BAB II SISTEM VAKUM. Vakum berasal dari kata latin, Vacuus, berarti Kosong. Kata dasar dari

Transkripsi

1 BAB II SISTEM VAKUM II.1 Pengertian Sistem Vakum Vakum berasal dari kata latin, Vacuus, berarti Kosong. Kata dasar dari kata vacuum tersebut merupakan Vakum yang ideal atau Vakum yang sempurna (Vacuum perfect), tekanan mutlak ini seperti temperatur mutlak, dalam dunia nyata Sistem Vakum tidak dapat dinyatakan, tetapi merupakan suatu acuan dalam pengukuran tekanan. Vakum merupakan suatu kondisi dari udara / gas sekitar lingkungan tertentu dimana tekanan udara dibawah tekanan atmosfir. Untuk menghasilkan vakum perlu untuk mengeluarkan udara dari sistem, ini merupakan prinsip dasar dari cara kerja vakum. Prinsip dasar dari vakum distilasi, dimana proses tetap pada ruang hampa, aliran cairan dan uap air sangat diperlukan pada langkah-langkah untuk mencapai keseimbangan dimana pada proses tersebut untuk menguapkan komponen yang mudah menguap dan uap air diperkaya pada destilasi dalam vakum, bagaimanapun Tanki tidaklah terhubung ke atmosfir, tetapi pompa vakum memelihara sistem tekanan agar tetap di bawah tekanan atmosfir. Dalam sistem Internasional satuan dalam pengukuran ruang hampa adalah Torr, sesuai dengan Evangelista Torricelli ( ). Evangelista Torricelli membuat suatu metode untuk mengukur tekanan atmosfer dengan diciptakan olehnya barometer air raksa pada tahun barometer air raksa tersebut adalah sebuah tabung gelas yang panjang telah diisi dengan air raksa dan dibalikkan didalam sepiring air raksa, seperti pada

2 Gambar 2.1 Ruang diatas kolom air raksa hanya mengandung uap air raksa, yang tekanan tersebut dapat diabaikan besarnya, dapat dilihat bahwa tekanan atmosfer P 0 dapat dirumuskan seperti pada persamaan (12).(Tekanan head dalam fluida) kebanyakan alat pengukur tekanan menggunakan tekanan atmosfer, yang dinamakan tekanan tolok (gauge pressure). Tekanan sesungguhnya disebuah titik didalam suatu fluida dinamakan tekanan absolut ( absolute pressure). Tekanan tolok diberikan baik diatas maupun dibawah tekanan atmosfer. Gambar 2.1 Barometer Torricelli Tekanan atmosfer disuatu titik secara numerik adalah sama dengan berat kolom udara sebanyak satu satuan luas penampang yang membentang dari titik tersebut ke puncak atmosfer. Maka, tekanan atmosfer disuatu titik, akan berkurang dengan ketinggian. Keadaan atmosfer tersebut akan mengalami bentuk variasi karena atmosfer tersebut tidaklah statik. Kolom air raksa didalam barometer

3 tersebut akan mempunyai tinggi sebesar kira kira 76 cm di permukaan laut yang berubah karena tekanan atmosfer. Suatu tekanan yang dikerahkan oleh persis 76 cm air raksa pada 0 0 C dibawah gravitasi standart, g = 9,80 m/s 2, dinamakan satu atmosfer (1 atm). Massa jenis air raksa pada temperatur ini adalah 13,6 x 10 3 Kg/m 3. Dapat juga dicontohkan mengenai variasi tekanan dengan ketinggian didalam atmosfir bumi jika massa jenis adalah sebanding dengan P, jika temperatur udara sama di semua ketinggian. Dengan menggunakan anggapan ini, dan juga mengangap variasi g dengan ketinggian dapat diabaikan, maka dapat dicari tekanan P diatas suatu ketinggian y diatas permukaan laut, maka didapat persamaan (1). dp g dy...(1) dapat dijelaskan bahwa tekanan berubah dengan elevasi diatas suatu permukaan referensi didalam suatu fluida yang berada didalam kesetimbangan statik. Jika elevasi bertambah (dy positif), maka tekanan berkurang (dp negatif). Penyebab variasi tekanan ini adalah berat persatuan luas penampang lapisan lapisan fluida yang terletak diantara titik titik yang perbedaan tekanannya sedang diukur. Karena adalah sebanding dengan P, Maka; (2)

