Aplikasi Efek Joule Thomson ( Uzlivatul Jamillah/ 16630039)

Aplikasi Efek Joule Thomson ( Uzlivatul Jamillah/ 16630039)

   Desember 09, 2017       Unknown

---

APLIKASI EFEK JOULE THOMSON

GEROBAK PENDINGIN

Uzlivatul Jamilah

uzlivajamilah98@gmail.com

Dalam gerobak berpendingin ini terdiri dari dua unit atau komponen utama, yaitu unit daya dan unit refrigrasi. Di unit daya, gerobak menggunakan accumulator sebagai sumber energi untuk memberikan energi saat penggunaan refrigerator dengan menggunakan inverter maka dalam penggunaannya dapat di charger dalam kondisi tidak tersambung dengan arus PLN. Accumulator yang digunakan yaitu 12 volt sebanyak 2 buah dengan dibantu menggunakan inverter arus AC, accumulator tersebut mampu untuk diberikan beban daya 80 A Kemudian di unit refrigrasi, gerobak menggunakan refrigrator untuk merekayasa termal dalam gerobak sehingga suhu dapat disesuaikan dengan suhu rata-rata normal produk.

Perlunya memperhatikan rancangan struktural ini agar alat dapat bekerja maupun digunakan secara optimal. Pemilihan desain konstruksi alat dan pemilihan bahan untuk pembuatan alat seperti besi siku dilakukan agar alat lebih kokoh dan kuat. Selain itu menggunakan atap fiber karena dimasudkan supaya tahan karat dan mudah dibersihkan, kemudian pada penggunaan kaca penutup ukuran 7 mm supaya tahan getaran dan memiliki jarak tembus sinar matahari yang cukup kecil sehingga tidak terlalu berpengaruh terhadap suhu dalam ruang pendingin.

                           

Mekanisme Kerja Alat Gerobak pendingin ini memperoleh sumber energi dari accumulator, kemudian dari pembangkit daya ini menghidupkan refrigrator untuk mendinginkan ruangan. Suhu di atur menggunakan termokopel atau sensor suhu agar suhu di dalam gerobak konstan.

Alat ini cukup potensial dikembangkan untuk menjadi suatu usaha baru atau inovasi usaha bagi para penjual sayur dan buah. kebutuhan masyarakat yang meningkat dan berbanding terbalik dengan kualitas, usaha dengan menggunakan alat ini akan cukup optimal dalam pemasaran produk kualitas supermarket di jalanan.  Dengan penggunaan alat tersebut, yaitu produk menjadi lebih segar, terhindar dari debu, lebih higienis, dan terhindar dari lalat.

Pengaturan suhu yang baik merupakan cara yang efektif untuk menurunkan tingkat kehilangan hasil dan mempertahankan kualitas buah-buahan dan sayur-sayuran. Suhu yang rendah, tetapi tidak terlalu  rendah, dapat menyebabkan terjadinya penurunan aktivitas fisiologi sehingga buah menjadi rusak. Suhu yang rendah juga menurunkan laju pertumbuhan mikroba dan laju pembusukan. Pendinginan merupakan cara yang efektif untuk menjaga kualitas buah-buahan dan sayur-sayuran. Terdapat berbagai metode pendinginan yang digunakan, antara lain adalah kamar pendingin (room cooling), udara pendingin yang bertekanan (forced-air cooling),  air pendingin (hydrocooling), pendingin dengan ruangan hampa (vacuum colling), dan pengemasan dengan lapisan es (package icing). Namun selain sistem pendingin di atas, terdapat juga pendinginan yang biasa digunakan untuk membekukan ice cream, yaitu karbondioksida padat atau kriogenik. Kriogenik ini dapat menghasilkan suhu hingga -40oC. Prinsip kerja proses kriogenik adalah pemanfaatan energi pribadi gas umpan berdasarkan efek Joule Thomson. Proses kriogenik ini berlangsung dalam suatu peralatan yang disebut  cold box. Di dalam cold box  ini berisi alat penukar panas dan separator  yang diisolasi dengan  perlite ( S Bagijo, Junaedi, Azhari, 2010).

