BAB II TINJAUAN PUSTAKA. Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat-sifat kuat, liat, keras,

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Material Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat-sifat kuat, liat, keras, penghantar listrik dan panas, serta mempunyai titik cair tinggi. Bijih logam ditemukan dengan cara penambangan yang terdapat dalam keadaan murni yaitu emas, perak, bismut, platina, dan ada yang bercampurdengan unsur-unsur seperti karbon, sulfur, fosfor, silicon, serta kotoran seperti tanah liat, pasir, dan tanah. Bijih logam yang ditemukan dengan cara penambangan terlebih dahulu dilakukan proses pendahuluan sebelum diolah dalam dapur pengolahan logam dengan cara dipecah sebesar kepalan tangan, dipilih yang mengandung unsur logam, dicuci dengan air untuk mengeluarkan kotoran dan terakhir dikeringkan dengan cara dipanggang untuk mengeluarkan uap yang mengandung air. Selain logam ada yang disebut dengan istilah bukan logam (non metal) dan unsur metaloid (yang menyerupai logam). Logam dapat dibagi dalam beberapa golongan, yaitu: 1. Logam berat :Besi, nikel, krom, tembaga, timah putih, timah hitam dan seng. 2. Logam Ringan :Alumunium, magnesium, titanium, kalsium, Kalium, Natrium, dan Barium. 3. Logam Mulia :Emas, Perak, dan Platina.

2 4. Logam Tahan Api :Wolfram, molibden, titanium, dan zirkonium. Dalam penggunaan serta pemakaiannya, logam pada umumnya tidak merupakam senyawa logam, tetapi merupakan paduan. Logam dan paduannya merupakan bahan teknik yang penting, dipakai untuk konstruksi mesin, kendaraan, jembatan, bangunan, dan pesawat terbang. Sehubungan dengan pemakaiannya pada teknik mesin, sifat logam yang penting adalah sifat mekanis, fisik, dan kimia yang sangat menentukan kualitasnya. Logam dapat dibagi dalm dua golongan yaitu logam ferro atau logam besi dan logam nonferro yaitu logam bukan besi. 1. Logam ferro (besi) Logam ferro adalah suatu logam paduan yang terdiri dari campuran unsur karbon dengan besi. Untuk menghasilkan suatu logam paduan yang mempunyai sifat yang berbeda dengan besi dan karbon maka dicampur dengan bermacam logam lainnya. Jenis logam ferro adalah sebagai berikut: Besi tuang Besi tempa Baja lunak Baja karbon sedang Baka karbon tinggi Baja karbon tinggi dengan campuran

3 2. Logam Nonferro Logam nonferro adalah logam yang tidak mengandung unsure besi (Fe). Logam nonferro antara lain sebagai berikut. Tembaga (Cu) Alumunium (Al) Timbel (Pb) Timah (Sn) 2.2 Karakteristik Bahan Logam 1.Sifat Mekanis Yang dimaksud dengan sifat mekanis suatu logam adalah kemampuan atau kelakuan logam untuk menahan beban yang diberikan, baik beban statis atau beban dinamis pada suhu biasa, suhu tinggi maupun suhu dibawah 0 C. beban statis adalah beban yang tetap, baik besar maupun arahnya berubah menurut waktu. Beban statis dapat berupa beban tarik,, tekan lentur, puntir, geser, dan kombinasi dari beban tersebut. Sementara itu, beban dinamis dapat berupa beban tiba-tiba, berubah-ubah, dan beban jalar. Sifat mekanis logam meliputi kekuatan. Kekenyalan, keliattan, kekerasan, kegetasan, keuletan, tahan aus, batas penjalaran, dan kekuatan stress rupture. a. Sifat logam pada pembebanan tarik

