Komponen listrik yang digunakan untuk Membuat rangkaian elektropneumatik

Elemen Utama Elektropneumatik

a. Unit catu daya listrik

Unit catu daya listrik berfungsi :

  • Penurun tegangan, dari tegangan 240 Volt diturunkan menjadi tegangan rendah 24 Volt sebagai output.
  • Penyearah yang mengkonversikan tegangan ac menjadi tegangan dc. Kapasitor pada output penyearah berfungsi untuk meratakan tegangan tersebut.
  • Regulator tegangan pada output dari unit catu daya diperlukan untuk menjamin agar tegangan output konstan tanpa dipengaruhi oleh aliran arus yang mengalir ke beban

a01

b. Tombol tekan dan saklar kontrol

  • Saklar dipasang pada suatu rangkaian untuk mengalikan arus listrik pada rangkaian tersebut. Saklar ini akan dibagi sebagai tombol tekan dan saklar kontrol.
  • Saklar kontrol akan dioperasikan secara mekanik pada posisi yang telah ditentukan. Posisi saklar akan tetap tidak berubah sampai pada posisi saklar yang baru ditentukan. Contoh : saklar lampu di rumah.
  • Tombol tekan hanya dapat mempertahankan posisi yang ditentukan sepanjang saklar tersebut telah diaktuasikan (ditekan). Contoh : saklar bel

Kontak terbuka secara normal (Normaly Open), rangkaian terbuka apabila saklar ada pada posisi awalnya (tidak diaktuisikan), arus tidak mengalir ke beban. Rangkaian tertutup dengan menekan tombol tekan, arus mangalir ke beban. Ketika tombol dilepas, maka pegas akan mengembalikan saklar ke posisi awal

a02

Gambar kontak terbuka secara normal

Kontak tertutup secara normal (Normaly Close), rangkaian tertutup apabila saklar ada pada posisi awalnya (tidak diaktuisikan), arus mengalir ke beban. Rangkaian terbuka dengan menekan tombol tekan, arus tidak mengalir ke beban. Ketika tombol dilepas, maka pegas akan mengembalikan saklar ke posisi awal

a03

Gambar  Kontak tertutup secara normal.

Tombol tekan dengan mengkombinasikan fungsi-fungsi kontak terbuka secara normal dan kontak tertutup secara normal dalam satu piranti. Perubahan kontak-kontak tersebut digunakan untuk menutup suatu rangkaian dan membuka rangkaian lainya dalam pengoperasian satu saklar

a04

Gambar  Kontak NO/NC

c. Sensor untuk mengukur penempatan pneumatik dan tekanan.

Pengontrolan elektropneumatik sensor biasanya digunakan untuk tujuan sebagai berikut :

  • Untuk mendeteksi posisi ujung maju dan mundur dari batang piston/torak saat mendorong silinder.
  • Untuk mendeteksi adanya dan posisi benda kerja.
  • Untuk mengukur dan memonitor tekanan.

d. Saklar batas (limit switch).

Saklar batas (limit switch) diaktuasikan ketika suatu bagian mesin atau benda-benda kerja sedang dalam posisi tertentu. Secara normal, aktuasi diberlakukan dengan suatu gerakan. Saklar batas (limit switch) akan menggantikan kontak-kontak pada dasarnya dihubungkan sebagaimana yang disyaratkan sebagai suatu kontak yang terbuka secara normal, kontak yang tertutup secara normal atau perubahan kontak.

a05

Gambar  Konstruksi dan sambungan saklar batas

e. Saklar proksimitas (proximity switch)

Berbeda dengan Saklar batas (limit switch), saklar proksimitas (proximity switch) bekerja tanpa kontak langsung dengan objeknya dan tanpa gerakan mekanik. Sehingga, saklar proksimitas (proximity switch) bisa berumur panjang dan kinerja saklar tersebut sangat handal. Jenis saklar proksimitas (proximity switch) dibedakan sebagai berikut :

  • Reed switch
  • Proximity Switch Inductif
  • Proximity Switch Capacitif
  • Proximity Switch Optic
  • Reed switc

Reed switch adalah saklar proksimitas yang bekerja secara kemagnitan, terdiri dari dua kontak yang diletakan didalam tabung gelas berisi gas. Medan magnit yang menyebabkan kedua kontak tersebut terhubung sehingga dapat mengalirkan arus listrik

a06

Gambar  Konstruksi dan sambungan Reed switch

Ada dua macam sensor elektronik sehubungan dengan polaritas dari tegangan output :

  • Pada sensor switching positif, tegangan output adalah nol bila tidak ada objek yang terdeteksi didekatnya.
  • Pada sensor switching negatif, tegangan sumber dipakai sebagai pemasok bila ada objek yang terdeteksi didekatnya.

f. Saklar tekanan mekanik.

Saklar tekanan mekanik digerakan secara mekanik karena adanya tekanan yang bekerja terhadap suatu permukaan silinder. Bila tekanan yang bekerja tersebut melebihi kekuatan pegas dari pegas balik, maka piston akan bergerak dan menjalankan kontak saklar

a07

g. Saklar tekanan elektrik.

Saklar tekanan elektrik adalah sebagai pengganti dari pergerakan suatu kontak mekanik. Dengan memanfaatkan sensor yang peka tehadap gaya atau tekanan, selanjutnya sinyal dari sensor tersebut diproses oleh suatu rangkaian elektronik

h. Relay dan kontaktor.

Relay adalah suatu saklar yang digerakkan secara elektromagnetik. Bila sumber tegangan diberikan pada kumparan selenoid, maka akan terbangkit suatu medan elektromagnetik yang menakibatkan tertariknya armatur ke inti kumparan. Armature tersebut menggerakkan kontak relai apakah menutup atau membuka sesuai dengan perancangannya. Pegas akan mengembalikan armatur ke posisi semula jika arus listrik yang mengalir ke kumparan tidak ada.

a08

Gambar  Konstruksi relay

Pada sistem kontak elektropneumatik, relay digunakan untuk fungsi-fungsi sebagai berikut :

  • Penggandaan sinyal.
  • Menunda dan mengkonversikan sinyal.
  • Menggabungkan informasi
  • Mengisolasi rangkaian kontrol dari rangkaian utama

Kontaktor

Kontaktor bekerjanya sama dengan relay. Ciri-ciri khusus dari kontaktor adalah :

  • Kontak ganda.
  • Kontak tindakan posistif.

Ciri-ciri lain untuk memungkinkan kontaktor menghubungkan arus lebih besar dari pada pada relay.

a09

Gambar  Kontruksi kontaktor

Kontaktor memiliki beberapa elemen kontak, biasanya empat sampai sepuluh. Kontaktor sama halnya dengan relay ada bermacam-macam jenis gabungan kontak, kontak normal tertutup, kontak normal terbuka, kontak perubahan, kontak bantu. Kontaktor yang dilengkapi dengan kontak-kontak utama dan bantu dinamakan kontaktor tenaga. Kontaktor digunakan untuk aplikasi sebagai berikut :

  • Daya dari 4 sampai 30 KW.
  • Fungsi kontrol yang dilakukan oleh kontak bantu.