Penyimpanan buah-buahan dan sayur-sayuran segar dapat memperpanjang daya gunanya dan dalam keadaan tertentu dapat memperbaiki mutunya. Tujuan utama penyimpanan adalah pengendalian laju transpirasi, respirasi, infeksi penyakit, dan mempertahankan produk dalam bentuk yang paling berguna bagi konsumen (Pantastico, 1986). Penyimpanan sayuran yang tepat sangat diperlukan agar sayuran dan buah-buahan tetap berkualitas, baik penampilan fisik maupun kandungan gizinya. Selama penyimpanan sayuran akan mengalami berbagai perubahan yang disebabkan oleh faktor dari dalam sayuran itu sendiri dan kondisi penyimpanannya. Faktor suhu dan kelembaban sangat berpengaruh pada proses penyimpanan. Penyimpanan sayuran pada suhu 5-8 0C seperti pada lemari es dapat menghambat kegiatan respirasi dan metabolisme sayuran, proses penuaan, kehilangan air dan pelayuan, kerusakan oleh bakteri dan kapang, serta proses pertumbuhan yang tidak dikehendaki seperti pertunasan pada kentang (Novary 1999). Proses penyimpanan dengan udara terkendali merupakan pembaharuan yang paling penting dalam penyimpanan buah-buahan dan sayur-sayuran sejak penggunaan pendinginan mekanik. Cara ini bila dikombinasikan dengan pendinginan, dengan nyata menghambat kegiatan respirasi, dan dapat menunda pelunakan, penguningan, perubahan-perubahan mutu, dan prosesproses penguraian lainnya dengan mempertahankan atmosfer yang mengandung lebih banyak CO2 dengan lebih sedikit O2 daripada dalam udara biasa. Penyimpanan dalam suhu rendah juga dapat memperpanjang umur simpan, karena dapat menurunkan respirasi, memperkecil transpirasi, dan menghambat perkembangan mikroba (Darsana 2003).

Mesin refrigerasi Joule Thomson (J-T) saat ini sedang dikembangkan untuk aplikasi kriogenik menggantikan sistem refrigerasi Linde. Refrigerasi linde bekerja dengan prinsip bahwa di bawah temperature inversinya, gas mendingin pada pemuaian. Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui kondisi-kondisi di mana µ positif: hal ini digambarkan untuk tiga jenis gas (Atkins,P.W. 1996).

                                  Gambar 2. Tanda Koefisien Joule Thomson

            Sesudah sumbat berpori, temperature turun sampai di bawah temperature pengembunan, dan terbentuk cairan.

Mesin refrigerasi Joule-Thomson (J-T) adalah  salah satu jenis dari beberapa macam  mesin refrigerasi bertemperatur sangat rendah dan lainlain, mesin refrigerasi  J-T dapat mencapai suhu lebih rendah sampai di bawah – 60oC (Sumeru, Tandi, 2009). Pada mesin refrigerasi J-T, yang terdiri dari komponen-komponen : kompresor, aftercooler, penukar kalor (counterflow heat exchanger), katup ekspansi dan evaporator, COP-nya tergantung dari efektifitas dari penukar kalor dan tekanan refrigeran di dalam sistem (Xue at. al, 2001). Salah satu komponen penting di dalam mesin refrigerasi J-T adalah alat penukar kalor (heat exchanger), berupa koil pipa helical, dimana terjadi transfer kalor di antara fluida berbeda temperatur yang mengalir dari bagian aftercooler dan dari evaporator. Pada Gambar 3 terlihat diagram sistem refrigerasi Joule- Thomson. 

Mesin refrigerator yang digunakan adalah lemari es untuk pendinginan. Pendingin atau refrigerator yang umumnya berdiri tegak pada alat ini dibuat tidur atau horisontal. Hal ini juga membuat ada sedikit modifikasi pada mesin pendingin dengan mengubah posisi kompresor supaya tetap tegak lurus. Penambahan perangkat daya untuk menjalankan lemari pendingin ini pun sudah diberikan yaitu dengan 2 perangkat  accumulator 12 V dan seperangkat inverter 1000 VA.

Pada Gambar 4, terlihat perbedaan sistem refrigerasi Linde dan Joule Thomson, dimana kelebihan sistem  refrigerasi J-T adalah tekanan kerjanya lebih rendah. 

              Penukar kalor pipa helical juga dapat ditemukan di dalam banyak aplikasi lain seperti pada : pemrosesan makanan, reaktor nuklir, pemanfaatan panas terbuang (heat recovery system), proses kimia dan lain-lain. Koil pipa helical cocok untuk berbagai proses seperti penukar kalor dan reaktor, karena ia dapat berperan dengan baik sebagai pemindah kalor yang cukup besar dalam ruang yang kecil. Karena perannya yang cukup banyak di dalam berbagai aplikasi, maka kajian tentang karakteristik efektifitas dan perpindahan  kalor di dalam heat exchanger menjadi hal yang sangat penting untuk diteliti.  Prestasi kerja sistem refrigerasi J-T sangat tergantung dari karakteristik perpindahan kalor di dalam heat exchanger dengan ditandai oleh kecepatan pencapaian temperatur, temperatur rendah dan lama operasi (Yong-Ju Hong, at al.,2009).  