4 dimana 0 dan p 0 adalah nilai massa jenis dan nilai tekanan yang diketahui dipermukaan laut. Maka, dp dy g p 0 p0...(3) sehingga dp g. p0 p p 0 dy...(4) dengan mengintegralkan persamaan ini dari nilai p 0 dititik y = 0 (permukaan laut) ke nilai p dititik y (diatas permukaan laut), maka kita mendapatkan, atau ln p p 0 g. 0 y p 0...(5) g p p0e 0 / y p 0...(6) akan tetapi, g = 9,80 m/s 2, 0 p 0 = 1,20 kg/m 3 (pada 20 0 C), = 1,01 x 10 5 N/m 2 = 1,01 x 10 5 Pa. sehingga g. 0 p 0 m kg 9,80 x 1, S m 5 kg 1,01 x10 2 m. S 1,16 x10 4 m 1 1,16 x10 4 x10 3 km 1 0,116 km 1 maka p p e g. y 0...(7)

5 Dapat diambil kesimpulan bahwa cairan hampir tak termampatkan maka lapisan lapisan yang sebelah bawah tidak terlihat dikompresikan oleh berat lapisan lapisan atas yang dilapiskan diatas lapisan lapisan bawah tersebut dan massa jenis praktis konstan disemua permukaan. Untuk gas yang temperaturnya umum maka massa jenis dari setiap lapisan adalah sebanding dengan tekanan p dilapisan tersebut. Variasi tekanan dengan jarak diatas alas fluida untuk suatu gas adalah berbeda dari variasi tekanan dengan jarak untuk suatu cairan. Dapat dimisalkan pada Gambar 2.2 distribusi tekanan didalam udara dan air. Gambar 2.2 Distribusi tekanan didalam udara dan air Telah diketahui bahwa udara di atmosfir ini mempunyai berat. Karenanya maka udara tersebut bisa menimbulkan tekanan pada permukaan bumi. Rapat massa udara tidak konstan, yang tergantung pada ketinggian, temperatur dan kelembaban. Oleh karena itu tekanan atmosfir, yang disebabkan oleh berat

6 atmosfir atau udara diatas permukaan bumi, sulit atau tidak dapat dihitung. Tekanan atmosfir dapat diukur berdasarkan tinggi kolom zat cair yang bisa ditahan. Di permukaan laut, tekanan yang ditimbulkan oleh kolom udara seluas 1 cm 2 dan setinggi atmosfir adalah 1,03 kg. Dengan demikian tekanan atmosfir pada permukaan air laut adalah 1,03 kg/cm 2 atau setara dengan 10,3 m air atau 76 cm air raksa (Hg). Tekanan atmosfir akan berkurang dengan elevasi atau ketinggian tempat. Tekanan terukur atau tekanan relatif adalah tekanan yang diukur berdasarkan tekanan atmosfir. Tekanan ini bisa lebih besar (tekanan positif) atau lebih kecil (tekanan negatif atau vakum) dari tekanan atmosfir. Sedangkan tekanan absolut atau tekanan mutlak atau tekanan sebenarnya adalah merupakan jumlah dari tekanan atmosfir dan tekanan terukur. Apabila tekanan terukur negatif maka tekanan mutlak adalah tekanan atmosfir dikurangi tekanan terukur, hal ini dapat dilihat melalui Gambar 2.3 pembagian tekanan atmosfir, terukur, dan absolut. Gambar.2.3 Tekanan atmosfir, terukur dan absolut