Dalam pengontrolan elektropneumatik, arus listrik dan daya yang dikontrol rendah, karena alasan ini hanya kontak bantu yang digunakan, sehingga kontaktor tenaga tidak digunakan.

 

Soal :

  1. Sebutkan keunggulan saklar proximitas dibanding dengan saklar limit switch
  2. Tuliskan tujuan utama pengontrolan pneumatik sensor !.
  3. Tuliskan perbedaan tombol normaly close dengan tombol normali open
  4. Mengapa regulator tegangan pada output dari unit catu daya diperlukan ?.
  5. Tuliskan beberapa fungsi dari kontak elektropneumatik relay ?.
  6. Sebutkan perbedaan antara relay dengan kontaktor

Pengaturan Kecepatan Silinder

Pengaturan kecepatan silinder yang dimaksudkan disini adalah :

  • Mengurangi kecepatan
  • Menambah kecepatan

Mengurangi Kecepatan Silinder :

Kecepatan silinder dapat dikurangi dengan memasang katup kontrol aliran. Untuk mengatur kecepatan silinder agar lebih lambat dapat menggunakan katup kontrol aliran satu arah.

silinder01

Gambar Simbol, gambar potongan dan benda dari katup kontrol aliran satu arah

Ada dua kemungkinan pemasangan katup kontrol aliran satu arah :

  • Pengaturan udara masuk,
  • Pengaturan udara pembuangan

Mengurangi Kecepatan Silinder Kerja Tunggal

Pada silinder kerja tunggal, pengurangan kecepatan gerakan maju hanya efektif dilakukan oleh pengaturan udara masuk. Pengurangan kecepatan silinder dilakukan dengan menggunakan katup kontrol aliran satu arah seperti pada gambar berikut ini.

slinder02

Gambar  Pengurang an Kecepatan Gerakan Maju

silinder03

Gambar  Pengurangan Kecepatan Gerakan Mundur

Pengurangan kecepatan gerakan maju dan mundur dengan pengaturan secara terpisah dilakukan seperti pada gambar di bawah ini :

silinder04

Gambar  Pengurangan kecepatan gerakan maju dan mundur

b) Mengurangi Kecepatan Silinder Kerja Ganda

Pada silinder kerja ganda memungkinkan melakukan pengaturan aliran udara masuk dan udara buangan untuk mengurangi kecepatan gerakan maju dan mundur. Katup buangan cepat dapat digunakan untuk menambah kecepatan maju maupun mundur. Pengurangan kecepatan silinder dengan pengaturan terpisah untuk gerakan maju dan mundur seperti gambar berikut :

silinder05

Gambar  Pengurangan kecepatan dengan mengatur udara buangan

Menambah Kecepatan Silinder

Menambah kecepatan silinder dengan menggunakan katup buangan – cepat. Pemasangan katup ini dekat dengan silinder, agar udara buangan cepat keluar dan kecepatan silinder bertambah. Gambar di bawah adalah simbol, potongan dan benda dari katup kontrol aliran satu arah.

silinder06

Gambar  Simbol, potongan dan benda dari katup buang cepat

Menambah Kecepatan Silinder Kerja Tunggal

Mempercepat kecepatan silinder kerja tunggal dilakukan dengan memasang katup buangan cepat di masukan lubang silinder kerja tunggal. Mempercepat hanya dapat dilakukan untuk gerakan mundur, sedangkan untuk gerakan maju tidak dapat dilakukan karena silinder kerja tunggal hanya mempunyai satu lubang udara masukan. Penambahan kecepatan gerakan mundur dapat dilakukan seperti gambar di bawah ini :

silinder07

Gambar  Penambahan kecepatan gerakan mundur

Menambah Kecepatan Silinder Kerja Ganda Pada silinder kerja ganda mempercepat kecepatan dapat dilakukan untuk gerakan maju atau mundur. Gambar di atas menunjukkan rangkaian untuk mempercepat kecepatan gerakan maju dan mundur.

silinder08

Gambar  Penambahan kecepatan gerakan maju

silinder09

Gambar  Penambahan kecepatan gerakan mundur

Rangkaian Pada Papan Peraga Untuk merealisasikan pengaturan kecepatan silinder seperti pada gambar – gambar di atas  sampai   diperlukan peralatan pneumatik sebagai berikut :

silinder10

Komponen – komponen yang dipergunakan untuk merealisasikan kontrol pneumatik dapat dilihat pada tabel berikut :

 

silinder11

Lembar Pekerjaan Peserta Didik.

Merangkai Rangkaian Pengaturan Kecepatan Silinder Kerja Tunggal.

1.Siapkan gambar rangkaian sesuai perintah tugas dengan jalan melengkapi gambar kerja

  1. Bagaimana cara mengatur kecepatan silinder kerja tunggal ?
  2. Bagaimana cara mengatur kecepatan silinder kerja ganda?
  3. Sebutkan komponen – komponen yang ada pada gambar berikut ini.
  4. Apa fungsi katup 1V2?
  5. Apa fungsi katup 1V3

silinder12

Praktekkan dengan software Fluidsim

 

 

Gambar rangkaan pneumatik satu silinder

Sistem pnumatik meliputi semua komponen mesin atau peralatan, yang beroperasi secara pneumatik atau menggunakan proses-proses pneumatik. Sistem dasar kendali pnumatik meliputi piranti penyedia sumber energi udara kempa yang terdiri dari kompresor udara, sistem filter udara, sistem pengering udara, dan sistem pengatur tekanan udara.  elemen input untuk mengendalikan sistem, berupa katub tombol tekan (pushbutton valve) dan katub sensor. Selanjutnya berbagai jenis katub pengarah dan pengatur tekanan udara, dan yang terakhir berupa aktuator (cylinder).

bagian pneumatik

  • aircompressor, menghasilkan udara kempa secara kontinyu.
  • intakefilter berfungsi menahan kotoran udara sebelum masuk ke sistem
  • dryer berfungsi menyerap uap air di udara (moisture)
  • receiver tank sebagai reservoar udara kempa, pressure regulator mengatur dan menjaga tekanan udara tetap konstan
  • , valve mengontrol aliran udara kempa
  • pneumatic cylinder sebagai aktuator yang mengubah energi udara menjadi energi mekanik

SIMBOL-SIMBOL UMUM PENGGUNAAN UDARA BERTEKANAN DAN KATUP UDARA

tabel01tabel2tabel3

2.1.3 Pneumatic Actuator

Actuators merupakan elemen aktivasi(powering element) di dalam sistem control pnumatik. Actuator melakukan banyak pekerjaan dalam hal membangkitkan berbagai pergerakan misalnya silinder dan motor pnumatik.

Ada tiga cara mengontrol actuator, yaitu:

  •  pneumatics
  •  hydraulics
  •  electrics

Single Acting Cylinder

Single acting cylinder hanya dapat menghasilkan kerja dengan satu arah, sehingga tekanan udara hanya diperlukan dari satu arah. Untuk menggerakkan piston ke arahi sebaliknya digunakan pegas atau daya tekan dari luar.

tabel4

konstruksi single acting cylinder.

tabel5

Gambar 2.7 Control Single Acting Cylinder

Batang piston silinder kerja tunggal bergerak keluar pada saat silinder menerima udara bertekanan. Jika udara bertekanan dihilangkan, secara otomatis piston kembali lagi ke posisi awal.

