BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kualitas dan pembuatan es krim Es krim adalah sejenis makanan semi padat. Di pasaran, es krim digolongkan atas kategori economy, good average dan deluxe. Perbedaan utama dari ketiga jenis es krim tersebut terletak pada kualitas dan kandungan lemak susunya. Es krim kualitas sedang tergolong es krim agak baik, adonannya terdiri dari susu, gula putih, kuning telur, tepung, maizena, pewarna yang aman terhadap kesehatan, pengharum/vanili, air, dan garam secukupnya. Es krim kualitas baik adonannya dapat dibeli di toko, adonan ini merupakan barang paten dan siap digunakan. Bahan tersebut dapat langsung dimasukkan ke dalam tabung/boss es dan diberi air sesuai petunjuk lalu diputar. Dalam waktu sekitar 60 menit es krim telah jadi dan siap dihidangkan. Pembuatan es krim sebenarnya sederhana saja, yakni mencampurkan bahan-bahan dan kemudian mendinginkannya. Air murni pada tekanan 1 atmosfer akan membeku pada suhu 0ºC. Namun, bila ke dalam air dilarutkan zat lain, titik beku air akan menurun. Jadi, untuk membekukan adonan es krim pun memerlukan suhu di bawah 0ºC. Misalkan adonan es krim dimasukkan dalam wadah logam, kemudian di ruang antara ember kayu dan wadah logam dimasukkan es. Awalnya, suhu es itu akan kurang dari 0ºC (coba cek hal ini dengan mengukur suhu es yang keluar dari lemari pendingin). Namun, permukaan es yang berkontak langsung dengan udara akan segera naik suhunya mencapai 0ºC
dan sebagiannya akan mencair. Suhu campuran es dan air tadi akan tetap 0ºC selama esnya belum semuanya mencair. Seperti disebut di atas, jelas campuran es krim tidak membeku pada suhu 0ºC akibat sifat koligatif penurunan titik beku. Bila ditaburkan sedikit garam ke campuran es dan air tadi, kita mendapatkan hal yang berbeda. Air lelehan es dengan segera akan melarutkan garam yang kita taburkan. Dengan demikian, kristal es akan terapung di larutan garam. Karena larutan garam akan mempunyai titik beku yang lebih rendah dari 0ºC, es akan turun suhunya sampai titik beku air garam tercapai. Dengan kata lain, campuran es krim tadi dikelilingi oleh larutan garam yang temperaturnya lebih rendah dari 0ºC sehingga adonan es krim itu akan dapat membeku. Tetapi, kalau campuran itu hanya dibiarkan saja mendingin tidak akan dihasilkan es krim, melainkan gumpalan padat dan rapat berisi kristal-kristal es yang tidak akan enak kalau dimakan. Bila diinginkan es krim yang enak di mulut, selama proses pembekuan tadi adonan harus diguncang-guncang. Pengocokan atau pengadukan campuran selama proses pembekuan merupakan kunci dalam pembuatan es krim yang baik. 2.2 Gambar Penampang Mesin Pembuat es Krim Untuk menghasilkan sebuah es krim, adonan yang sudah dibuat harus dimasukan kedalam alat pembuat es krim, yang cara kerjanya adalah diputar baik secara manual ataupun dengan menggunakan motor penggerak. Alat di disain sedemikian rupa untuk menghasilkan pembuatan es krim yang baik. Dibawah ini adalah contoh mesin pembuat es krim
6 5 4 3 7 8 2 10 9 1 Gambar 2.1 Mesin pembuat es krim Keterangan : 1. Motor penggerak 2. Gear box roda gigi cacing 3. Sabuk transmisi 4. Puli 5. Roda gigi kerucut 6. Pengaduk 7. Tabung pendingin 8. Tempat adonan es krim 9. Saluran pembuangan 10. Rangka batang Daya dari motor penggerak diteruskan pada bagian sistem transmisi yang berupa puli dan roda gigi dan selanjutnya diteruskan tabung tempat adonan es krim. Dalam hal ini pengaduk tetap diam sedangkan tempat adonan es krim yang berputar.
