Makalah Thermodinamika Kimia

Judul :

Makalah Thermodinamika Kimia

Penulis :

Riski, Lazuar, Sari

https://www.semuanyaadasaja.blogspot.com

BAB II 

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Termodinamika

Termodinamika merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mempelajari hubungan antara panas dan bentuk energi lain (kerja). pada mulanya, perkembangan termodinamika ditujukan untuk meningkatkan efisiensi motor bakar, namun akhir-akhir ini termodinamika banyak dipelajari kembali karena adanya krisis energi dunia.

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 di cari kondisi yang bagaimana supaya dapat di hasilkan produk yang maksimum.

Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Sepertitelah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gaya magnit, dan lain-lain . Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi.

Prinsip thermodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam maka nan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. 

Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses thermodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk Mekanisme untuk membantu Manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar thermodinamika. 

Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada abad ke 19.

Sifat utama termodinamika adalah keumuman hukum-hukum dasarnya, Berikut adalah penjelasan Hukum-hukum termodinamika :

1. Hukum awal (Hukum 0 Termodinamika)

Hukum ini menyatakan bahwa apabila dua buah benda yang berada didalam kesetimbangan thermal digabungkan dengan sebuah benda lain,maka ketiga-tiganya berada dalam kesetimbangan thermal.

Contoh : Ketika 3 Reaktor yang mengalami proses reaksi eksotermis, kemudian di dinginkan dengan cooling tower(Air Pendingin), maka pada waktu tertentu tercapailah kesetimbangan thermal antara 3 Reaktor yang berlangsung dengan proses reaksi eksotermis thp Cooling Tower (Air pendingin Reaktor).

2. Hukum Pertama 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 didalam 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. 

Aplikasi : Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanya hanya mentransfer dengan berbagai cara, misal : PLTU, PLTA dll

3. Hukum Termodinamika Kedua

Termodinamika hukum kedua terkait dengan entropi. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkatkan waktu,mendekati nilai maksimumnya.

Aplikasi : kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya, yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.

4. Hukum Termodinamika Ketiga

Hukum termodinamika ketiga terkait dengan temperatur nol absolut.Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut,semua proses akan berhenti da entropi sistem akan mendekati nilai minimum.Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Aplikasi : kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu yang sangat rendah,karena tidak banyak acakan gerakan kinetik dalam skala mokuler yang mengganggu aliran elektron.

2.2 Reaksi Eksoterm dan Endoterm

a. Reaksi Eksoterm adalah reaksi yang berlangsung dengan disertai perpindahan kalor dari sitem ke lingkungan. Pada reaski eksoterm energi dibebaskan, sehingga entalpi sistem berkurang dan perubahan entalpi bertambah negatif. Pada reaksi eksoterm, lingkungan menerima kalor sehingga terasa panas. Pada Proses Industri biasanya reaktor digunakan cooling tower (Air pendingin Reaktor yang gunanya sebagai penstabilan temperatur reaktor agar tidak over heat) . Contoh reaksi eksoterm adalah pembakaran.

b. Reaksi Endoterm adalah reaksi yang berlangsung dengan disertai perpindahan kalor dari lingkungan ke sistem. Pada reaksi endoterm diperlukan energi panas, sehingga perubahan entalpi sistem bertambah dan perubahan entalpi bertanda positif. Pada reaksi endoterm, lingkungan mengalami pengurangan kalor, sehingga suhu lingkungan turun. 

Contoh reaksi endoterm adalah reaksi antara barium hidroksida (Ba(OH)2) dan kristal Amonium Klorida (NH4Cl) dengan beberapa tetes air. Jika dilakukan pada tabung reaksi atau reaktor bagian dasar tabung atau reaktor akan terasa dingin karena sistem menyerap kalor dari lingkungan.

2.3 Pengertian Refrigerasi

Refrigerasi adalah suatu sistem, alat dan media yang berfungsi mengatur suhu hingga mencapai suhu di bawah ruangan dengan cara menyerap kalor dari suatu lingkungan kemudian melepaskannya ke lingkungan yang lain. Refrigerasi dicapai dengan melakukan penyerapan panas pada suhu rendah secara terus menerus, yang biasanya bisa dicapai dengan menguapkan suatu cairan secara kontinyu.