Posisi Awal

Posisi awal  didefinisikan sebagai posisi normal dari sistem. Semua bagian terhubung dan tombol tidak ditekan oleh operator. Udara bertekanan dari catu daya ditutup, piston masuk ke dalam oleh dorongan pegas kembali. Lubang masukan silinder dihubungkan ke lubang pembuangan melalui katup. Pengiriman bertekanan diputus oleh katup.

Tombol ditekan

Menekan tombol tekan berarti memindahkan posisi katup 3/2, melawan pegas katup.

Tombol dilepas

setelah tombol dilepas, maka pegas di katup mengembalikan katup ke posisi awal dan batang piston silinder kembali masuk. Jika tombol tekan diaktifkan lau dilepas sebelum silinder keluar penuh, piston masuk kembali secara langsung, maka ada hubungan langsung antara pengoperasian tombol tekan dan posisi silinder.

Tugas :

  1. Tuliskan piranti sistem dasar kendali pneumatik ?
  2. Tuliskan elemen input sistem pengendali sistem ?.
  3. Tuliskan 3 cara pengontrolan aktuator ?.
  4. Buatlah sketsa  di kertas gambar :SIMBOL-SIMBOL UMUM PENGGUNAAN UDARA BERTEKANAN DAN KATUP UDARA

Penyiapan dan distribusi Udara Kempa

Penyaluran udara kempa untuk keperluan sistem pnumatik harus diperhitungkan secara cermat dan dipelihara dalam kualitas prima. Dalam prakteknya, jumlah dan kualitas udara yang akan dipampatkan merupakan suatu hal yang sangat penting. Udara yang terkontaminasi, masih banyak mengandung polutan, seperti partikel debu, sisa-sisa oli pelumas dan uap air (moisture)  seringkali dapat menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem pnumatik dan merusak komponen pnumatik. Oleh Karena itu, sistem pnumatik memerlukan penanganan udara kempa yang sangat presisi, melalui penyaringan (filtering) dan pengeringan (drying). Dengan sistem penyaringan yang cermat akan dapat mengatasi partikel debu dan kotoran lainnya. melalui sistem pengeringan yang baik, dapat mengurangi kandungan uap air yang terbawa masuk ke dalam kompressor

Untuk menyediakan continuing performance dari sistem kontrol pnumatik dan working element yang digunakannya, perlu ada jaminan bahwa udara kempa yang akan digunakan untuk sistem pnumatik harus memenuhi persyaratan teknis sebagai berikut:

  • Tekanan kerja sesuai standar
  • Udara kempa harus kering tidak mengandung uap air, dan
  • Bersih dari kotoran.

Bila kondisi tersebut tidak dapat dipenuhi, maka keadaan yang lebih buruk atau degenerasi akan muncul lebih cepat. Sebagai dampaknya adalah terjadi down time pada sistem dan biaya pemeliharaan meningkat.

Pembangkitan udara kempa dimulai dari kerja kompresor udara. Udara kempa mengalir melalui berbagai komponen sebelum akhirnya mencapai elemen akhir yang merupakan elemen aktuasi (silinder atau motor pnumatik). Komponen berikut perlu dipertimbangkan ketika akan menyiapkan penyediaan udara kempa untuk keperluan sistem pnumatik, yaitu;

  • Inlet filter
  • Air compressor
  • Air reservoir
  • Air Dryer
  • Air filter with water separator
  • Pressure regulator
  • Air lubricator
  • Drainage points

Upaya penyiapan udara kempa yang buruk dan seadanya, pasti akan cenderung menimbulkan malfunction dan mengakibatkan seal dan bagian-bagian bergerak cepat aus, oli masuk ke dalam katub, silencer terkontaminasi, korosi pada pipa, katub dan silinder, serta menguras pelumasan. Pada kasus kebocoran, maka pelepasan udara kempa yang terkontaminasi akan dapat mencemari produk (makanan).

Pada umumnya komponen pnumatik didisain menerima tekanan kerja normal antara 800 hingga 1000 kPa (8 – 10 bar). Pengalaman praktek menunjukkan, untuk alasan ekonomi, tekanan operasi sebesar 6 bar dapat digunakan. Biasanya rugi tekanan berkisar 10 hingga 50 kPa (0,1 – 0,5 bar) yang disebabkan oleh berbagai kondisi, misalnya adanya bengkokan pipa dan panjang pipa, tahanan pipa dan adanya kebocoran. Sehingga untuk mengatasi adanya kerugian tekanan, maka udara kempa yang tersimpan di dalam kompresor harus berikisar 6,5 – 7 bar.

Sistem pnumatik menggunakan udara kempa untuk menghasilkan gerakan mekanik. Untuk mengurangi adanya fluktuasi tekanan, dan memberikan jaminan kualitas penaluran udara kempa, dipasang sebuah reservoir (receiver tank). Kompresor mengisi reservoir yang disediakan sebagai storage tank. Ukuran diameter pipa distribusi udara harus dipilih sedemikian sehingga rugi tekanan tidak boleh melebihi 10 kPa (0,1 bar).

Dari berbagai piranti dalam sistem pnumatik, yang perlu mendapat perhatian lebih adalah compressor, Filter & dryer.

Tipe Kompresor Udara

Pemilihan tipe kompresor tergantung beberapa aspek, yaitu jumlah udara kempa yang harus disediakan, tekanan udara kempa, kualitas dan kebersihan udara kempa, serta tingkat kekeringan udara kempa.

  • Kompresor torak, merupakan salah satu tipe kompresor yang paling populer dan memberikan rentang tekanan dan delivery rate yang luas. Untuk pemakaian tekanan yang lebih tinggi dapat digunakan multistage system. Rentang tekanan optimum yang dihasilkan oleh kompresor torak adalah Single stage : hingga 4 bar Double stage : hingga 15 bar Multistage : di atas 15 bar
  • Kompresor Diafragma, merupakan keluarga kompresor torak, tetapi dilengkapidengan diafragma untuk memisahkan antara piston dan compressor chamber. Keuntungan sistem ini minyak pelumas (oli) tidak dapat terbawa oleh aliran udara kempa. Digunakan pada industri makanan, farmasi dan kimiawi.
  • Kompresor Rotari, kompresor ini menggunakan rotating elemen untuk menaikkan tekanan udara. Selama proses kompresi,compressor chamber selalu mengecil secara kontinyu.
  • Kompresor Flow, dibuat dalam bentuk axial dan radial. Aliran udara digerakkan oleh turbin atau sudu-sudu. Energi kinetik diubah menjadi energi tekanan. Pada kasus axial compressor, udara berakselerasi pada arah axial karena efek pergerakan sudu-sudu.

