BAB III

EKSPANSI ADIABATIK

3.1. Tujuan Percobaan

Mengetahui 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).

1.1. Tinjauan Pustaka

Hukum 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

57

kerja, 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:dTT

=− RCvdVV .......................................................(3.2)

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

RCv

=γ−1..............................................................(3.3)

Integrasi dengan Cv konstan:

T2

T1

=(V 1

V 2)γ−1

..........................................................(3.4)

T2

T1

=( P2

P1)γ−1

..........................................................(3.5)Jadi, persamaannya:

γ=CpCv

=CpCp−R ...................................................(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 reversibel

Apabila tidak ada perpindahan panas antara sistem dan lingkungan atau sekelilingnya

dalam hal ini q = 0 sehingga

Δ U = Q + W

57

Δ U = W

Keterangan : ∆U = Energi gas ideal

Q = Kalor (Panas)

W = Kerja

2. Ekspansi adiabatik irreversibel

Apabila terjadi perpindahan panas antara sistem dan lingkungan atau sekelilingnya

dalam hal ini q ≠ 0 sehingga

Δ U = Q + W

Aplikasi ekspansi adiabatik dalam kehidupan sehari-hari, yaitu:

1. Turbin

Ekspansi gas dalam nozzle akan menghasilkan aliran berkecepatan tinggi yang

merupakan proses konversi dari internal energi menjadi energi kinetik

Gambar 3.2.1. Pembangkit listrik tenaga uap sederhana

Langkah-langkah:

1−2 : Proses ekspansi adiabatik irreversibel

1−2’ : Proses ekspansi adiabatik reversible

2. Siklus Carnot

Siklus carnot adalah suatu proses yang berturutan, dan pada akhir proses dikebailkan

lagi ke keadaan awal. (Sukardo, 2002)

57

S

H (△H)S

△H

2△S

2’P2

P11

Gambar 3.2.2. Siklus carnot pada diagram T, S

Langkah – 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 Percobaan

A. 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/cm2

B. 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/cm2

C. Ekspansi udara dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C)

57

3

T

TC

2

S

4

1TH

- 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/cm2

3.4. Alat dan Bahan

A. Alat-alat yang digunakan: B. Bahan-bahan yang digunakan:

- barometer - Udara

- kompresor udara

- pompa vakum

- stopwatch

- tangki adiabatik

- thermometer

3.5. 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).

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)

57

- 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.

57

3.6. Gambar Peralatan

Gambar 2.4.2. Instrumen Ekspansi Adiabatik

Keterangan:

1. Chanel peenguat

A. Kompresor

B. Tangki adiabatik dengan isolasi

C. Tangki adiabatik dengan isolasi

2. Valve

A. Valve 1

B. Valve 2

C. Valve 3

D. Valve 4

E. Valve 5

3. Manometer

A. Manometer tangki A

B. Manometer tangki B

C. Manometer tangki C

4. Pipa penyangga

5. Dasar penyangga

6. Pompa vakum

7. Thermometer

57

2B 2E 3

Cc

1C

6

2D

5

2A

3B7

3A

1A

1B

4

2C

64

3.7. Data Pengamatan

A. 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 1

023 26 0,5 0,5 25 28,5 24,87

2 23 26 0,5 0,5 26 28,5 26,841

1,5 023 27 0,7 0,7 26 31 24,69

2 23,5 27 0,6 0,6 26,5 30 26,411

2 023,5 27 1,1 1,1 26,5 33,5 22,45

2 24 28 1 1 26,5 32 29,431

2,5 024 28 1,3 1,3 26,5 33 22,86

2 24 28 1,4 1,4 27 33,5 29,05

RunPA1

(kN/m2)

PB1

kN/m2

TA1

(K)TB1

(K)PA2

(kN/m2)PB2

(kN/m2)TA2

(K)TB2

(K)Waktu (Detik)

TA2

teoritisTB2

teoritis% %

log PA1

Log PA2

Log TA1

Log TA2

198,0665 0

296,15 299,15 49,0333 49,0333 298,15 301,65 24,87 243,05 296,60 22,668% 1,703%3,983

1,690 2,47 2,38

2 296,15 299,15 49,0333 49,0333 299,15 301,65 26,84 243,05 295,34 23,079% 2,137% 1,690 2,47 2,38

1147,1 0

296,15 300,15 68,6466 68,6466 299,15 304,15 24,69 238,32 296,32 25,524% 2,641%4,159

1,836 2,47 2,37

2 296,65 300,15 58,8399 58,8399 299,65 303,15 26,41 228,46 296,33 31,160% 2,301% 1,769 2,47 2,35

1196,133 0

296,65 300,15 107,873 107,873 299,65 306,65 22,45 271,55 296,33 10,348% 3,482%4,284