                             

                                Gambar 5. Gerobak pendingin

DAFTAR PUSTAKA

Atkins, P.W. Kimia Fisika. Jakarta: Erlangga.

Darsana, Linayanti dkk. 2003. Pengaruh Saat Panen dan Suhu Penyimpanan terhadap Umur Simpan dan Kualitas Mentimun Jepang (Cucumis Sativus L.). Agrosains : Volume 5 No. 1.

Hong,Yong-Ju, Seong-Je Park, and Young-Don Choi, 2009. A Numerical Study of the Performance of a Heat Exchanger for a Miniature Joule-Thomson Refrigerator. International Cryocooler Conference, Boulder, CO. Hal 379-386

Novary, Eti Widayanti. 1999. Penanganan dan Pengolahan Sayurann Segar. Jakarta: PT Penebar Swadaya.

Pantastico, Er.B. et al. 1986. Fisiologi Pasca Panen Penanganan dan Pemanfaatan Buah-buahan dan Sayur-sayuran Tropika dan Subtropika. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press.

S, Bagijo Budi, Junaedi, Azhari, K.A Fahmi. 2010. Penggantian Purge Gas Recovery Unit Pabrik Amoniak Pusri IV dengan Teknologi Membran. Seminar Rekayasa Kimia dan Proses; 4-5 Agustus 2010; Semarang. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. Hal: 13.

Sumeru, Tandi S. 2009. Analisis Pengujian Mesin Pendingin Joule-Thomson Temperatur Rendah Menggunakan Refrigeran Binary Mixture. Jurnal RACE, Jurnal Refrigerasi, Tata Udara            dan Energi, Politeknik Negeri Bandung. Vol.3 No.3,Nov. Hal: 367-375.

Xue, H., K.C. Ng, J.B. Wang, 2001. Performance evaluation of recuperative heat exchanger in a miniature Joule-Thomson cooler. Applied Thermal Engineering 21, 1829 – 1844.

Read More

Eksperimen Joule (Hanif Nur Rozaq/ 16630009)

Eksperimen Joule (Hanif Nur Rozaq/ 16630009)

   Desember 06, 2017       Unknown

---

EKSPERIMEN JOULE

Oleh: Hanif Nur Rozaq

16630009

Jurusan Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim Malang

Agniyanurrozaq20gmail.com

Abstrak: Salah satu asumsi dasar dari Kinetic Theory of Gases adalah bahwa tidak ada atraksi antara molekul dari gas. Ideal gas dapat dianggap sebagai satu yang akan digunakan adalah molekular atraksi diabaikan. Percobaan Joule merupakan cikal bakal adanya Hukum Pertama Termodinamika yang berbunyi energy dalam suatu system besarnya tetap kecuali jika diubah dengan melakukan kerja atau dengan adanya pemanasan. Hukum termodinamika pertama diterapkan pula oleh Joule dengan menghubungkan dua bejana untuk menentukan kesetaraan energy keduanya.

Kata Kunci:  Hukum termodinamika I, Kalor, Usaha, Eksperimen Joule

Dasar Teori

Energi internal system merupakan jumlah total semua energy molekul dalam system. Energi  internal system akan meningkat jika usaha yang dikerjakan oleh system atau jika kalor ditambahkan padanya. Demikian pula energy internal akan berkuang jika kalor mengalir keluar dari system atau jika usaha dilakukan oleh system terhadap suatu benda yang ada disekitarnya. Peubahan energy internal merupakan sebuah system tertutup, atau ∆U yang nilainya akan sama dengan energy yang ditambahkan ke system melalui pemanasan ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh system pada sekelilingnya. Dalam bentuk persamaan kita dapat menuliskannya( Giancolli, 2014).

∆U= Q +W

Di mana Q adalah kalor neto yang ditambahkan pada system dan W adalah usaha neto yang dilakukan oleh system. Persamaan 1 dikenal sebagai hukum termodinamika pertama.

Bunyi dari hukum termodinamika pertama yaitu(Atkins, 1990):

“Energi dalam (entalpi) suatu system besarnya tetap kecuali jika diubah dengan melakukan kerja atau dengan pemanasan”.