Air Service Unit

Air service unit merupakan kombinasi dari beberapa komponen untuk memberikan jaminan kualitas udara kempa pada sistem pnumatik, terdiri dari 3 komponen, yaitu:

  • Compressed air filter
  • Compressed air regulator
  • Compressed air regulator (optional)

Compressed air filters adalah alat penyaring yang berfungsi mengambil atau memisahkan seluruh kontaminan dan uap air yang terkandung di dalam udara kempa yang dihasilkan oleh kompresor udara. Udara kempa dari kompresor yang masih mengandung uapair masuk ke filter bowl melalui guide slot. Partikel liquid dan partikel kotoran dipisahkan secara sentrifugal. Akibat adanya gaya centrifugal, maka seluruh liquid dan partikel debu dan kotoran lain akan terlempar keluar dan terkumpul di bagian bawah filter bowl. Selanjutnya udara kempa yang sudah bersih dari kontaminat, disalurkan ke sistem filter berikutnya yang disebut sintered filter. Sintered filter akan mengeluarkan partikel debu yang masih tersisa.

filter

Pemeliharaan Filter

  • Air kondensat yang terkumpul harus dibuang sebelum melebihi maksimum level yang diinginkan, kalau tidak air kondensat tersebut akan kembali masuk ke
  • dalam air stream. Frekuensi perawatan filter, tergantung pada kualitas udara dan tingkat kontaminan dari udara tekan. Semakin jelek kualitas udara tekan maka semakin sering pula filter harus dibersihkan atau diganti. Deposit condensation yang terkumpul di bagian bawah filter bowl harus di keluarkan melalui drain screw, bila depositnya telah mencapai level maksimum. Bila kandungan uap air sangat tinggi, maka disarankan untuk menggunakan automatic water separator.
  • Tip Regular Maintenance:
  •  Compressed Air Filter Condensate level harus diperiksa secara regular. Upayakan, jangan sampai melebihi level indication pada sight glass, agar deposite condensate tidak dapat tertarik masuk ke dalam compressed air line. Bukalah drain screw yang terdapat pada sight glass untuk mengeluarkan deposite condensate. Kemudian filter cartridge yang ada di dalam filter harus juga dibersihkan.
  • Pressure Regulating Valve Piranti ini tidak memerlukan perawatan khusus, bila pemeliharaan compressed air filter dilakukan dengan baik.
  • Compressed Air Regulator : Periksa oil level pada sight glass dan bila perlu tambah oil sehingga mencapai level yang ditentukan. Plastic filter dan lubricator bowl tidak boleh dibersihkan dengan bahan kimiawi trichloroethylene. Hanya mineral oil yang boleh digunakan.

Tugas :

1. Perhatikan pernyataan : “Setiap fluida yang melalui sebuah saluran (pipa) dikatakan bahwa jumlah aliran yang melalui saluran yang berbeda-beda luas penampangnya akan selalu tetap sama pada setiap titik”. Berikan bukti secara konsep dan persamaan yang mendukung kebenaran pernyataan di atas.

2. Sebutkan minimal 5 (lima) keuntungan dan kerugian pemakaian pneumatik !

3. Hal-hal apa sajakah yang harus diperhatikan untuk mendapatkan udara yang berkualitas?

4.Untuk mempersiapkan udara bertekanan, elemen-elemen apa sajakah yang diperlukan?

5. Sebutkan jenis-jenis kompresor !.

6. Sebutkan kriteria pemilihan kompresor !

7.Kompresor jenis apa saja yang dapat menghasilkan udara bertekanan bebas minyak ?

Konsep Udara Bertekanan

Disain mesin modern peralatan produksi modern

  • Suatu mechanical construction menggunakan :
  • pneumatics/hydraulic/electric actuator &motor sebagai penggeraknya
  • PLC sebagai main controller–nya.
  • Solenoid, switch, sensor, relay, &encoder sebagai Internal interface
  • Push button, thumb switch, &potensiometer sebagai  operator interface

Fluida

  • Fluida merupakan substansi yang dapat mengubah bentuk. Fluida dapat berbetuk gas dan cair.
  • Teknik atau cara penggunaan fluida cair pada aplikasi power transmission lazim disebut hydraulic system misal oli mineral
  • fluida gasuntuk aplikasi power transmission disebut sistem pnumatik misal udara atmosfir

Karakteristik Positif Sistem Penumatik

1.Quantity : Tersedia di mana saja dan tak terbatas

2.Transportation : Mudah disalurkan melalui pipa

3.Storage : Dapat disimpan di dalam tanki atau botol

4.Temperature : Udara tidak sensitif terhadap fluktuasi suhu.

5. Explosion-proof : Udara tekan tidak menyebabkan terjadinya ledakan.

6.Cleanliness : Udara tekan sangat bersih tidak menimbulkan polusi.

7.Construction : Konstruksi komponen pnumatik relatif sederhana.

8.Speed : Udara tekan merupakan working medium yang mempunyai respon cepat [1-2 m/s]

 

Teori berkaitan dengan karakteristik udara

 Dinamika dan Karakteristik Udara

Hukum-hukum alam yang mendasari penerapan fluid system untuk membangun mekanisasi dan manipulasi gerak adalah :

  1. Hukum Pascal
  2. HukumBoyle,
  3. Mariotte,
  4. Gay Lussac dan Charles

a. Hukum Boyle-Mariotte

  • Yaitu pada suhu konstan, volume gas berbanding terbalik dengan tekanan absolutnya atau ditulis :

P1 . V1 = P2 . V2

P1 / V2 = P2 / V1

Contoh Soal

Jika volume udara V1 = 1 m3 pada tekanan P1 = 100 kPa dimampatkan pada suhu konstan oleh sebuah gaya F2 pada volume V2 = 0,5 m3. Maka tekanan udara merubah menjadi, P2 = 200 kPa. Hitungan :

b. Hukum Charles-Gay Lussac

yaitu pada tekanan konstan, volume gas berbanding lurus dengan suhu absolutnya. Dalam formula matematika Hukum Charles menjadi seperti berikut :

(V1)(T2) = (V2)(T1)

(V1)/(V2) = (T1)/(T2)

Contoh Soal

  • Udara pada suhu T1 = 293K memiliki volume V1 = 0,8 m3. Dipanaskan hingga mencapai T2 = 344K. Maka Volume udara V2 setelah udara mengalami pengembangan menjadi …..

C. Hukum Boyle-Gay Lussac

hubungan perubahan tekanan dan volume terhadap perubahan suhu, dinyatakan oleh boyle & Gay Lussac sebagai berikut:

Pada persamaan di atas   perkalian antara tekanan dan volume dibagi dengan suhu absolutnya akan selalu konstan. Dari kenyataan tersebut maka di dapat proses dinamika udara dapat terjadi sebagai berikut:

1.Tekanan Tetap à Isobar berubah

2.Volume Tetap à Isochore berubah

3.Suhu Tetap à Isothermal berubah

Besaran dan Satuan

BESARAN  DAN  SATUAN

1.  Besaran Pokok dan Besaran Turunan

Besaran dibedakan menjadi dua, yaitu besaran pokok dan besaran turunan.
Besaran pokok adalah besaran yang satuannya telah ditetapkan dan tidak tergantung pada satuan dari besaran lain. Berdasar Konferensi Umum mengenai Berat dan Ukuran ke-14 tahun 1971,  besaran pokok ada tujuh sebagaimana terdapat dalam tabel 2 berikut:

besaran pokok

Besaran turunan adalah besaran yang tersusun dari besaran pokok, sehingga satuannya juga tersusun dari satuan besaran pokok. Contoh besaran turunan seperti tabel 3 berikut:

besaran turunan

2.  Satuan

Besaran pokok dan besaran turunan dapat diukur dan dinyatakan dalam satuan baku maupun satuan tidak baku. Satuan baku atau satuan standar adalah satuan yang telah diakui dan berlaku secara internasional, misalnya satuan panjang adalah meter, satuan massa adalah kilogram dan satuan waktu adalah sekon. Satuan tidak baku adalah satuan yang tidak berlaku secara internasional atau hanya berlaku pada daerah-daerah tertentu, misalnya satuan panjang di
Indonesia digunakan jengkal dan depa sedangkan di Inggris digunakan inci dan kaki.