Penggunaan refrigerasi sangat dikenal pada sistem pendingin udara pada bangunan, transportasi, dan pengawetan suatu bahan makanan dan minuman. Penggunaan refrigerasi juga dapat ditemukan pada pabrik skala besar, contohnya proses dehidrasi gas, aplikasi pada industri petroleum seperti pemurnian minyak pelumas, reaksi suhu rendah dan proses pemisahan hidrokarbon yang mudah menguap.

Manfaat refrigerasi antara lain adalah sebagai berikut:

• Pengkondisian udara pada mangan dalam bangunan/rumah, sehingga temperatur di dalam bangunan/rumah lebih dingin dibanding di luar rumah. 
• Pengolahan/transportasi/penyediaan bahan-bahan makanan/minuman menjadi legis terhadap aktivitas mikro organisme.
• Pembuatan batu es dan dehidrasi gas dalam skala besar.
• Pemurnian minyak pelumas pada industri minyak bumi.
• Melangsungkan reaksi-reaksi kimia pada temperatur rendah.
• Pemisahan terhadap komponen-komponen hidrokarbon yang mudah menguap.
• Pencairan gas untuk mendapatkan gas mumi (O2 dan N2).

Refrigeran merupakan suatu media pendingin yang dapat berfungsi untuk menyerap kalor dari lingkungan atau untuk melepaskan kalor ke lingkungan. Refrigeran berfungsi sebagai media pendingin dengan menyerap kalor dari benda atau bahan lain seperti air atau udara ruangan, sehingga refrigeran tersebut dapat dengan mudah mengubah phasanya dari cair. Sifat-sifat fisik termodinamika refrigeran yang digunakan dalam sistem refrigerasi perlu diperhatikan agar sistem dapat bekerja dengan aman dan ekonomis.

Adapun sifat refrigeran yang baik adalah sebagai berikut:

• Tekanan penguapannya harus cukup tinggi, untuk menghindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volum metrik karena naiknya perbandingan kompresi.
• Tekanan pengembunan yang rendah sehingga perbandingan kompresinya rendah dan penurunan prestasi kompresor dapat dihindari.
• Kalor laten penguapan harus tinggi agar panas yang diserap oleh evaporator lebih besar jumlahnya, sehingga untuk kapasitas yang sama, jumlah refrigerant yang dibutuhkan semakin sedikit.
• Koefisien prestasi harus tinggi, ini merupakan parameter yang penting untuk menentukan biaya operasi.
• Konduktifitas thermal yang tinggi untuk menentukan karakteristik perpindahan panas.
• Viskositas yang rendah dalam fasa cair atau gas. Dengan turunnya tahanan aliran refrigerant dalam pipa kerugian tekanannya akan berkurang.
• Konstata dielektrik yang kecil, tahanan listrik yang besar serta tidak menyebabkan korosi pada material isolasi listrik.
• Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang digunakan sehingga tidak menyebabkan korosi.
• Refrigeran tidak boleh beracun dan berbau.
• Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan meledak.
• Dapat bercampur dengan minyak pelumas tetapi tidak merusak dan mempengaruhinya.
• Harganya murah dan mudah dideteksi jika terjadi kebocoran.

Refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis sesuai dengan unsur penyusunnya, yaitu:

1. Senyawa Halokarbon. Refrigeran yang memiliki satu atau lebih atom dari salah satu halogen yang tiga (klirin, fluorin, bromine).
2. Senyawa Anorganik. Senyawa anorganik sering digunakan pada masa awal perkembangan bidang refrigerasi dan pengkondisian udara.
3. Senyawa Hidrokarbon. Banyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran khususnya dipakai untuk industri perminyakan dan petrokimia.
4. Azeotrop. Campuran Azeotrop dua substansi adalah campuran yang tidak bisa dipisahkan menjadi komponen-komponennya dengan cara distilasi. Azeotrop menguap dan mengembun sebagai substansi tunggal yang sifatnya berbeda dengan sifat pembentuknya. 

