PROSES ADIABATIK PADA REAKSI PEMBAKARAN MOTOR ROKET PROPELAN DADANG SUPRIATMAN STT - JAWA BARAT 2013
DAFTAR ISI JUDUL 1 DAFTAR ISI 2 DAFTAR GAMBAR 3 BAB I PENDAHULUAN 4 1.1 Latar Belakang 4 1.2 Rumusan Masalah 5 1.3 Tujuan 5 BAB II PEMBAHASAN 6 2.1 Sistem dan Lingkungan 6 2.2 Jenis Sistem Termodinamika 6 2.3 Hukum-hukum Dasar Termodinamika 7 2.4 Hukum I Termodinamika 8 2.5 Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses Termodinamika 8 2. 6 Proses Terbalikkan dan Proses Tak Terbalikkan 11 2.7 Mesin Kalor 12 2.8 Motor Roket Propelan 13 2.9 Ekspansi Adiabatik Motor Roket Propelan 14 2.10 Suhu Nyala Adibatik Motor Roket Propelan 16 BAB III KESIMPULAN 17 Halaman 2
DAFTAR GAMBAR Gb.1 Skema sistem temodinamika 6 Gb.2 grafik proses isotermal 9 Gb.3 grafik proses adiabatik 9 Gb.4 grafik isokhorik 10 Gb.5 grafik isobarik 10 Gb. 6 Proses Terbalikkan dan Tak terbalikkan 11 Gb 7. Siklus Proses Termodinamika 12 Gb 8. Siklus Carnot 13 Gb 9. Ekspansi Motor Roket Propelan 14 Gb 10. Temperatur Nyala Adiabatik Motor Roket 16 Halaman 3
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Termodinamika berasal dari kata thermos yang berarti panas dan dynamic yang berarti perubahan. Secara umum, termodinamika memiliki beberapa pengertian, Termodinamika dalam arti sempit merupakan salah satu cabang dan usaha (kerja), serta sifat-sifat zat yang mendukung hubungan tersebut. Hubungan atau pertukaran ini didasarkan pada hukum pertama dan kedua termodinamika. Ilmu Alam (Fisika) yang mempelajari materi yang ada dalam keseimbangan terhadap perubahan suhu, tekanan, dan komposisi kimia. Termodinamika juga merupakan ilmu yang mempelajari hubungan antara panas dan usaha (kerja), serta sifatsifat zat yang mendukung hubungan tersebut. Hubungan atau pertukaran ini didasarkan pada hukum pertama termodinamika. Termodinamika memusatkan perhatiannya pada paham tentang: 1. Energi yang kekal 2. Proses yang menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi tapi proses yang menghapuskan entropi mustahil terjadi. Termodinamika sangat penting dalam kimia, sebab dengan menggunakan termodinamika kita dapat memperkirakan apakah suatu reaksi akan berlangsung atau tidak,dan apabila reaksi itu berlangsung, dapat dicari kondisi yang bagaimana supaya dapat di hasilkan produk yang maksimum. Prinsip-prinsip dan metode-metode termodinamika digunakan untuk: 1. Menjelaskan kerja beberapa sistem 2. Menjelaskan mengapa suatu sistem tertentu tidak bekerja seperti yang diinginkan 3. Menjelaskan mengapa suatu sistem sama sekali tidak mungkin bekerja 4. Dasar teoritik insinyur perencana dalam merencanakan sistem atau mesin-mesin Salah satu hukum termodinamika adalah hukum termodinamika pertama yang menyatakan bahwa perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap Halaman 4
sistem. Proses adiabatik merupakan salah satu proses dalam termodinamika, dalam proses adibiatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q = O). Proses adibiatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Salah penerapan konsep proses adiabatik adalah dalam reaksi pembakaran motor roket propelan. Roket propelan adalah material yang digunakan oleh roket untuk menghasilkan rekasi kimia, untuk reaksi keseluruhan (reaksi propulsive) dengan kecepatan tinggi. Pada propelan roket terjadi reaksi eksotermis yang menghasilkan gas panas. Konsep adiabatic termal dan ekspansi adiabatik digunakan untuk menjelaskan reaksi pembakaran pada motor roket propelan. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah di atas, rumusan masalah dalam makalah ini adalah : 1. Bagaimana konsep hukum termodinamika 2. Bagaimana penerapan proses adiabatik dalam reaksi pembakaran motor roket propelan 1.3 Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk memahami konsep hukum termodinamika dan mengetahui penerapan proses adiabatic dalam reaksi pembakaran motor roket propelan Halaman 5
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Sistem dan Lingkungan Suatu sistem termodinamika adalah suatu masa atau daerah yang dipilih untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem (boundary), seperti terlihat pada Gambar 1. Dalam aplikasinya batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak. Batas Sistem LINGKUNGAN sistem Gb.1 Skema sistem temodinamika 2.2 Jenis Sistem Termodinamika Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan: 1. Sistem Terisolasi Pada sistem ini tidak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi. Halaman 6