4 Bila suatu logam dibebani beban tarik maka akan mengalami deformasi, yaitu perubahan ukuran atau bentuk karena pengaruh beban yang dikenakan padanya. Deformasi ini dapat terjadi secara elastis dan secara plastis. Deformasi elastis, yaitu suuatu perubahan yang akan segera hilang kembali apabila beban ditiadakan. Deformasi plastis yaitu, suatu perubahan bentuk yang tetap ada meskipun bebanyang menyebabkan deformasi ditiadakan. b. Sifat logam pada pembebanan dinamis Bahan yang dibebani secara dinamis akan lelah dan patah, meskipun dibebani dibawah kekuatan statis. Kelelahan adalah gejala patah dari bahan disebabkan oleh beban yang berubah-ubah. Kekuatan kelelahan suatu logam adalah tegangan bolak-balik tertentu. Sementera itu, batas kelelahan adalah tegangan bolak-balik tertinggi yang dapat ditahan oleh logam itu sampai banyak balikan tak terhingga. c. Penjalaran Yang dimaksud dengan penjalaran adalah pertambahan panjang secara terus menerus pada beban yang konstan. Bila suatu bahan mengalami pembebanan tarik terteentu dan tetap maka pertambahan panjangnya mungkin tidak berhenti sampai bahan tersebut patah atau mungkin berhenti tergantung pada besarnya beban tarik tersebut. d. Sifat Logam Terhadap Beban tiba-tiba

5 Bila deformasi mempunyai kecepatan regangan yang tinggi maka bahan umumnya akan mengalami patah getas, akibat bahan dikenai beban tibatiba. Untuk melihat sifat tersebut dilakukan percobaan pukul, yang dilakukan pada bahan uji dan diberikan tarikan menurut standar yang telah ditentukan. e. Sifat kekerasan Logam Kekerasan adalah ketahanan bahan terhadap deformasi plastis karena pembebanan setempat pada permukaan berupa goresan atau penekanan. Sifat ini banyak hubungannnya dengan sifat kekuatan, daya tahan aus, dan kemampuan dikerjakan dengan mesin (mampu mesin). Cara pengujian ada yga macam yaitu - Goresan - Menjatuhkan bola baja, dan - Penekanan f. Sifat penekanan Sifat ini hampir sama dengan sifat tarikan, untuk bahan getas besaran sifat tekanannya cenderung lebih tinggi dari sifat tariknya. Sebagai contoh, besi cor kelabu sifat tekanannya kira-kira empat kali lebih besar dari sifat tariknya. g. Sifat Logam terhadap Geser dan Puntir

6 Pengujian geser suatu bahan akan sulit dilakukan dengan cara member beban berlawanan pada titik yang berlainan (tidak terletak pada suatu garis lurus dan salah satu arah beban), karena akan terjadi pembengkokan. Yang lebih praktis adalah memberikan beban punter pada sumbu suatu bahan yang berbentuk tabung. Pada pengujian ini besarnya tegangan geser tidak sama dari permukaan kepusat, tegangan geser di permukaan maksimum dan di sumbu nol. h. Sifat Redaman Logam Apabila suatu logam ditarik atau ditekan sehingga terjadi deformasi elastis, kemudian beban tersebut dihilangkan maka energi yang dibutuhkan untuk mengubah bentuk asal selalu lebih rendah dari energi untuk deformasi elastis, karena penekanan atau tarikan tersebut. Hal itu terjadi karena adanya tahanan dalam. Tahanan dalam adalah kemampuan logam untuk meredam beban atau getaran tiba-tiba. i. Sifat Plastis Sifat plastis adalah kemampuan suatu logam atau bahan dalam keadaan padat untuk dapat diubah bentuk yang tetap tanpa pecah. Sifat itu penting. Sifat itu penting untuk dipertimbangkan dalam pengolahan bentuk suatu logam. Kebanyakan logam pada suhu tinggi mempunyai sifat plastis yang baik dan cenderung bertambah dngan kenaikan suhu. Logam yang tidak plastis pada suhu tinggi disebut getas panas, yaitu mudah retak karena deformasi disebabkan karena adanya suatu beban pada suhu tersebut. Bila gejala ini terjadi pada suhu kamar biasa disebut getas dingin.