Penggunaan bermacam-macam satuan untuk suatu besaran dapat
menimbulkan kesulitan.  Kesulitan  pertama  adalah diperlukannya bermacam-macam alat ukur yang sesuai dengan satuan yang digunakan. Kesulitan kedua adalah kerumitan konversi dari satu satuan ke satuan lainnya. Untuk mengatasi kesulitan tersebut maka perlu dirumuskan satu jenis satuan untuk suatu besaran tertentu yang standar. Syarat utama satuan standar adalah nilai satuannya
harus sama, mudah ditiru atau diperoleh kembali dan  dapat diterima secara internasional.

Sistem Metrik diusulkan menjadi SI, karena satuan-satuan dalam sistem ini dihubungkan dengan bilangan pokok 10 sehingga lebih memudahkan penggunaannya. Tabel  4  di bawah ini menunjukkan awalan-awalan dalam Sistem Metrik yang dipergunakan untuk menyatakan nilai-nilai yang lebih besar atau lebih kecil dari satuan dasar.

sistem metrik

a.  Standar Satuan Panjang
Standar satuan panjang adalah meter. Standar satuan panjang internasional yang pertama adalah sebuah batang yang terbuat dari campuran platina-iridium yang disebut meter standar. Meter standar ini di simpan di Internasional Bureau of Weight and Measures  di kota Sevres, Perancis. Satu meter didefinisan sebagai jarak antara dua goresan pada kedua ujung meter standar yang diukur pada suhu 0 o C.

Ada beberapa kelemahan dalam penggunaan meter standar, antara lain meter standar mudah rusak karena batang platina-iridium mudah terpengaruh oleh perubahan suhu  dan  ketelitian pengukuran tidak memadai lagi dengan kemajuan teknologi saat ini, sehingga pada tahun 1960 ditetapkan bahwa satu meter didefinisikan sama dengan 1.650.763,73 kali panjang gelombang sinar jingga yang dipancarkan atom-atom krypton (Kr-86).

Pada tahun 1983, definisi standar meter diubah lagi menjadi satu meter adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa pada selang waktu 1/299.792.458  sekon, dengan anggapan bahwa kecepatan cahaya di dalam ruang hampa selalu konstan sebesar 299.792.458 meter per sekon. Meter standar inilah yang masih digunakan sampai saat ini.

b.  Standar Satuan Massa

Standar satuan massa adalah kilogram. Sejak tahun 1889 standar
internasional untuk massa  adalah massa silinder campuran platina-iridium yang disebut kilogram standar    yang di simpan di  Internasional Bureau of Weight and Measures di kota Sevres dekat Paris, Perancis. Massa standar satu kilogram dipilih sedemikian rupa sehingga sama dengan massa 1 liter air murni pada suhu  4 o C.

c.  Standar Satuan Waktu

Pada tahun 1967 satuan waktu standar ditetapkan berdasarkan jam atom Cesium. Satu sekon didefinisikan sebagai selang waktu yang diperlukan oleh atom Cesium-133 (Cs-133) untuk bergetar sebanyak 9.192.631.770 kali dalam transisi antara dua tingkat energi di tingkat energi dasarnya.

d.  Standar Satuan Suhu

Pada Konggres Perhimpunan Fisika Internasional yang diselenggarakan pada tahun 1954 telah ditetapkan standar untuk satuan suhu adalah kelvin (K) dengan acuan suhu ditentukan pada tekanan udara luar sebesar 1 atmosfer atau 76 cmHg, dengan titik lebur es pada suhu 273,15 K dan titik didih air pada suhu 373,15 K. Satu kelvin di definisikan sebagai satuan suhu yang nilainya sama dengan 1/273,15  kali suhu titik tripel air (suhu ketika terjadi kesetimbangan antara wujud cair, gas dan padat).

e.  Standar Satuan Kuat Arus Listrik

Standar untuk satuan kuat arus listrik adalah ampere. Berdasarkan hasil Conference Generale des Poids et Measures ke-9 tahun 1948, satu ampere sama dengan nilai kuat arus tetap yang dilalirkan pada dua kawat sejajar dengan panjang takterhingga, tebal yang diabaikan dan jaraknya terpisah sejauh 1 meter. Kedua kawat berada dalam ruang hampa udara sehingga menghasilkan gaya sebesar 2 x 10-7 newton setiap panjang kawat.

f.  Standar Satuan Intensitas Cahaya

Pada Tahun 1979 berdasarkan hasil Conference Generale des Poids et
Measures ke-16 tahun 1979, satu kandela didefinisikan sebagai intensitas cahaya yag dihasilkan oleh sebuah  sumber yang memancarkan radiasi monokhromatik pada frekuensi 540 x 1012   hertz dengan intensitas radiasi sebesar 1/683  watt per meter persteradian dalam arah tersebut.

g.  Standar Satuan Jumlah Zat

Standar untuk satuan jumlah zat adalah mole (mol). Pada tahun 1971
ditetapkan satu mol adalah setara dengan jumlah atom karbon dalam 0,012 kg karbon-12 (C-12). Satu mol zat terdiri dari 6,022 x 1023 buah partikel.

3.  Dimensi Besaran

Dimensi menggambarkan bagaimana suatu besaran terbentuk atau tersusun dari besaran-besaran lainnya. Dimensi dapat diartikan sebagai cara penulisan suatu besaran menggunakan simbol dari besaran-besaran pokok sehingga dapat menunjukkan suatu besaran tersusun dari besaran-besaran pokok. Dalam Sistem Internasional terdapat tujuh besaran pokok yang berdimensi serta dua besaran tambahan yang tidak berdimensi. Dimensi besaran pokok dinyatakan dengan lambang huruf tertentu dan diber kurung persegi seperti dtunjukkan pada Tabel 5 .

dimensi

contoh dimensi

Manfaat analisis dimensi:
a.  Untuk menganalisis benar atau salahnya suatu persamaan. Melalui analisa dimensi kita bisa mengetahui kebenaran suatu persamaan fisika, karena suatu persamaan fisika harus memiliki dimensi yang konsisten. Jika kita analisis dimensinya maka dimensi ruas kiri harus sama dengan dimensi ruas kanan.
b.  Untuk membuktikan kesetaraan dua besaran yang sepintas kelihatan
berbeda. Dua besaran dikatakan setara jika keduanya mempunyai dimensi yang sama. Misalnya usaha dan energi adalah dua besaran yang setara karena keduanya mempunyai dimensi yang sama yaitu [ML 2 T -2]
c.  Untuk menurunkan persamaan suatu besaran fisika jika kesebandingan besaran tersebut diketahui.