2.4 Prinsip Kerja Regrigerasi 

Proses yang terjadi pada sistem regrefigerasi terdiri dari beberapa siklus, yaitu:

1. Kompresor memompa bahan pendingin melalui seluruh sistem. Kompresor menarik gas refrigerant dingin melalui jalur isap (suction line) dari evaporator freezer. Pada saat yang sama, mengompres gas dan mepompa ke discharge line (jalur tekanan tinggi). Gas yang terkompresi temperaturnya meningkat tajam dan memasuki kondensor.
2. Kondensor melakukan fungsi yang mirip dengan radiator di sebuah mobil. Kondensor adalah koil pendingin untuk gas refrigerant panas. Dalam kondensor, panas tersebut dikeluarkan ke ruang udara di luar kabinet. Selama proses ini, gas refrigerant melepas panas dalam kabin dan merubah ke bentuk cair. Lalu cairan pendingin panas meninggalkan kondensor dan memasuki tabung (pipa) kapiler, Dan filter dryer atau saringan menghapus segala uap air atau kotoran.
3. Tabung kapiler diukur dengan seksama panjang dan diameter dalam untuk mengukur arus refrigerant cair dengan jumlah yang tepat untuk alirkan sesuai yang dibutuhkan untuk setiap unit. Sebuah panjang yang telah ditetapkan tabung kapiler biasanya disolder di sepanjang bagian luarsuction line, membentuk penukar panas, yang membantu untuk mendinginkan refrigerant cair panas dalam tabung kapiler. Pipa Kapiler kemudian dihubungkan ke pipa yang lebih besar yaitu evaporator.
4. Refrigeran keluar dari tabung kapiler dan memasuki tabung yang lebih besar atau evaporator. Peningkatan mendadak dalam bentuk diameter pipa membentuk daerah tekanan rendah dan suhu refrigerant turun secara drastis karena perubahan dari cair ke campuran cair dan gas. Dalam proses melewati evaporator, refrigerant menyerap panas dari area sekelilingnya. Refrigerant kemudian secara bertahap berubah dari cair ke campuran cair dan gas ke gas.
5. Gas refrigerant bertekanan rendah meninggalkan koil evaporator sekarang memasuki akumulator, yang dirancang berbentuk silinder besar untuk menjebak cairan refrigeran yang tidak atau belum berubah menjadi gas di evaporator. Karena tidak mungkin untuk kompres cairan, akumulator mencegahre frigerant dalam bentuk cairan kembali ke kompresor. 
6. Gas refrigerant meninggalkan akumulator, kembali ke kompresor melalui garis isap, yang merupakan bagian dari panas exchanger, sehingga menyelesaikan siklus. Pengaruh penambahan pelat datar vertikal pada tube penukar panas dengan tambahan aluminium foil yang mengelilingi tube, dan pengaruh besar ruang yang terbentuk di sisi bagian dalam penukar panas dimana tubenya memiliki jarak tertentu dengan styrofoam (ada rongga). Diperkirakan besar rongga yang ada akan berpengaruh pada besar laju perpindahan panas yang terjadi, demikian pula dengan efisiensi penukar panas menyeluruh.

2.5 Komponen Sistem Refrigerasi 

a. Kompresor 

Kompressor adalah alat yang digunakan untuk menghisap uap refrigeran dan mengkompresinya sehingga tekanan uap refrigeran naik sampai ke tekanan yang diperlukan untuk pengembunan (kondensasi) uap refrigeran di dalam kondensor.