7 2.Sifat Fisik Sifat fisik adalah sifat bahan karena mengalami peristiwa fisika, seperti adanya pengaruh panas dan listrik. a. Sifat karena pengaruh panas antara lain mencair, perubahan ukuran, dan struktur karena proses pemanasan. b. Sifat listrik yang terkenal adalah tahanan dari suatu bahan terhadap aliran listrik atau sebaliknya sebagai daya hantar listrik. 3.Sifat Pengerjaan atau Sifat Teknologis Sifat pengerjaan logam adalah sifat suatu bahan yang timbul dalam proses pengolahannya.sifat itu harus diketahui lebih dahulu sebelum pengolahan bahan dilakukan. Pengujian yang dilakukan antara lain pengujiian mampu las, mampu mesin, mampu cor, dan mampu keras. 4.Sifat Kimia Sifat kimia dari suatu bahan mencakup kelarutan bahan tersebut pada larutan, basa atau garam, dan pengoksidasian bahan tersebut. Hampir semua sifat kimia erat hubungannya dengan kerusakan secara kimia. Kerusakan tersebut berupa gejala korosi. Hal ini sangatt penting dalam praktek. 2.3 Bahan Pelat Seng (Zn) Seng adalah logam yang kedua setelah Cu yang diproduksi secara besar sebagai logam bukan besi. Kekuatannya rendah, tetapi titik cairnya juga rendah

8 419 C dan hampir tidak rusak diudara biasa, yang dipergunakan untuk pelapisan pada besi. Juga dipergunakan sebagai bahan pelat batere kering dan untuk keperluan percetakan. Salah satu sifat yang sangat dihargai dari seng ialah ketahanan korosinya terhadap udara luar. Oleh karena itu maka ia banyak dipakai untuk melindungi logam logam lain, terutama baja, terhadap korosi, atau dipakai untuk logam murni. Paduan 4%Al-1%Cu-Mg-Zn terutama dipergunakan untuk pengecoran cetak. Dengan paduan ini dapat menghasilkan paduan coran berbentuk rumit, yang umumnya dipakai untk penggunaan yang praktis dan perhiasan pada komponen mobil, perkakas listrik untuk dapur, pegangan untuk mesin-mesin kantor dan sebagainya. Massa jenis seng : 7140 kg/m 3 Titik Lebur seng : C Titik Uap kira kira C Sifat sifat mekanisnya tidak begitu baik, tetapi seng memberikan permukaan yang sangat bagus, umur pakai dari matres matres tuang semprot sangat panjang, dan ia dapat dikerjakan dengan kecepatan produksi yang tinggi. Juga pekerjaan yang rumit dan berdinding tipis dapat dengan baik dibuatnya. Lebih dari setengah dari produksi tuang semprot seng dipakai di industri mobil ( seperti pompa bensin, panel instrumen, tombol pintu dan sebagainya ).

9 Contoh contoh selanjutnya : siku siku bagian mesin cuci, pengisap debu, mesin tik, aparatur foto, termasuk dalam proses pembuatan Alat Pengering Kunyit dan lain lain. Selanjutnya seng itu sebanyak % dipakai sebagai unsure paduan di dalam logam logam lain. Sebagai bahan murni seng banyak dipakai dalam bentuk pelat, untuk talang atap, penutup atap, dan selubung baterai. Untuk penerapan sebagai tutup atap, seng mudah dpakai,karena seng itu mudah untuk disolder atau dipatri. Suatu sifat lain dari seng ialah, bahwa ia merupakan bahan tuang yang baik sekali : terutama untuk penuangan, seng merupakan paduan ringan, dengan 4 % alumunium dan 1 % tembaga. Gambar 2.1 Pelat Seng 2.4 Bahan Isolasi (Bahan Penyekat)

