15298,152,55

249,0332549,0333301,15302,15295,1549,03339,80665105,191299,15302,15298,651,13

1245,166349,0332549,0333302,15303,15295,1549,03339,80665105,458299,15301,15298,152,08

249,0332549,0333301,15302,15295,1549,03339,80665105,324299,15301,15298,151,69

66

TB1 rata"PB1 rata"TB2 rata''PB2 rata''Teoritis %Log TB2

301,6573,5499300,6534,3233247,1621,4407%2,3930

301,6524,5166300,6534,3233247,1621,4407%2,3930

301,6598,0665300,6539,2266220,1835,8657%2,3428

302,6524,5166300,6529,42220,9135,4160%2,3442

302,65122,583300,1529,42203,5246,9887%2,3086

301,6524,5166300,6529,42202,8547,4768%2,3072

302,65147,1300,1529,42190,9856,6420%2,2810

301,6524,5166300,1529,42190,3457,1621%2,2795

67

68

3.8. Grafik

Grafik 3.8.1. Hubungan antaradengan dan pada proses ekspansi adiabatikdari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)

Grafik 3.8.2. Hubungan antara dengan dan pada proses ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)

Grafik 3.8.3.Hubungan antara dengan % Kesalahan pada proses ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)

Grafik 3.8.4.Hubungan antara dengan danpada proses ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer

69

Grafik 3.8.5. Hubungan antaradengan dan pada proses ekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer

Grafik 3.8.6. Hubungan antara dengan % Kesalahanpada prosesekspansi adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer70

Grafik 3.8.7. Hubungan antara dengan dan pada proses ekspansiadiabatik dari tangki bertekanan (B) ke Atmosfer melalui tangki bertekanan (C)

Grafik 3.8.8. Hubungan antara dengan % kesalahan pada proses ekspansiadiabatik dari tangki bertekanan (B) ke Atmosfer melalui tangki bertekanan (C)

71

3.9.Pembahasan- Proses ekspansi dari tangki bertekanan (A) ke tangki vakum (B)Pada grafik 3.8.1 dan 3.8.2 menunjukkan hubungan antara PA1 terhadap TA1 dan TA2 serta antara PA1 terhadap TB1 dan TB2 berbanding lurus antara suhu dan tekanannya, semakin naik tekanannya maka suhu juga semakin naik. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa suhu berbanding lurus dengan tekanan. Pada grafik 3.8.3 dilihat dari % kesalahan TB2, pada tangki B didapatkan % kesalahan pada proses ekspansi adibatik berbanding lurus terhadap tekanan. Proses ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer Pada grafik 3.8.4. menyatakan hubungan antara PB1 terhadap TB1 dan TB2. PB1 dan TB1 berbanding lurus. Semakin tinggi suhu maka semakin tinggi pula nilai TB1. PB1 dan TB2 berbanding terbalik karena adanya perbedaan tekanan. Pada grafik 3.8.5. menyatakan hubungan antara PB1 dengan Tatm1 dan Tatm2 berbanding terbalik antara tekanan dan suhu dikarenakan perbedaan tekanan sebelum dan sesudah diekspansi pada tangki B. Pada grafik 3.8.6 pada % kesalahan PB1 berbanding terbalik dengan tekanannya. Proses ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C)Pada grafik 3.8.7. menyatakan hubungan antara PB1 terhadap TB1 dan TB2. PB1 dan TB1 berbanding lurus sedangkan PB1 dan TB2 berbanding terbalik. Pada grafik 3.8.8. dilihat dari % kesalahan TB2, pada tangki B didapatkan % kesalahan pada proses ekspansi adibatik berbanding lurus terhadap tekanan.3.10. KesimpulanDari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa: Hubungan antara tekanan dan temperatur 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. Persen (%) kesalahan semakin besar jika variabel tekanan semakin besar.