2,032 2,47 2,43

2 297,15 301,15 98,0665 98,0665 299,65 305,15 29,43 243,87 297,96 22,870% 2,414% 1,991 2,47 2,38

1245,166 0

297,15 301,15 127,486 127,486 299,65 306,15 22,86 246,62 297,96 21,504% 2,750%4,380

2,105 2,47 2,39

2 297,15 301,15 137,293 137,293 300,15 306,65 29,05 251,88 297,32 19,163% 3,136% 2,137 2,47 2,40

64

B. Tabel 3.7.2. Data pengamatan proses ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer

Run PA1

(kg/cm2)PB1

(kg/cm2) TA1

(oC)TB1

(oC)PA2

(kg/cm2)PB2

(kg/cm2)TA2

(oC)TB2

(oC)Waktu (detik)

11

1 26 31 762 0,5 26 24 12,872 1 26 29 766 0,5 28 24 11,421

1,51,5 26 33 767 0,5 30 24 12,01

2 1,5 26 33 782 0,5 31 24 14,041

22 26 35 786 0,5 33 24 9,78

2 2 26 34 790 0,5 32 24 9,751

2,52,5 26 35 779 0,5 32 23 4,62

2 2,5 26 32 782 0,5 33 23 4,63

RunPA1

kN/m2PB1

kN/m2TA1

(K)TB1

(K)PA2

kN/m2PB2

kN/m2TA2

(K)TB2

(K)Waktu Detik

TA2

teoritisTB2

teoritis% %

log PA1

Log PB2

Log TB1

Log TB2

198,066 98,066

299,15 304,15 101,591 49,0333 299,15 297,15 12,87 249,62 304,15 19,842% 2,301%3,983

2,0069 2,4759 2,3973

2 299,15 302,15 102,125 49,0333 301,15 297,15 11,42 247,98 299,60 21,442% 0,817% 2,0091 2,4759 2,3944

1147,1 147,1

299,15 306,15 102,258 49,0333 303,15 297,15 12,01 223,84 301,02 35,433% 1,284%4,159

2,0097 2,4759 2,3499

2 299,15 306,15 104,258 49,0333 304,15 297,15 14,04 223,84 299,76 35,880% 0,870% 2,0181 2,4759 2,3499

1196,13 196,13

299,15 308,15 104,791 49,0333 306,15 297,15 9,78 207,56 299,21 47,499% 0,688%4,284

2,0203 2,4759 2,3171

2 299,15 307,15 105,324 49,0333 305,15 297,15 9,75 206,89 299,48 47,496% 0,779% 2,0225 2,4759 2,3157

1245,16 245,16

299,15 308,15 103,858 49,0333 305,15 296,15 4,62 194,77 300,46 56,672% 1,433%4,381

2,0164 2,4759 2,2895

2 299,15 305,15 104,258 49,0333 306,15 296,15 4,63 192,87 296,30 58,731% 0,049% 2,0181 2,4759 2,2853

64

C. Tabel 3.7.3. Data Pengamatan Proses ekspansi dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer melalui tangki bertekanan (C)

Run PB1 PC1 P atm1 TB1 TC1 T atm1 PB2 PC2 P mmHg TB2 TC2 T atm2 Waktu

11

0,5 0,5 28 29 22 0,5 0,2 771 27 28 25 5,052 0,5 0,5 28 29 22 0,5 0,2 774 27 28 25 6,61