10 Bahan isolasi adalah bahan yang menyekat, yang artinya yang tidak mengantar. Bahan isolasi dibedakan menjadi beberapa bahan (penyekat) sebagai berikut. Bahan isolasi (penyekat) listrik. Bahan isolasi (penyekat) suara. Bahan isolasi (penyekat) getaran. Bahan isolasi (penyekat) panas. Pada perancangan alat pengering digunakan triplek (kayu) sebagai bahan penyekat panas, agar panas yang dihasilkan dari pembakaran tidak terbuang. Penyekat panas ini diletakkan di bagian samping kiri dan kanan alat pengering, Bahan penyekat panas hampir tidak boleh mengantar panas. Bahan ini penting artinya dalam konstruksi bangunan dan kostruksi mesin. Bahan penyekat panas harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut: a. Koefisien panas harus rendah b. Daya tahan lembab (air) yang baik c. Daya tahan suhu yang tinggi d. Massa jenis rendah.

11 Gambar 2.2 Bahan Penyekat Panas Triplek 2.5 Bahan Bakar Bahan bakar terbagi atas tiga jenis diantaranya, bahan bakar padat, bahan bakar cair, bahan bakar gas. Pada proses pengeringan ini bahan bakar yang digunakan adalah bahan bakar batu bara jenis briket. Jenis-jenis batu bara : a. Batu bara nyala api b. Batu bara tempa c. Batu bara ketel d. Antrasit Jenis-jenis bahan bakar yang dibuat dari batu bara : a. Kokas

12 b. Batu bara tepung c. Briket Briket dibuat dari batu bara halus. butir halus itu berturut-turut diberi pengerjaan sebagai berikut: pengeringan, pencampuran dengan pek, pemanasan sampai C, lalu ditempa dalam cetakan. Briket ini sesuai pula dipakai untuk keperluan rumah tangga.. Gambar 2.3 Bahan Bakar (Briket) 2.6 Bahan Penyambungan Untuk pembuatan/pembentukan model alat pengering ini penyambungan dilakukan dengan cara di pateri (memateri). Memateri adalah menyambung logam dengan menggunakan logam-lumer, sedangkan logam yang akan disambung itu tidak dilumerkan. Jadi titik lumer dari paduan pateri itu harus lebih rendah dari pada titik lumer bagian-bagian yang akan disambungkan

13 Gambar 2.4 Proses pematerian Untuk pekerjaan memateri diperlukan permukaan logam yang bersih dan bebas dari oksid. Untuk keperluan tersebut logam harus dibersihkan terlebih dahulu dengan cara mekanis dan sesudah itu oksid yang terjadi setelah dibersihkan dapat dilarutkan dengan menggunakan bahan cairan tertentu. Selain itu bahan cairan tersebut harus dapat mencegah pembentukan oksidasi selanjutnya. Ketika sedang memateri, paduan pateri itu menyisihkan bahan cairan dan Sesudah itu baru berpadu dengan logam yang akan disambung (lihat tabel 2.1) dengan demikian terjadi suatu sambungan yang biasanya lebih kuat dari pada paduan pateri sendiri.

14 Tabel 2.1 Jenis-jenis pateri Jenis pateri paduan pateri Titik lumer sistim pematrian hal-hal penting Pateri keras Pateri lunak tembaga pateri, perak pateri Timah pateri Diatas 300 C Sampai 300 C 1. nyala api 2. dicelupkan 3. oven 1. baut pateri (pada kadar timah tinggi) 2. Nyala api (pada kadar timah rendah) sambungan kuat sambungan tidak kuat, tujuan penyematan mekanis, penutupan, meyelesaikan yang tidak rata, penghantar listrik dan penyepuhan timah 3. dicelupkan 4. oven (sumber: Beumer B.J.M, Anwir B.S, (penerjemah), Ilmu Bahan Logam, Jilid 2, Bhratara, Jakarta, 1994) 2.7 Alat Perpindahan Kalor Pemindah panas yang khas adalah alat yang dapat memindahkan panas atau energi dari suatu fluida ke fluida yang lain melalui suatu permukaam yang padat. Analisis perubahannya dan perancangannya melibatkan konveksi dan konduksi. Dengankata lain, alat pemindah panas di industrui, terutama industri proses, kebanyakan hanya melibatkan peristiwa konduksi dan konveksi. Alat pemindah panas tersebut adalah panas penukar (Heat Exchanger = HE).penukar panas dibedakan beberapa jenis yaitu : HE untuk memanasi ( contoh pemanas = heater) HE untuk mendinginkan ( contoh pendingin = cooler )