Termodinamika

Pengertian Termodinamika

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika adalah suatu ilmu yang menggambarkan usaha  untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

Sistem-Sistem Termodinamika

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yakni sebagai berikut :

  1. Sistem terbuka

Sistem yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya suatu aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar yaitu ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi bisa melintasi batas sistem yang sifatnya permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume.

Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem yaitu :

  • Untuk panas (Q) bernilai positif jika diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem
  • Untuk usaha (W) bernilai positif jika keluar dari sistem dan bernilai negatif jika diberikan (masuk) kedalam sistem.
  1. Sistem tertutup

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak bisa melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) bisa melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, walaupun massa tidak bisa berubah selama proses berlangsung, tapi volume bisa saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang bisa bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup yaitu suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.

Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, jika panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan mengakibatkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut dengan control mass.

Suatu sistem bisa mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

  • Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
  • Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik yaitu dinding yang menyababkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya suatu pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik yaitu dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).

  1. Sistem terisolasi

Sistem terisolasi ialah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak bisa terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, walaupun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut dengan property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem bisa berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, jika masing-masing jenis koordinat sistem tersebut bisa diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem memiliki nilai koordinat yang tetap. Jika koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).

A. Teori Kinetik Gas

Teori kinetik gas merupakan teori yang menggunakan tinjauan tentang gerak dan energi artikel zat untuk menyelidiki sifat – sifatzatnya.

  1. Pengertian gas ideal

Gas ideal adalah suatu gas yang memiliki sifat – sifat antara lain :

  1. Gas ideal terdiri atas partikel – partikel dalam jumlah banyak dan antar partikel tidak terjadi gaya tarik – menarik (interaksi)
  2. setiap partikel bergerak dengan arah sembarang
  3. Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan
  4. Setiap tumbukan yang terjadi berlangsung secara lenting sempurna
  5. Partikel gas terdistribusi merata di dalam ruangan
  6. Pada gas ideal berlaku Hukum Newton tentang gerak

 

  1. Persamaan keadaan gas ideal
  2. Hukum Boyle – Gay Lussac

Hukum Boyle – Gay Lussac memenuhi hubungan p (tekanan), volume (V), dan suhu mutlak (T) yaitu :

p V = n R T

Keterangan :

n = Jumlah mol gas

R = tetapan umum gas = 8314 J/mol K = 8,31

  1. Hubungan jumlah mol dengan dengan massa total dan jumlah partikel

n = m/M atau n = N/No

Keterangan :

M = massa relatif partikel( atom atau molekul gas

No = bilangan avogadro = 6,02 x 1023 Partikel /mol

persamaan keadaan gas  menjadi p V = (m/M) R T atau  p V = N k T

Keterangan :

k = tetapan Boltzman =1,38 x 10-23 J/K

k = R / No atau R = k.No

Contoh soal :

  1. Satu mol gas berada dalam tabung yang volumenya 50 liter . Bila suhu gas itu 227oC, Berapa tekanan gas ?.

Diket : n = 1 mol, V = 50 liter = 50 dm3 = 5 x 10-2 m2, R = 8,31 x 103 J / kmol K, T = 227 o C = (227+273) = 500 K

Ditanya : p = ……. ?

Jawab : p V = n R T → p = n R T /V →1 (= 8,31 x 103 (500) /5 x 10-2 = 8,31 x 107 N /m2 = 8,31 x 107 Pa

  1. Berapa volume 5 gram gas oksigen O2 yang berat molekulnya M = 32 kgkmol pada keadaan normal (t = 0o C dan p = 1 atm) ?

diket : m = 5 gram = 5 x 10-3 kg, = M = 32 kg/kmol, R = 8314 J/kmol.K, T = (0 +273) = 273 K, p = 1 atm = 105 N/m2

Dit : V = …… ?

Jawab :  p V = n R T = V = (m / M) . R T / p = m R T / p M = (5 x 10-3)(8314)(273) / (105) (32) = 3,546 x 10-3 m3

Tugas :

  1. Sebuah tangki 300 liter berisi gas oksigen (m = 32 kg/mol) pada suhu 27o C dan tekanan 4 atm. Tentukan massa gas oksigen tersebut.
  2. 6,9 liter gas suhunya 27oC dan bertekanan 60 N/m2. Berapa jumlah partikel gas tersebut (k = 1,38 x 10-23 J/K) ?.
  3. Sebuah tangki 600 liter berisi gas oksigen (m = 32 kg/mol) pada suhu 77o C dan tekanan 8 atm. Tentukan massa gas oksigen tersebut.
  4. 10 liter gas suhunya 77 oC dan bertekanan 120 N/m2. Berapa jumlah partikel gas tersebut (k = 1,38 x 10-23 J/K) ?.
  5. Sebuah tangki 1200 liter berisi gas oksigen (m = 32 kg/mol) pada suhu 87 o C dan tekanan 10 atm. Tentukan massa gas oksigen tersebut.

Tekanan dan energi kinetik

Sejumlah gas dengan N buah partikel berada dalam tabung yang volumenya V . Bila diketahui massa sebuah partikelnya mo dan kecepatannya rata  ratanya v, maka tekanan gas itu memenuhi hubungan :

Contoh soal :

Tentukan energi kinetik rata – rata 5 mol gas  neon  yang volumenya  25 liter dengan tekanan 100 k Pa.

Diket : n = 5 mol,

No = bilangan avogadro = 6,02 x 1023 partikel / mol,

N = n.No = 5.(6,02 x 1023) = 3.01 x 1024 partikel,

V = 25 liter = 25 x 10-3 m3,

p = 100 kPa = 100 x 103 Pa

Ditanya : EK = ……. ?

Jawab :  Ek = (3p V) / (2 N) = (3(100 x 103)(25 x 10-3 ) / 2(3,01 x 1024) = 1,24 x 10-21 Joule

 

Hukum-Hukum Termodinamika

Termodinamika mempunyai hukum-hukum pendukungnya. Hukum-hukum ini menerangkan bagaimana dan apa saja konsep yang harus diperhatikan. Seperti peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika. Sejak perumusannya, hukum-hukum ini sudah menjadi hukum penting dalam dunia fisika yang berhubungan dengan termodinamika. Penerapan hukum-hukum ini juga digunakan dalam berbagai bidang seperti bidang ilmu lingkungan, otomotif, ilmu pangan, ilmu kimaia dan lain-lain. Berikut hukum-hukum termodinamika :

  1. Hukum I termodinamika (Kekekalan Energi dalam Sistem)

Energi tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan. Manusia hanya bisa mengubah bentuk energi dari bentuk energi satu ke energi lainnya. Dalam termodinamika, jika sesuatu diberikan kalor, maka kalor tersebut akan berguna untuk usaha luar dan mengubah energi dalam.
Bunyi Hukum I Termodinamika

untuk setiap proses apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ΔU = Q – W”.