7 Dari Gambar 2.3 diatas dapat diberi pengertian bahwa sistem vakum berada dibawah tekanan atmosfir yaitu 1 atm. Satu standart atmosfir berlaku yaitu 760 torr. Sistem Vakum merupakan suatu bentuk perubahan dari Tekanan dan Volume yang ditentukan.tekanan dan Volume dihubungkan oleh hukum Boyle. Pada Gambar 2.4 Volume gas V 1 pada tekanan P 1 (dalam satuan Absolut). Gambar 2.4 Hukum Boyle. Gas ini dikompresi ke Volume V 2, sehingga menghasilkan kenaikkan tekanan sampai sebesar P 2, apabila piston ditekan tekanan P 2 akan naik dan V 2 akan berkurang, maka didapat; V 2 < V 1 dan P 2 > P 1 P 1. V 1 = P 2. V 2... (8) Apabila temperatur gas tidak berubah selama kompresi, suatu reduksi tekanan dengan cara sama menghasilkan kenaikkan Volume. Maka dengan demikian kompresi gas selalu diikuti dengan kenaikkan temperatur, agar persamaan diatas berguna, maka gas harus kembali ke temperatur semula. Sebaliknya, pada Gambar 2.5 temperatur suatu gas bervolume tetap dikendalikan oleh sebuah panas.

8 V2 Dipanaskan T2 V1 T1 Gambar 2.5 Perubahan Volume sebagai Fungsi dari Temperatur Udara mengembang dengan 1/273 dari volumenya ketika dipanaskan dengan 1 Kelvin dari temperatur 273 K dibawah tekanan konstan, hal ini ditunjukkan oleh Hukum Gay Lussac yang menyatakan bahwa terjadi perubahan keadaan dengan proses tekanan konstan, dimana; V1 T 1...(9) V 2 T 2 Maka dapat diartikan bahwa tekanan dan temperatur adalah besaran absolut.. Persamaan (8). dan persamaan (9). digabungkan untuk menghasilkan hukum gas umum : P1. V1 P2. V2 Kons tan... (10) T T 1 2 Persamaan ini disebut persamaan BOYLE GAY LUSSAC Keterangan P = Tekanan (N/m 2 ), V = Volume (m 3 ) dan, T = Temperatur ( 0 C) II.2 Tekanan Tekanan terjadi dalam suatu Fluida bila fluida tersebut dikenai suatu gaya. Pada Gambar 2.6 sebuah gaya F diberikan pada fluida tertutup lewat sebuah piston dengan luas A, ini menghasilkan tekanan P dalam Fluida, dengan demikian pada saat Gaya dinaikkan / diperbesar, tekanan akan naik secara Proporsional.

9 Gambar 2.6. Tekanan dalam Fluida yang diberi Gaya. Tekanan dalam Fluida dengan demikian dapat dirumuskan sebagai gaya yang bekerja per satuan luas, atau dapat dilihat pada persamaan (11) berikut; F P...(11) A Keterangan; P = Tekanan (N/m 2 ) F = Gaya Tekan (Newton) A = Luas Penampang (m 2 ) Tekanan juga dapat muncul dalam suatu fluida akibat berat fluida itu sendiri. Tekanan ini biasanya dikenal sebagai tekanan Head dan bergantung pada ketinggian fluida. Dalam Gambar 2.7 Tekanan didasar Fluida sebanding dengan ketinggian h. Gambar 2.7 Tekanan head dalam fluida

10 Dalam Sistem imperial dan sistem metrik dirumuskan ; P =.h..(12) Dengan ; (Rho) = Densitas (Kg/m 3 ) dan, h = Ketinggian (m) Dalam sistem SI persamaan (11). diatas dapat dirumuskan ; P =.g.h... (13) Dengan g adalah percepatan yang disebabkan gravitasi (9,81 ms- 2 ) sehingga dihasilkan tekanan dalam pascal. Bagaimanapun juga, tekanan dalam fluida dapat didefenisikan lewat tekanan head ekuivalen. Satuan umumnya adalah millimeter air raksa dan centimeter, inci, atau meter air. Imbuhan wg ( dari water gauge = tinggi air) seringkali digunakan bila tekanan didefinisikan lewat head ekuivalen air. Hampir semua transmitter atau transducer tekanan mengukur beda tekanan antara dua port masukan. Ini dikenal sebagai tekanan diffrensial, dan transmitter tekanan pada Gambar 2.8 ditunjukkan tekanan sebesar P 1 P 2. Gambar 2.8 Tekanan Differensial Pada Gambar 2.9 Port masukan tekanan rendah terbuka ke atmosfer, sehingga transmitter tekanan menunjukkan tekanan diatas tekanan atmosfer.