15 HE untuk menguapkan ( contoh penguap = evaporator, ketel uap = boiler) HE untuk mengembunkan ( contoh pengembun = condensor) Di dalam HE selalu melibatkan dua fluida melalui batasan dibawah ini : Fluida pendingin dan yang didinginkan Fluida pemanas dan yang dipanaskan 2.8 Mekanisme Perpindahan Kalor Mekanisme Perpindahan Kalor dibagi menjadi tiga, yaitu : Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan Kalor Radiasi a. Perpindahan Kalor Konduksi Adanya gradient temperatur akan terjadi perpindahan panas. Dalam benda padat perpindahan panas timbul karena gerakan antar atom pada temperatur yang tinggi, sehingga atom-atom tersebut dapat memindahkan panas. Didalam cairan atau gas, panas dihantar oleh tumbukan antar molekul. Persamaan Dasar Konduksi : q dt = -k A dx

16 Keterangan : q = laju perpindahan panas k = konduktifitas termal A = luas penampang dt b. Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan panas terjadi secara konveksi dari pelat ke sekeliling atau sebaliknya. Perpindahan panas konveksi dibedakan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Gambar 2.5 Perpindahan Panas Konveksi

17 Pada konveksi pelat akan mendingin lebih cepat Gambar 2.6 Kovensi Paksa Adapun persamaan dasar konveksi, adalah : T W > T q = h A (Tw T ) Keterangan : q = laju perpindahan panas h = koefisien perpindahan panas konveksi A= luas permukaan Tw = temperatur dinding T = temperature sekeliling

18 Prinsip Perpindahan kalor Secara Konveksi Panas yang dipindahkan pada peristiwa konveksi dapat berupa panas laten dan panas sensible. Panas laten adalah panas yang menyertai proses perubahan fasa, sedang panas sensible adalah panas yang berkaitan dengan kenaikan atau penurunan temperatur tanpa perubahan fasa. c. Perpindahan Kalor Radiasi Perpindahan panas oleh perjalanan foton yang tak terorganisasi. Setiap benda-benda terus-menerus memancarkan foton secara serampangan didalam arah,waktu, dan energi netto yang dipindahkan oleh foton tersebut, diperhitungkan sebagai panas. Persamaan Dasar Radiasi : Keterangan : 4 4 q = A (T 1 - T 2 ) q = laju perpindahan panas A = luas permukaan = tetapan Stefan boltzman T 1,T 2 = temperatur permukaan Gabungan Konduksi, Konveksi & Radiasi

19 Gambar 2.7 Gabungan Konveksi, Konduksi, Dan Radiasi 2.9 Proses Perpindahan Panas Konveksi Alamiah dan Peralatan Pengering Prinsip dasar proses pengeringan adalah terjadinya pengurangan kadar air atau penguapan kadar air oleh udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara sekeliling dan bahan yang dikeringkan. Penguapan ini terjadi karena kandungan air diudara mempunyai kelembapan yang cukup rendah. Pada saat proses pengeringan, akan berlangsung beberapa proses yaitu: - Proses perpindahan massa, proses perpindahan massa uap air atau pengalihan kelembapan dari permukaan bahan kesekeliling udara. - Proses perpindahan panas, akibat penambahan (perpindahan) energi panas terjadilah proses penguapan air dari dalam bahan ke permukaan bahan atau proses perubahan fasa cair menjadi fasa uap. Kedua proses tersebut diatas dilakukan dengan cara menurunkan Kelembapan relatif udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan sehingga tekanan uap air bahan lebih besar dari tekanan uap air di udara sekeliling