Hukum ini merupakan salah satu hukum penerapan dalam bidang fisika yang hebat dan validitasnya bergantung pada eksperimen (seperti eksperimen joule) dimana tidak ada perkecualian pernah terlihat. Karena Q dan W mempresentasikan energy yang dipindahkan ke dalam atau hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan yang hebat dan luas jika dikaitkan dengan hukum konservasi energy(Giancolli, 2011).

Terdapat integrasi dalam al- Qur’an yang dikiaskan dengan hukum termodinamika 1 berkaitan dengan penambahan kerja berupa pemanasan, yaitu pada Surah an- Nahl ayat 13 yang berbunyi:

وَمَا ذَرَأَ لَكُمْ فِي الْأَرْضِ مُخْتَلِفًا أَلْوَانُهُ ۗ إِنَّ فِي ذَٰلِكَ لَآيَةً لِقَوْمٍ يَذَّكَّرُونَ

(١٣: النحل)

Artinya: “dan (Dia juga mengendalikan) apa yang Dia ciptakan untukmu di bumi ini dengan berbagai jenis dan macam warnanya. Sungguh, pada yang demikian itu benar-benar terdapat tanda (kekuasaan Allah) bagi kaum yang mengambil pelajaran.” (Q.S an- Nahl ayat 13).

Dalam ayat diatas disebutkan bahwa Allah menciptakan untuk manusia di bumi dengan berbagai macam baik warna dan jenis agar manusia dapat mengambil pelajaran darinya. Ayat ini dapat dikiaskan bahwa Allah menciptakan sesuatu yang tidak dapat dilihat oleh manusia akan tetapi masih bisa dirasakan contohnya adalah kalor atau panas. Allah menciptakan kalor atau panas yang sangat dibutuhkan oleh makhluk hidup maupun untuk kepentingan sains agar manusia dapat mengambil suatu hikmah dari penciptaan kalor atau panas.

James Prescott Joule, seorang ilmuan Inggris yang namanya diabadikan dalam satuan Joule lahir di Salford, Lancashire, Inggris pada tanggal 24 Desember 1818. Joule merumuskan hukum kekekalan energy yaitu “energy tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan”.(Moran,2007).

Joule melakukan beberapa percobaan yang terkenal dan pada akhirnya beliau merumuskan adanya hukum termodinamika pertama satu diantaranya yaitu sebuah percobaan yang tidak akan melibatkan arus listrik. Peralatannya hanya terdiri  dari roda jantera kuningan yang memutar air di dalam wadah tembaga. Ketika jatuh, beban tadi memiliki energy mekanis atau gerak. Joule menjatuhkan beban tadi berkali- kali. Jumlah kenaikannya bergantung pada jarak beban yang dijatuhkan. Hal ini membuktikan bahwa energy gerak beban juga bisa diperoleh dengan memanaskan air diatas kompor. Joule menentukan bahwa sejuamlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukn kalor tertentu. Joule menghubungkan kalor dengan usaha yaitu(Kaufman,2002):

a.       Kalor merupakan suatu bentuk energy yang dapat berpindah dari lingkungan ke suatu system atau sebaliknya karena ada perbedaan suhu antara suatu system dengan lingkungannya tanpa pengaruh dari luar, kalor akan selalu berpindah dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah.

b.      Usaha juga merupakan suatu bentuk perpindahan energy melalui gaya yang dilakukan system pada lingkungan atau sebaliknya dimana titik tangkap gaya mengalami perpindahan.

Pada percobaan Joule tersebut terjadi kenaikan suhu air yang dapat disebabkan oleh adanya aliran kalor akibat usaha yang dilakukan. Perubahan suhu air tentu akan menyebabkan perubahan energy kinetic partikel- partikel air dan pada akhirnya akan mengakibatkan perubahan energy dalam air(Kaufman,2002).

Selain itu, pada tahun 1834 Joule melakukan eksperimen untuk menentukan ketergantungan perubahan energy internal tehadap perubahan volume

  melalui pengukuran temperature(Fatimah, 2015 ).James Joule berpendapat ia dapat mengukur 

dengan mengamati perubahan temperature gas jika gas itu dibiarkan memuai ke ruang hampa udara(Atkins, 2014). Eksperimen ini diulangi oleh Keynes dan Sears pada tahun 1924 dengan skema kerja sebagaimana gambar 1. Alat ini terdiri dari dua bejana yaitu bejana A dan bejana B yabg ditempatkan pada tempat adiabatic. Pada awalnya bejana A diisi dengan gas dan bejana B dibuat dalam keadaan vakum. Jika katub antara kedua bejana dibuka maka akan terjadi aliran gas dari A ke B sehingga mencapai kesetimbangan. Perubahan temperature pada perubahan kesetimbangan ini dapat diukur(Fatimah, 2015 ).