2.3 Cara Kerja Mesin Pembuat Es Krim Cara kerja mesin pembuat es krim adalah sebagai berikut : 1. Setelah adonan es krim selesai kemudian diletakan didalam tabung es (alat pembuat es krim dengan temperatur sekitar 30 ºC. 2. Pada sistem ini alat pembut es krim dilengkapi dengan motor penggerak sebagai penggerak utama, dimana dalam perencanaan ini motor penggerak yang dipergunakan adalah elektromotor. 3. Tenaga yang dihasilkan elektromotor ditransmisikan melalui puli dan roda gigi, roda gigi yang dipergunakan disini adalah roda gigi cacing yaitu untuk memtrasmisikan putaran pada sumbu poros yang tidak sejajar dan roda gigi kerucut untuk mentrasmisikan putaran pada poros harizontal menjadi vertikal. 4. Akibat adanya perbedaan temperatur antara tabung pendingin dengan tabung adonan es krim maka temperatur pada tabung pendingin (0ºC) akan berpindah kebagian tabung adonan yang mengakibatkan adona es krim akan membeku. 2.4 Komponen sistem transmisi Sistem transmisi merupakan bagian yang terpenting didalam alat pembuat es krim karena prores pembuat es krim tidak akan berjalan tanpa adanya sistem transmisi. Dalam perancangannya sistem transmisi yan digunakan adalah puli dan roda gigi.
2.5 Effisiensi alat pembuat es krim Perbandingan daya yang dibutuhkan untuk menggerakan tabung es dengan daya output dari motor penggerak dapat dihitung dengan rumus berikut : Psistemtransmisi η = (%) (2.1) P motorpenggerak 2.6 Kapasitas alat pembuat es krim Kapasitas es krim dapat dihitung dengan rumus berikut : massa adonan Q = (2.2) Waktu Kapasitas dapat ditentukan dari hasil percobaan biasanya kecepatan produksi pada awal pengerjaan agak lama bila dibandingkan dengan proses yang ke dua. 2.7 Perpindahan kalor konduksi Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu (Temperatur Gradient), maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi kebagian bersuhu rendah. Dapat dikatakan bahwa energi berpindah secara konduksi berbanding dengan gradien suhu normal : A ~ T x Jika dimasukkan konstanta proposionalitas atau tetapan kesebandingan, maka : T = KA (2.3) x Dimana adalah laju perpindahan kalor dan T x merupakan gradien suhu ke arah perpindahan kalor. Konstanta positif k disebut konduktifitas thermal benda,
sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum thermodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah. Pada persamaan diatas disebut juga hukum Fourier tentang konduksi kalor, yaitu menurut nama ahli matematika fisika bangsa Perancis, Joseph Fourier yang telah memberi sumbangan yang sangat penting dalam pengolahan analitis masalah perpindahan kalor konduksi. 2.7.1 Bidang Silinder Perhatikan suatu silinder panjang dengan jari-jari dalam r i, jari-jari luar r O, dan panjang L, seperti pada gambar 2.2. Silinder mengalami beda suhu T i - T o. Untuk silinder yang panjangnya sangat besar dibandingkan dengan diameternya, dapat diandaikan bahwa aliran kalor berlangsung menurut arah radial, sehingga koordinat ruang yang diperlukan untuk menentukan sistem ini adalah r. Hukum Fourier digunakan lagi dengan menyisipkan rumus luas yang sesuai. Luas bidang aliran kalor dalam sistem silinder adalah A r = 2πrL Sehingga hukum Fourier menjadi r = ka r dt dr