11 Tekanan ini dikenal sebagai tekanan gauge, dan biasanya dinyatakan dengan imbuhan g (misalnya psig). Gambar 2.9 Tekanan Gauge Pada Gambar 2.10 menunjukkan transmitter tekanan yang mengukur tekanan yang mengacu ke vakum. Ini dikenal sebagai tekanan absolut dan tekanan ini penting bila kompresi gas dipersoalkan Gambar 2.10 Tekanan Vakum Tekanan diffrensial, tekanan Gauge dan tekanan Vakum merupakan suatu cara dalam mengukur tekanan. II.3 Bahan Pendukung Sistem Vakum Didalam sistem vakum terdapat pendukung dalam berjalannya sistem vakum tersebut, ditinjau dari zatnya diantaranya yaitu ; Steam (Uap) Sebuah molekul merupakan jumlah terkecil unsur atau senyawa suatu bahan yang masih memiliki semua sifat-sifat kimia bahan tersebut. Molekul-molekul bahkan dapat tersusun dari partikel-patikel yang lebih kecil yang disebut atom, yang merupakan elemen dasar seperti hidrogen dan oksigen.

12 Kombinasi spesifik unsur- unsur atom tersebut membentuk senyawa. Salah satu senyawa tersebut dinyatakan dengan rumus kimia H 2 O, yang memiliki molekul yang tersusun dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Air jumlahnya sangat melimpah di muka bumi adalah karena hidrogen dan oksigen merupakan unsur yang paling melimpah di jagat raya ini. Karbon merupakan unsur lain yang juga cukup signifikan, dan merupakan unsur kunci seluruh bahan organik. Hampir seluruh unsur mineral dapat berada pada tiga keadaan fisiknya (padat, cair dan uap) yang merupakan fasenya. Dalam hal H 2 O, istilah es, air dan steam digunakan untuk menunjukan ketiga fase masing-masing. Dalam fase cair, molekul- molekulnya bebas bergerak, namun jaraknya masih lebih kecil dari satu diameter molekul karena seringnya terjadi tarikmenarik dan tumbukan. Penambahan panas yang lebih banyak akan meningkatkan pengadukan dan tumbukan, naiknya suhu cairan sampai suhu didihnya. Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan, sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan uap, masuk akal bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam terpisah jauh satu dengan yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang kurang padat. Jika jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah

13 mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas. Jika tekananya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh. Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama, akan tetapi energi panas per satuan massa nya lebih besar pada steam. Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 100 C. Tetapi, jika tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva uap jenuh (Gambar 2.11). Gambar 2.11 Kurva uap Jenuh II.4 Sistem Kontrol Sistem kontrol adalah proses pengaturan / pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Tujuan utama dari suatu sistem pengontrolan adalah untuk mendapatkan optimisasi dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan fungsi daripada system kontrol itu sendiri, yaitu pengukuran (measurement), membandingkan

14 (comparison), pencatatan dan perhitungan (computation) dan perbaikan (correction). Hal yang paling banyak dijumpai dalam dunia industri yaitu pengontrolan secara elektris dan pneumatik, ini dikarenakan beberapa kelebihan yang diberikannya yaitu pemakaian daya yang lebih kecil, kemampuan untuk pengontrolan jarak jauh, lebih mudah diperoleh dan responnya lebih cepat, disamping itu dimensi peralatan dapat dibuat lebih kecil. II.4.1 Jaringan terbuka dan tertutup Sistem kontrol dengan jaringan tertutup adalah sistem pengontrolan dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan, diagram dapat dilihat pada Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup. Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup Sistem kontrol dengan jaringan terbuka merupakan sistem kontrol dimana keluaran tidak memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga variabel yang dikontrol tidak dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan, diagram dapat dilihat pada Gambar 2.13 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka.