1,50,5 0,5 28 29 22 0,5 0,3 784 26 29 26 3,57

2 0,5 0,5 29 30 22 0,5 0,1 787 26 29 25 2,481

20,5 0,5 29 30 22 0,5 0,1 782 26 28 25 2,55

2 0,5 0,5 28 29 22 0,5 0,1 789 26 29 25,5 1,131

2,50,5 0,5 29 30 22 0,5 0,1 791 26 28 25 2,08

2 0,5 0,5 28 29 22 0,5 0,1 790 26 28 25 1,69

Run PB1 PC1 P atm1 TB1 TC1 T atm1 PB2 PC2 P mmHg TB2 TC2 T atm2 Waktu

198,0665

49,0332549,033

3 301,15 302,15 295,15 49,0333 19,6133 102,791 300,15 301,15 298,155,05

2 49,0332549,033

3 301,15 302,15 295,15 49,0333 19,6133 103,191 300,15 301,15 298,156,6

1147,0998

49,0332549,033

3 301,15 302,15 295,15 49,0333 29,42 104,524 299,15 302,15 299,153,57

2 49,0332549,033

3 302,15 303,15 295,15 49,0333 9,80665 104,924 299,15 302,15 298,152,48

1196,1330

49,0332549,033

3 302,15 303,15 295,15 49,0333 9,80665 104,258 299,15 301,15 298,152,55

2 49,0332549,033

3 301,15 302,15 295,15 49,0333 9,80665 105,191 299,15 302,15 298,651,13

64

1245,1663

49,0332549,033

3 302,15 303,15 295,15 49,0333 9,80665 105,458 299,15 301,15 298,152,08

2 49,0332549,033

3 301,15 302,15 295,15 49,0333 9,80665 105,324 299,15 301,15 298,151,69

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

301,65 73,5499 300,6534,323

3 247,16 21,4407%2,3930

301,65 24,5166 300,6534,323

3 247,16 21,4407%2,3930

301,65 98,0665 300,6539,226

6 220,18 35,8657%2,3428

302,65 24,5166 300,65 29,42 220,91 35,4160% 2,3442302,65 122,583 300,15 29,42 203,52 46,9887% 2,3086301,65 24,5166 300,65 29,42 202,85 47,4768% 2,3072302,65 147,1 300,15 29,42 190,98 56,6420% 2,2810301,65 24,5166 300,15 29,42 190,34 57,1621% 2,2795

64

68

3.8. Grafik

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 260294

295

296

297

298

299

300f(x) = 0.0101971621297793 x + 297.4R² = 0.833333333333333

f(x) = 0.0071380134908455 x + 295.3R² = 0.890909090909083

P (kN/m2)

TA 1T (

K)

Grafik 3.8.1. Hubungan antaraPA1 dengan

T A1 dan T A2 pada proses ekspansi

adiabatikdari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 260294

296

298

300

302

304

306

308

f(x) = 0.0326309188152937 x + 299.05R² = 0.825806451612901

f(x) = 0.0122365945557351 x + 298.05R² = 0.900000000000011

P (kN/m2)

TB1T

(K

)

Grafik 3.8.2. Hubungan antara PA1 dengan

T B1 dan T B2 pada proses ekspansi

adiabatik dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)

68

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 2600.0000%

0.5000%

1.0000%

1.5000%

2.0000%

2.5000%

3.0000%

3.5000%

4.0000%

f(x) = 8.12162632015526E-05 x + 0.012505575406067R² = 0.495774168335105

P (kN/m2)

Gal

at

Grafik 3.8.3.Hubungan antara PA1 dengan % Kesalahan pada proses ekspansi adiabatik

dari tangki bertekanan (A) ke tangki bertekanan (B)

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 260290

292

294

296

298

300

302

304

306

308

310

f(x) = − 0.00611829727786757 x + 297.95R² = 0.60000000000003

f(x) = 0.028552053963382 x + 301.75R² = 0.890909090909093

P (kN/m2)

TB1T

(K

)

Grafik 3.8.4.Hubungan antara PB1 dengan

T B1 danT B2 pada proses ekspansi adiabatik

dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer

68

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 2600.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

f(x) = − 0.0262762199335389 x + 305.717968452517R² = 0.626427999703141

f(x) = − 0.368785461771586 x + 282.236127694165R² = 0.973785016611598

P (kN/m2)

Tatm 1

T (

K)

Grafik 3.8.5. Hubungan antaraPB1 dengan

T atm1 dan T atm2 pada proses ekspansi

adiabatik dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 2600.0000%

0.5000%

1.0000%

1.5000%

2.0000%

2.5000%

f(x) = − 6.52532538631825E-05 x + 0.0254689056362467R² = 0.384611998021411

P (kN/m2)

Gal

at

Grafik 3.8.6. Hubungan antara PB1 dengan % Kesalahanpada prosesekspansi adiabatik

dari tangki bertekanan (B) ke atmosfer

68

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 260297.5

298

298.5

299

299.5

300

300.5

301

301.5

302

302.5

f(x) = − 0.00611829727786757 x + 300.45R² = 0.599999999999955

f(x) = 0.00815772970382343 x + 300.25R² = 0.800000000000023

P (kN/m2)

TB1T

(K

)

Grafik 3.8.7. Hubungan antara PB1 dengan

T B1 dan T B2 pada proses ekspansiadiabatik

dari tangki bertekanan (B) ke Atmosfer melalui tangki bertekanan (C)

80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 2600.0000%

10.0000%

20.0000%

30.0000%

40.0000%

50.0000%

60.0000%

f(x) = 0.00238056430125783 x − 0.00620137179324415R² = 0.991471394589307

P (kN/m2)

Gal

at

Grafik 3.8.8. Hubungan antara PB1 dengan % kesalahan pada proses ekspansiadiabatik

dari tangki bertekanan (B) ke Atmosfer melalui tangki bertekanan (C)

68

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. Kesimpulan

Dari 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.