2. Sistem Tertutup Pada sistem ini terjadi pertukaran energi tapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup dimana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya: a pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas. b pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja. 3. Sistem Terbuka Pada sistem ini terjadi pertukaran energi dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka. 2.3 Hukum-hukum Dasar Termodinamika Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu: Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hukum Pertama Termodinamika Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum kedua Termodinamika Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Halaman 7
Hukum ketiga Termodinamika Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. 2.4 Hukum I Termodinamika Hukum termodinamika pertama berbunyi Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain. Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi di dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Berdasarkan hukum kekekalan energi maka Hukum I Termodinamika dirumuskan: Yaitu : U = Q + W Dengan : U = U2-U1 Jadi, hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha, & energi dalam. Hukum I termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi perubahan energi dalam & usaha. 2.5 Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses Termodinamika Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses, yaitu: 1. Proses Isotermal Dalam proses ini, suhu sistem dijaga agar selalu konstan. Suhu gas ideal berbanding lurus dengan energi dalam gas ideal dan tekanan sistem berubah penjadi (tekanan sistem berkurang). Halaman 8
Gb.2 grafik proses isotermal 2. Proses Adiabatik Dalam proses adibiatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q = O). Proses adibiatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir kedalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adibiatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Proses dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem. Gb.3 grafik proses adiabatik Halaman 9
3. Proses Isokhorik Dalam prose isokhorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem selalu konstan, maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem. Gb.4 grafik isokhorik 4. Proses Isobarik Dalam proses isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan maka perubahan energi dalam ( U),kalor (Q), dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada dan bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetep utuh seperti semula. Gb.5 grafik isobarik Halaman 10
2. 6 Proses Terbalikkan dan Proses Tak Terbalikkan Secara alami kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, tidak sebaliknya. Balok meluncur pada bidang, tenaga mekanik balok dikonversikan ke tenaga internal balok & bidang (kalor) saat gesekan. Proses tersebut termasuk proses tak terbalikkan (irreversible). Kita tidak dapat melakukan proses sebaliknya. Proses terbalikkan terjadi bila sistem melakukan proses dari keadaan awal ke keadaan akhir melalui keadaan setimbang yang berturutan. Hal ini terjadi secara quasi-statik. Sehingga setiap keadaan dapat didefinisikan dengan jelas P, V dan T-nya. Sebaliknya pada proses irreversible, kesetimbangan pada keadaan perantara tidak pernah tercapai, sehingga P,V dan T tak terdefinisikan. pasir p irreversible f i reversible V Gb. 6 Proses Terbalikkan dan Tak terbalikkan Halaman 11
2.7 Mesin Kalor Rangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama disebut siklus. p 2 3 1 4 Gb 7. Siklus Proses Termodinamika V Untuk sebuah siklus, T = 0 oleh karena itu U = 0. Sehingga Q = W. Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q 1 ) dan kalor yang keluar (Q 2 )(Q = Q 1 - Q 2 ) dan W adalah kerja total dalam satu siklus. Siklus Carnot Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien. Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis. Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur T h (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor T h dari reservoir dan melakukan usaha W ab menggerakkan piston. Halaman 12