20 bahan yang di keringkan.perbedaan tekanan ini meneyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan keudara luar. Untuk meningkatkan perbedaantekanan udara antara permukaan bahan dengan udara sekelilingnya dapat dilakukan dengan memanaskan udara yang dihembuskan ke bahan. Makin panas udara yang dihembuskan mengelilingi bahan, maka banyak pula uap air yang dapat di ttarik oleh udara panas pengering. Energi panas yang berasal dari hasil pembakaran menyebabkan naiknya temperature ruang pembakaran. Karena adanya perbedaan temperatur antara ruang pembakaran dengan lemari pengering, maka terjadi perpindahan panas konveksi alamiah didalam alat pengering. Udara panas didalam lemari pengering mempunyai densitas yang lebih kecil dari udara panas diruang pembakaran sehingga terjadi aliran udara. Cara perpindahan panas konveksi erat kaitannya dengan gerakan atau aliran fluida. Salah satu segi analisa yang paling penting adalah mengetahui apakah aliran fluida tersebut laminar atau turbulen. Dalam aliran laminar, aliran dari garis aliran (streamline) bergerak dalam lapisan-lapisan, dengan masingmasing partikel fluida mengikuti lintasan yang lancar serta malar (kontiniu). Partikel fluida tersebut tetap pada urutan yang teratur tanpa saling mendahului. Sebagai kebalikan dari gerakan laminar, gerakan partikel fluida dalam aliran turbulen berbentuk zig-zag dan tidak teratur. Kedua jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar terhadap perpindahan panas konveksi. Bila suatu fluida mengalir secrara laminar sepanjang suatu permukaan yang mempunyai suhu berbeda dengan suhu fluida, maka perpindahan panas

21 terjadi dengan konduksi molekulardalam fluida maupun bidang antara (interface) fluida dan permukaan. Sebaliknya dalam aliran turbulen mekanisme konduksi diubah dan dibantu oleh banyak sekali pusaran-pusaran (eddies) yang membawa gumpalan fluida melintasi garis aliran. Partikel-partikel iniberperan sebagai pembawa energy dan memindahkan energi dengan cara bercampur dengan partikel fluida tersebut. Karena itu, kenaikan laju pencampuran ( turbulensi ) akan juga menaikkan laju perpindahan panas dengan cara konveksi Untuk menganalisa distribusi temperatur dan laju perpindahan panas pada peralatan pngeringan, diperlukan neraca energi disamping analisis dinamika fluida dan analisi lapisan batas yang terjadi. Setelah kiat melakukan neraca energi terhadap sistem aliran itu, dan kita tentukan pengaruh aliran itu tehadap beda temperatur dalam fluida maka distribusi temperature dan laju perpindahan panas dari permukaan yang dipanaskan ke fluida yang ada diatasnya dapat diketahui. Keseimbangan energi panas dapat dilihat dalam rumusan berikut: Q udout = m ud C p dt = Q in = m air LH air Perpindahn panas konveksi dinyatakan dalm bentuk: Q konveksi = hc.a.dt Pada sistem konveksi bebas dikenal suatu variable tak berdimensi baru yang sangat penting dalam penyelesaian semua persoalan konveksi alami, yaitu angka Grashof Gr yang peranannya sama dengan peranan angka Reynolds dalam

22 sistem konveksi paksa, didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya apung dengan gaya viskositas di dalam sistem aliran konveksi alami. g. ( Tw T) L Gr ƒ = 2 v 3 Dimana koefisien muai volume β untuk gas ideal, β = 1/T. Koefisien perpindahan panas konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi: ƒ = C (Gr ƒ Pr ƒ ) m dimana subscrip f menunjukkan bahwa semua sifat-sifat fisik harus di evaluasi pada suhu film, T ƒ = T Tw 2 Rayleigh: Produk perkalian antara angka grashof dan angka prandtl disebut angka Ra = Gr. Pr