Oleh karena kedua system dilindungi oleh keadaan adiabatic maka nilai 

artinya tidak ada panas yang keluar dari system serta aliran dari A ke B bersifat irreversible. Kedua system berada dengan volume masing- masing bejana tetap dan tidak ada perubahan tekanan dari luar system sehingga perubahan kerja juga nol(Fatimah, 2015 ).

Gambar 1. Skema eksperimen Joule (Fatimah, 2015)

Secara keseluruhan,

                 

                                               

Sehingga dapat diartikan bahwa proses adalah berada pada energy konstan. Secara ringkas dapat dikatakan bahwa eksperimen mempengaruhi perubahan temperature pada perubahan volume dengan kondisi internal konstan. Tetapan perubahan temperature seiring dengan perubahan volume kemudian sering disebut dengan koefisien Joule- Thomson  (Fatimah, 2015 ):

Perubahan energy internal merupakan fungsi keadaan sehingga merupakan deferensial eksak. Sebagai diferensal eksak, perubahan energy internal seiring dengan perubahan volume dan perubahan temperature dapat dinyakan dalam turunan parsial(Fatimah, 2015 ):

Oleh karena seting peralatan yang minim sehingga disimpulkan bahwa  

sangat kecil dan tidak sama dengan nol. Pada tahun 1853 John dan William Thomson melakukan eksperimen serupa dengan Joule tetapi dengan akurasi yang lebih baik(Fatimah, 2015).

Terdapat masalah dengan eksperimen Joule dalam praktiknya yaitu  meskipun memungkinkan mengisolasi bejana yang mengandung gas, bejana itu sendiri dan suhu yang ada dalam benjana akan menarik perangkat yang akan dipanaskan dengan menggunakan gas, hal tersebut  sangat mengurangi perubahan suhu yang teramati, karena koefisien Joule bernilai nol untuk gas ideal. Akan tetapi dapat menjadi kecil untuk gas nyata. Joule tidak mengamati perubahan suhu saat dia melakukan eksperimen di tahun 1840an. Kemudian, pengukuran yang lebih hati-hati memberi hasil yang bisa diamati, namun dengan sedikit presisi. Eksperimen ini setara dengan eksperimen Boyle yang menggali sifat pembatas yang penting yaitu sifat gas sempurna tanpa menemukan penyimpangan kecil yang merupakan sifat gas nyata(Atkins, 2014).

Kesimpulan

Hukum pertama termodinamika merupakan salah satu hukum penerapan dalam bidang fisika yang validitasnya bergantung pada eksperimen (seperti eksperimen joule). Eksperimen Joule meliputi dua aspek, aspek pertama yaitu Joule menghubungkan kenaikan suhu akibat dari usaha yang dilakukan sehingga berakibat perubahan energy kinetic partikel- partikel air dan mengakibatkan perubahan energy dalam air. Aspek kedua yaitu pengisolasian dua bejana yang satu diberi tekanan dan yang satu dibuat hampa udara. Jika katub yang memisahkan kedua bejana dibuka maka akan terjadi kesetimbangan yang dapat diukur. Akan tetapi terdapat kelemahan dari eksperimen Joule ini yaitu kapasitas kalor bejana sangat besar yang mengakibatkan perubahan suhu gas nyata sulit diukur.

Daftar Pustaka

Atkins, P. W. 1990. Kimia Fisika Jilid I Edisi Keempat. Diterjemahkan oleh: Irma I. Kartohadiprodjo. Jakarta: Erlangga.

Fatimah, Is. 2015. Kimia Fisika Edisi I Cetakan I. Yogyakarta. Deepublish.

Giancolli, C Douglas.2014. Fisika: Prinsip dan Aplikasi Edisi Ke Tujuh Jilid I.     Diterjemahkan oleh: Irzam Ardiansyah. Jakarta: Erlangga.

 

Kaufman, Myron. 2002. Principles of Thermodynamics. New York: Marcel Dekker, Inc.

Moran, Michael J. 2007. Termodinamika Teknik Jilid 2. Diterjemahkan oleh: Yulianto Sulistyo Nugroho. Jakarta: Erlangga.

Read More