Dimana U menunjukkan sifat dari sebuah sistem, sedangkan W dan Q tidak. W dan Q bukan fungsi Variabel keadaan, tetapi termasuk dalam proses termodinamika yang bisa merubah keadaan. U merupakan fungsi variabel keadaan (P,V,T,n).
W bertanda positif bila sistem melakukan usaha terhadap lingkungan dan negatif jika menerima usaha lingkungan.

Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan dan negatif jika melepas kalor pada lingkungan.
Perubahan energi dari sebuah sistem hanya tergantung pada transfer panas ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem dan tidak bergantung pada proses yang terjadi. Pada hukum ini tidak ada petunjuk adanya arah perubahan dan batasan-batasan lain.

Rumus Hukum Termodinamika I

Secara matematis hukum I termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut:

Q = ∆U+W

Dengan ketentuan, jika:
Q(+) → sistem menerima kalor
OR → sistem melepas kalor
W(+) → sistem melakukan usaha
W(-) → sistem dikenai usaha
∆U(+) → terjadi penambahan energi dalam
∆U(-) → terjadi penurunan energi dalam

ΔU = Q − W
Keterangan :
ΔU = perubahan energi dalam (joule)
Q = kalor (joule)
W = usaha (joule)

Proses-proses
Isobaris → tekanan tetap
Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0
Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0
Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0
Siklus → daur → ΔU = 0

Persamaan Keadaan Gas

Hukum Gay-Lussac
Tekanan tetap → V/T = Konstan → V1/T1 = V2/T2

Hukum Charles
Volume tetap → P/T = Konstan → P1/T1 = P2/T2

Hukum Boyle
Suhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2

P, V, T Berubah (non adiabatis)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)

Adiabatis
P1V1 γ= P2V2γ
T1V1 γ − 1= T2V2γ − 1
γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/Cv

Usaha
W = P(ΔV) → Isobaris
W = 0 → Isokhoris
W = nRT ln (V2 / V1) → Isotermis
W = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik)

Keterangan :
T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)
P = tekanan (Pa = N/m2)
V = volume (m3)
n = jumlah mol
1 liter = 10−3m3
1 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!)
Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693

Mesin Carnot
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %
η = ( W / Q1 ) x 100%
W = Q1 − Q2

Keterangan :
η = efisiensi mesin Carnot (%)
Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin)
Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)
W = usaha (joule)
Q1 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)
Q2 = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Contoh Soal 

Suatu gas mempunyai volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Bila tekanan gas yaitu 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut ??
(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

Pembahasan

Diketahui :
V2 = 4,5 m3
V1 = 2,0 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Isobaris → Tekanan Tetap

Ditanya W ??

Dijawab :

W = P (ΔV)
W = P(V2 − V1)
W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule

  1. Hukum II termodinamika (Arah reaksi sistem dan batasan)

Hukum kedua ini membatasi perubahan energi mana yang bisa terjadi dan yang tidak. Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagi cara, yaitu :

“Hukum II termodinamika dalam menyatakan aliran kalorKalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”

Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor
Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.

Hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi (besaran termodinamika yang menyertai suatu perubahan setiap keadaan dari awal sampai akhir sistem dan menyatakan ketidakteraturan suatu sistem)
Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketia proses irreversible terjadi.

  1. Hukum III termodinamika
    Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut (temperatur Kelvin) semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.hukum ini jugga menyatakn bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol

 

PERPINDAHAN KALOR

Perpindahan Kalor

Kalor dapat berpindah dari satu benda ke benda lain dengan tiga buah cara yaitu :

a.  Perpindahan kalor secara konduksi

b. Perpindahan kalor secara konveksi

c. Perpindahan kalor secara radiasi

A. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui medium perantara tanpa mengalami perpindahan medium. Biasanya perpindahan kalor ini terjadi pada benda padat. Misalnya Sebuah sendok salah satu ujungnya dicelupkan pada air yang panas maka lama – lama kelamaan  ujung yang lain akan menjadi panas.

B. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor melalui medium perantara di mana medium tersebut ikut berpindah. Contoh perpindahan kalor secara konveksi yaitu terjadinya angin laut dan angin darat.

C. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik tanpa memerlukan zat perantara. Contoh perpindahan kalor secara radiasi yaitu sampainya sinar matahari ke bumi.

 

Kalor

KALOR

  1. Pengertian Kalor

Kalor merupakan bentuk energi yang pindah karena adanya perbedaan suhu. Secara alamiah, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Ternyata benda yang suhunya naik, massanya tidak berubah, jadi kalor bukan zat.

  1. Satuan kalor :

Satuan untuk menyatakan kalor adalah Joule (J) atau Kalori (kal). Joule menyatakan satuan usaha atau energi. Satuan Joule merupakan satuan kalor yang umum digunakan dalam fisika. Sedangkan Kalori menyatakan satuan kalor. 1 kalori (1 kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air agar suhunya nai 1°C. Hubungan satuan kalori dengan joule adalah

1 kal = 4,2 J   atau   1 J = 0,24 kal

 

  1. Pengaruh Kalor Terhadap Benda
  2. Pengaruh kalor terhadap suhu benda

Kalor yang diterima oleh benda dapat mengubah suhu benda. Ketika kalor diberikan kepada air, maka suhu air bertambah. Makin banyak kalor yang diberikan makin banyak pula perubahan pada suhu air. Dapat disimpulkan bahwa kalor mengubah suhu benda.

Benda yang melepaskan kalor seperti air panas dalam gelas. Air panas yang kita letakkan diatas meja akan melepaskan kalor ke udara  karena air panas melepaskan kalor, maka suhu air panas makin lama makin turun. Air panas berubah menjadi air dingin. Hal ini menunjukkan bahwa kalor merubah suhu benda.

  1. Pengaruh kalor terhadap wujud benda

Kalor menyebabkan perubahan wujud pada benda-benda, seperti cokelat dan es batu. Cokelat yang kita genggam dengan tangan dapat meleleh. Demikian juga dengan es batu yang diletakkan dalam piring di atas meja. Lama-kelamaan es batu mencair Berarti es batu berubah wujud dari padat menjadi cair.

Perubahan wujud gas yang disebabkan oleh kalor diantara :

1)      Perubahan wujud dari padat menjadi cair dan sebaliknya. Contoh fenomena ini terjadi pada lilin yang sedang menyala.

2)      Perubahan wujud dari cair menjadi gas dan sebaliknya. Fenomena ini terjadi pada peristiwa memasak air dan terjadinya fenomena hujan.

3)      Perubahan wujud dari padat menjadi gas dan sebaliknya. Peristiwa ini terjadi pada kapur  barus yang menyublin, yang mengubah kapur barus menjadi gas. Sedangkan benda gas yang berubah menjadi benda padat dicontohkan pada asap kenalpot. Asap nkenalpot berubah menjadi jelaga (benda padat) ketika menyentuh permukaan dalam kenalpot.

  1. Menguap, Mengembun dan Mendidih
  2. Melebur dan Membeku

Melebur merupakan peristiwa perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Sedangkan membeku adalah yaitu perubahan bentuk zat dari cair menjadi padat.