ro ri r dr L Ti R th ln( ro / ri) R th = To 2 π kl ln( ro / ri) = 2 π kl Gambar 2.2 Aliran kalor satu-dimensi melalui silinder bolong dan analogi listriknya Atau dt r = 2πkrL (2.4) dr Dengan kondisi batas T= T i pada r = r T = To pada r = r Penyelesaian persamaan 2.18 adalah i o 2 kl( Ti To ) = π (J.P. Holman: Perpindahan Kalor hal 30) (2.5) ln( r / r ) o Dimana: = Laju perpindahan kalor (W) i k = Konduktifitas thermal benda (W/m.ºC) L = Panjang benda (m) ( Ti To ) = Beda temperatur di dalam silinder dengan luar silinder (ºC) r o = Jari-jari luar silinder (m) r i = Jari-jari dalam silinder (m)
Konsep tahanan thermal dapat juga digunakan untuk dinding lapis rangkap berbentuk silinder, seperti halnya dengan dinding datar. Untuk sistem tiga lapis seperti pada gambar 2.8 penyelesaiannya adalah : = ln( r / r ) / k 2 1 A 2πL( T1 T4 ) + ln( r / r ) / k + ln( r / r ) / k 3 2 B 4 3 C (2.6) Sistem berbentuk bola dapat ditangani sebagai suatu dimensi apabila suhu berfungsi sebagai jari-jari saja aliran kalornya menjadi : 4 k( T T ) i o = π (2.7) 1/ r 1/ r i o r1 T1 A B C r2 T2 r3 T3 r4 T4 RA RB RC T1 T2 T3 T4 ln( r2 / r1) 2πk L A ln( r3/ r2) 2πk L B ln( r4 / r3) 2πk L C Gambar 2.3 Aliran kalor satu-dimensi melalui penampang silinder dan analogi listriknya 2.7.2 Konduktivitas Termal Persamaan 2.17 merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal. Berdasarkan rumus itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan nilai kondiktivitas termal berbagai bahan. Untuk meramalkan konduktivitas termal zatcair dan zat padat ada teori-teori yang digunakan dalam berbagai situasi tertentu. Mekanisme konduktivitas termal pada gas cukup sederhana. Energi kinetik molekul ditunjukan oleh suhunya, jadi pada bagian bersuhu tinggi molekul-molekul mempunyai kecepatan yang lebih tinggi dari pada
yang berada dibagian yang bersuhu rendah, molekul-molekul ini selalu berada dalam gerakan acak saling bertumbukan satu sama lain dinama terjadi pertukaran energi dan momentum. Jika suatu molekul bergerak dari daerah yang bersuhu tinggi kedaerah yang bersuhu rendah, maka molekul itu akan mengangkut energi kebagian sistem suhu yang lebih rendah Nilai konduktivitas termal beberapa bahan diberikan pada tabel 2.1 dibawah ini. Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Konduktivitas termal Bahan W/m.ºC Btu/h.ft. ºF Logam Perak (murni) Tembaga (murni) Alumunium (murni) Nikel (murni) Besi (murni) Baja karbon Timbal (murni) Baja krom nikel (18% Cr, 8%Ni) Zinc (murni) Bukan logam Kuarsa Magnesit Marmar Batu pasir Kaca jendela Kayu mapel Serbuk gergaji Wol kaca Zat cair Air raksa Air Amonia Minyak lumas SAE 50 Freon 12, CCl 2 F 2 Gas Hidrogen Helium Udara Uap air Karbon dioksida 410 385 202 93 73 43 35 16,3 112,2 41,6 4,15 2,08-2,94 1,83 0,78 0,17 0,59 0,038 8,21 0,556 0,540 0,147 0,073 0,175 0,141 0,024 0,0206 0,0146 (J.P. Holman: Perpindahan Kalor hal 7) 237 223 117 54 42 25 20,3 9,4 24 2,4 1,2-1,7 1,06 0,45 0,096 0,034 0,022 4,47 0,327 0,312 0,085 0,042 0,101 0,081 0,0139 0,0119 0,00844