15 21 Gambar 2.13 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka Aplikasi sistem jaringan terbuka dan tertutup juga ditemui dalam proses proses lain. Salah satu contoh dalam kehidupan sehari hari adalah sebagai berikut, jika seseorang mengendarai mobil, maka jalur kecepatan beserta percepatan kendaraan tersebut dapat ditentukan dan dikontrol oleh pengendara dengan cara mengamati kondisi lalu lintas dan mengendalikan setir, rem, dan alat alat pengontrol lainnya. Jika dia ingin memelihara kecepatan pada suatu harga yang konstan (sebagai keluaran) maka dia dapat mengaturnya melalui pedal percepatan (gas) dan harga ini secara tepat dapat diperoleh dengan mengamati penunjukkan speedometer (alat penunjuk kecepatan). Dengan mengamati besarnya keluaran tersebut setiap saat berarti kita memberikan informasi / efek terhadap masukan (dalam hal ini adalah pengendara dan pedal gas), sehingga jika terjadi penyimpangan terhadap kecepatan, pengendara dapat mengendalikannya kembali keharga yang seharusnya. Salah satu aplikasi diatas merupakan sistem kontrol dengan jaringan tertutup, dan akan berubah menjadi sistem terbuka jika kendaraan tersebut tidak dilengkapi dengan speedometer. Tanpa adanya alat penunjuk kecepatan ini maka pengendara tidak dapat mengetahui berapa kecepatan sebenarnya dari kendaraan tersebut setiap saat; yang berarti juga bahwa tidak dapat mengendalikan (membuat) kecepatan pada suatu harga yang diinginkan.

16 Dari contoh diatas dapat dibuat secara blok diagram pada Gambar 2.14a dan 2.14b. pada Gambar 2.14a. ditunjukkan sistem tertutup, sedang pada Gambar 2.14b. dimana tanpa speedometer diagram merupakan sistem terbuka. A Pengendara Kaki B Pedal Gas Hubungan ke mesin Karburator Kendaraan C Speedometer Gambar 2.14a diagram sistem kontrol loop tertutup a Pengendara Kaki b Pedal gas hubungan ke mesin karburator Kendaraan c Gambar 2.14b diagram sistem kontrol loop terbuka II.4.2 Kontinu (analog) Pengontrolan jenis ini dapat dibagi ; Kesebandingan (proporsional), P-(Control); dimana keluaran sebanding dengan penyimpangan. Pengontrolan uap melalui katup, transmitter tekanan, dan lainlain. a. Integral (I) ; keluaran selalu berubah selama terjadi deviasi, dan kecepatan perubahan keluaran tersebut sebanding dengan penyimpangan. Sistem tekanan gas. b. Diffrensial c. Kombinasi P, I dan D.

17 Pengontrolan tipe integral dan diffrensial jarang dipakai tersendiri, tetapi digabungkan dengan jenis proporsional untuk menghilangkan keragu raguan jika jenis proporsional ini memerlukan karakteristik yang stabil. Penggabungan ini akan diperoleh suatu sistem kontrol yang lebih stabil sehingga sensitivitas atau kecepatan responnnya akan menjadi lebih besar. II.5 Pengontrolan Tekanan pada Tanki Pengontrolan tekanan pada tanki secara sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.15 PT P1 F1 R1 P2 R2 P3 F0 Gambar 2.15 Pengontrolan tekanan dalam tanki Dari Gambar 2.15 diatas maka dapat diambil suatu analogi, keadaan pertama apabila aliran (Flow) dari F 1 mengalir masuk kedalam tanki kemudian dari sisi aliran F 0 mengalir keluar tanki dan sehingga menyebabkan F 1 = F 0 maka tekanan didalam tanki (tanki keadaan tertutup penuh) sama dengan konstan, dimana tekanan aliran sama dari kedua sisi baik F 1 atau F 0. Keadaan kedua apabila aliran dan tekanan dari F 1 lebih besar dikarenakan bukaan valve yaitu R 1 lebih besar dari bukaan R 2 akan menyebabkan aliran dari

18 F 0 lebih kecil maka akan terjadi tekanan yang tinggi pada tanki, begitu juga sebaliknya apabila F 1 < F 0 keadaan tekanan didalam tanki akan rendah dan menyebabkan suatu keadaan vakum apabila terus menerus terjadi penurunan tekanan. Dibawah dapat dilihat secara sederhana bentuk pengontrolan tekanan pada tanki. F 1 = F 0 F 1 < F 0 P 2 Konstan (1 atm) P 2 akan turun (apabila makin mengecil bukaan valve akan mengarah ke keadaan vakum ). F 1 > F 0 P 2 akan tinggi.