Q h a bb d Qc c Gb 8. Siklus Carnot Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari T h ke T c (temperatur rendah) dan melakukan usaha W ab. Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur T c (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Q c dari reservoir dan mendapat usaha dari luar W cd. Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari T c ke T h dan mendapat usaha W da. Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot : η = W/Q h = 1 - Q c /Q h karena Q c /Q h = T c /T h (buktikan) maka η = 1 - T c /T h 2.8 Motor Roket Propelan Pada dunia peroketan, proses pembuatan propelan untuk motor roket padat dapat dilakukan dengan dua cara yaitu free standing dan case bonded. Pada cara yang pertama, propelan dibuat menggunakan tabung cetakan. Propelan yang dihasilkan dilapisi protektor Halaman 13
termal terlebih dahulu dan dimasukkan ke dalam tabung motor roket. Celah antara propelan dan dinding tabung diisi dengan material penahan panas (liner dan insulator). Sebaliknya, pada metode case bonded, propelan langsung dicetak ke dalam tabung motor roket yang sebelumnya sudah dilapisi dengan liner. Cara yang kedua (case bonded) lebih efisien karena motor roket akan dapat berisi propelan lebih maksimal dari pada cara pertama (free standing). Roket dibuat dengan gaya dorong dengan menghilangkan massa mundur dalam kecepatan tinggi (hukum Ketiga Newton). Gaya dorong dibuat dengan mereaksikan propelan dalam ruang pembakaran menjadi gas yang sangat panas pada tekanan tinggi, yang kemudian diperluas dan dipercepat oleh bagian melalui nozzle di bagian belakang roket. Besarnya gaya ke depan yang dihasilkan, dikenal sebagai dorong, yang dihasilkan adalah laju aliran massa propelan dikalikan dengan kecepatan ruang pembuangan (relatif terhadap roket), sebagaimana ditentukan oleh hukum ketiga Newton tentang gerak. 2.9 Ekspansi Adiabatik Motor Roket Propelan Pada saat pelepasan material propelan, terjadi proses adiabatic. Volume udara akan meningkat, karena adanya penurunan tekanan dan terkait dengan penurunan gaya dorong. Dalam kondisi tersebut proses adiabtik terjadi (tidak ada transfer panas yang terjadi selama proses ekspansi pada sepersekian detik), yang terkait dengan variasi waktu dan tekanan terhadap volume. Gb 9. Ekspansi Motor Roket Propelan Halaman 14
Proses ekspansi adiabatik diturunkan dari persamaan energi gas ideal dan dikembangkan mengikuti persamaan berikut : Dimana : Po adalah tekanan awal absolute (Pa) Vo adalah volume awal udara terkompresi (m 3 ) k adalah rasio kapasitas panas spesifik (k=1.4 untuk udara) P, V adalah variasi tekanan dan volume Proses pembakaran roket motor propelan dianggap mengikuti gas ideal selama proses berlangsung dan mengabaikan energi potensial atau kinetic yang terjadi dan bentuk persamaan energi yang sederhana untuk sistem kompressibel : δq - δw = du Dimana δq = 0 adalah transfer panas (setara dengan nol untuk proses adiabatic). Sebagai catatan bahwa δ (delta) mengindikasikan bahwa panas dan kerja adalah bagian dari fungsi. δw = P dv adalah kerja batas spesifik yang dilakukan dengan expanding udara terkompresi (J/kg) dan V adalah spesifik volume udara (m 3 /kg). Catatan bahwa V = m v, dimana m adalah massa. du = Cv dt adalah perubahan energi internal (dalam) udara, Cv adalah kapasitas panas spesifik pada volume konstan udara (J/kg K) dan T merupakan suhu absolute (K). Sehingga P dv + Cv dt = 0 Persamaan gas ideal Pv = R T (R adalah konstanta gas) diperoleh : P dv + v dp = R dt Halaman 15
Disubsitusikan ke dalam persamaan energi, didapatkan : P dv (1 + Cv/R) + v dp (Cv/R) = 0 2.10 Suhu Nyala Adibatik Motor Roket Propelan Suhu nyala adiabatic adalah suhu yang dicapai oleh reaksi pembakaran secara adiabatik, bahwa tidak ada panas yang keluar ataupun masuk dalam sistem. Temperatur maksimum yang dapat dicapai untuk reaktan yang diberikan dan digunakan untuk memperkirakan temperatur chamber pembakaran (Tc) pada motor roket. Berikut contoh grafik temperatur nyala adiabatic versus tekanan chamber pembakaran untuk oksigen cair dan kerosene pada perbandingan 3 campuran yang berbeda. Perbandingan percampuran yakni 2.20, 2.25 dan 2.30 pada tekanan 75 atmosfer dimana temperatur nyala yang diberikan sekitar 3.545 Kelvin. Gb 10. Temperatur Nyala Adiabatik Motor Roket Halaman 16
BAB III KESIMPULAN Berdasarkan uraian pada makalah di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Suatu sistem termodinamika terkait dengan panas dan kerja yang terjadi dalam suatu sistem dan lingkungan. 2. Hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses, yaitu: proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan proses adiabatik. 3. Pada reaksi pembakaran motor roket propelan menerapkan prinsip proses adiabatik yakni tidak ada transfer panas yang terjadi (tidak ada panas yang masuk maupun keluar dari sistem). Transfer panas yang terjadi = 0. Halaman 17