Untuk melebur, zat memerlukan kalor, dan pada waktu melebur suhu zat tetap. Sebaliknya untuk membeku, zat melepaskan kalor, dan pada waktu membeku, suhu zat tetap.

Kalor yang diperlukan  untuk meleburkan 1 Kg zat padat menjadi 1 Kg zat cair pada titik leburnya dinamakan kalor lebur. Sebaliknya, kalor yang dilepaskan pada waktu 1 Kg zat cair membeku menjadi 1 Kg zat padat pada titik bekunya dinamakan kalor beku. Jika banyaknya kalor yang diperlukan oleh zat yang massanya m Kg untuk melebur adalah Q Joule, maka kalor lebur (L) dapat kita tulis:

L = Q / m

Dimana:

L = Kalor Lebur (J/Kg)

Q = Banyaknya kalor (J)

m = Massa (Kg)

  1. Persamaan Kalor

Kalor menyatakan banyaknya panas, sedangkan suhu menyatakan derajat panas suatu benda.

Pemberian kalor menyebabkan suhu benda berubah. Makin banyak kalor yang diberikan pada suatu benda, maka suhu benda tersebut makin tinggi. Berarti kalor sebanding dengan perubahan suhu. Selain bergantung pada massa dan perubahan suhu, kalor yang diperlukan agar suhu benda naik juga bergantung pada jenis zat. Bila kita merangkum semua factor tersebut, maka kalor yang diperlukan agar suhu benda naik adalah:

Q = m c Δt

Dimana:

Q = Banyaknya Kalor (J)

m = Massa (Kg)

c = Kalor jenis benda (J/Kg oC)

Δt = Perubaha suhu (oC)

Kalor jenis menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 Kg zat sebesar 1 oC.

  1. Perpindahan Kalor
  2. Perpindahan Kalor Secara Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat perantara. Namun, zat tersebut tidak ikut berpindah ataupun bergerak. Partikel – partikel benda tersebut hanya bergetar. Contoh sendok yang dipanaskan.

  1. Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas yang disertai dengan perpindahan zat perantaranya. Contoh yang sederhana adalah proses mencairnya es batu yang dimasukkan ke dalam air panas.

  1. Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa melalui perantara. ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun, kita  merasakan hangat walaupun kita tidak bersentukan dengan apinya secara langsung.

  1. Peralatan Yang Memanfaatkan Sifat Kalor

Dalam kehidupan sehari-hari banyak kita jumpai peralatan yang memanfaatkan sifat kalor diantaranya:

  1. Kulkas

Kulkas dimanfaatkan untuk mendinginkan atau mengawetkan makanan dan minuman. Daging

  1. Alat penyulingan air

Benda lain yang memanfaatkan sifat kalor adalah alat penyuling air (destilasi).

  1. Asas Black

Ketika kita memasukkan es batu kedalam air panas ternyata suhu air  turun. Suhu air itu turun karena air melepaskan kalor ke es batu. Sementara itu, es batu mencair atau berubah wujud karena mendapat kalor dari air panas. besranya kalor yang dilepas dan kalor yang diterima oleh benda yang bercampur pertama kali diketahui oleh Joseph Black (1720-1799), seorang ilmuan Inggris.

  1. Bila dua benda bercampur maka benda yang panas akan memberikan kalor kepada benda yang dingin hingga suhu keduanya sama.
  2. Banyaknya kalor yang dilepas oleh benda yang panas sama dengan banyaknya kalor yang diserap oleh benda yang dingin

Pernyataan diatas dapat diringkas sebagai berikut: Kalor yang dilepas oleh suatu benda sama dengan kalor yang diterima benda lain. Pernyataan ini dikenal dengan Asas Black. Yang ditulis dengan pernyataan

Kalor Lepas = kalor terima

Q lepas = Q terima

Soal – soal suhu dan kalor :

  1. Kalor yang dilepas apabla 15 gram air bersuhu 100o C didinginkan hingga suhu 20 oC adalah ….(Kalor jenis air 1 Kal/gr o C.
  2. Panas sebesar 2 kilo joule diberikan pada sepotong logam bermassa 2500 gr yang memiliki suhu 30 oC. Jika kalor jenis logam 0,2 kalorigr oC, tentukan suhu akhir logam
  3. 500 gram es bersuhu −12oC dipanaskan hingga suhu −2oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam satuan joule!
  4. 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga keseluruhan es menjadi air yang bersuhu 0oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam kilokalori!
  5. 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan!
  6. 500 gram es bersuhu −10oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan!
  7.  Sepotong es bermassa 100 gram  bersuhu 0°C dimasukkan kedalam secangkir air bermassa 200 gram bersuhu 50°C. Jika kalor jenis es 0.5 kal/gr oC sedangkan kalor jenis air 1 kal /gr oC. Hitunglah suhu akhir campuran es dan air !.

SUHU

Suhu dan Kalor

  • Suhu adalah derajat panas yang dimiliki oleh suatu benda.
  • Kalor adalah energi yang dimiliki oleh setiap benda yang disebabkan oleh bergetarnya partikel – partikel penyusun benda tersebut

TERMOMETER

  • Termometer adalah alat ukur suhu suatu benda atau sistem
  • Termometer memamfaatkan sifat pemuaian zat akibat perubahan suhu
  • Termometer analog menggunakan kolom raksa atau alkohol

SKALA TERMOMETER

Skala termometer yang umum digunakan adalah skala Kelvin, skala reamur, skala fahrenheit dan skala reamur

termometer

Gambar Perbandingan skala termometer

Rumus konversi suhu kusus

termometer

Contoh :

konversikan suhu 20º C menjadi skalar reamur ?

Diketa : Tº C = 20 º C

Ditanya : Tº R = …….. ?

Jawab :

termometer

Tugas :

Konversikan skala termometer di bawah menggunakan  rumus yang benar !

a.    20 °R  menjadi celcius, Fahrenheir dan kelvin

b.    68 °F menjadi celcius, reamur dan kelvin

Rumus konversi suhu secara umum :

termometer

Keterangan :

Tc = suhu termometer celcius

TTBc = titik tetap bawah termometer celcius

TTAc = titik tetap atas termometer celcius

Tx = suhu termometer x

TTBx = titik tetap bawah termometer x

TTAx = titik tetap atas termometer x

Air mendidih bersuhu 30 °C termometer X mempunyai TTA 150 °X dan TTB -50 °X termometer Y mempunyai TTA 130 °Y dan TTB 30 °Y. Tentukan berapa suhu air mendidih menurut termometer X dan Y.

Diket : Tc =  30 °C, TTAc =100 °C,     TTBc = 0 °C

TTAX   = 130 °X, TTBX = -50 °X ,  TTAY   = 130 °Y, TTBY = 30 °Y

Ditanya : Tx dan Ty …… ?

Jawab :

termometer

termometer

Tugas :

a. hitunglah Ty

b. Air mendidih bersuhu 90 °C termometer X mempunyai TTA 180 °X dan TTB -20 °X termometer Y mempunyai TTA 150 °Y dan TTB 20 °Y. Tentukan berapa suhu air mendidih menurut termometer X dan Y.