Kompresor bekerja dengan perbedaan tekanan sehingga bahan pendingin dapat mengalir dari satu bagian ke bagian yang lain dari sistem. Kompresor berfungsi untuk mengisap refrigeran dari evaporator dengan suhu dan tekanan rendah lalu memampatkan refrigeran tersebut sehingga tekanan dan suhunya meningkat untuk kemudian dialirkan ke kondensor. Berdasarkan sistem kerjanya, terdapat empat jenis kompresor, yaitu:

1. Kompresor Piston/Torak. Kompresor ini menggunakan silinder dan piston untuk memampatkan gas. Biasanya jenis ini banyak digunakan untuk memampatkan gas. Tipe kompressor piston mempunyai kelebihan dalam hal kekuatan kompresinya sehinnga banyak digunakan pada mesin pendingin dan AC.
2. Kompresor Sudu/vane kompressor. Kompresor jenis ini kebanyakan digunakan untuk lemari es, freezer dan pengkondisan udara rumah tangga, juga digunakan sebagai kompresor pembantu pada bagian tekanan rendah sistem kompresi bertingkat besar.
3. Kompresor Rotari, Sekrup atau Heliks. Kompresor jenis ini bekerja dengan sebuah screw atau ulir yang berputar dalam silinder sambil mendorong udara atau gas searah putaran ulir. Kelebihan dari jenis kompresor ini adalah suaranya yang lebih kecil, serta getaran yang lebih kecil dibandingkan dengan jenis piston.
4. Kompresor Sentrifugal. Kompresor ini banyak digunakan untuk memindahkan uap air. Gas atau udara yang dipindahkan bergerak searah dengan putaran kompresor. Biasanya jenis ini dipergunakan untuk memindahkan gas dalam jumlah besar dan kapasitas yang memerlukan kecepatan.

b. Kondensor

Kondensor berfungsi untuk membuang kalor yang diserap dari evaporator dan panas yang diperoleh dari kompresor, serta mengubah wujud gas menjadi cair. Jumlah kalor yang dilepaskan dalam kondensor sama dengan jumlah kalor yang diserap oleh refrigeran di dalam evaporator setara ekuivalen dengan energi yang diperlukan untuk melakukan kerja kompresi dan kalor dari sistem.

Uap yang mengalir melalui satu susunan pipa-pipa, diembunkan sewaktu bersentuhan dengan permukaan pipa-pipa yang dialiri cairan pendingin. Pipa-pipa ini permukaannya dijaga agar tetap bertemperatur rendah dengan mengalirkan cairan pendingin. Berdasarkan jenis zat pendingin yang digunakan, kondensor dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:

1. Air Cooled Condenser (menggunakan udara sebagai cooling mediumnya). Kalor dipindahkan dari refrigeran ke udara dengan menggunakan sirkulasi alamiah atau paksa. Kondensor dibuat dari pipa baja, tembaga dengan diberi sirip untuk memperbaiki transfer kalor pada sisi udara. Refrigeran mengalir di dalam pipa dan udara mengalir di luarnya. Air-cooled condensor hanya digunakan untuk kapasitas kecil seperti refrigerator dan small water cooler.
2. Water Cooled Condenser (menggunakan air sebagai cooling mediumnya). Kondensor jenis ini terbagi menjadi tiga jenis, yaitu: a). Shell and Tube Condenser (Kondensor tipe Tabung dan Pipa), digunakan pada kondensor berukuran kecil sampai besar. biasa digunakan untuk air pendingin berupa ammonia dan freon. b). Shell and Coil Condenser (Kondensor tabung dan koil), banyak digunakan pada unit pendingin dengan Freon refrigerant berkapasitas lebih kecil, misalnya untuk penyegar udara, pendingin air, dan sebagainya. c). Tube and Tubes Condenser (Kondensor jenis pipa ganda), merupakan susunan dari dua pipa coaksial dimana refrigerant mengalir melalui saluran yang terbentuk antara pipa dalam dan pipa luar yang melintang dari atas ke bawah. Sedangkan air pendingin mengalir di dalam pipa dalam arah berlawanan, yaitu refrigerant mengalir dari atas ke bawah.
3. Evaporative Condensor. Refrigeran pertama kali melepaskan kalornya ke air kemudian air melepaskan kalornya ke udara dalam bentuk uap air. Udara meninggalkan uap air dengan kelembaban yang tinggi seperti dalam cooling tower. Oleh karena itu kondensor evaporative menggabungkan fungsi dari sebuah kondensor dan cooling tower. Evaporative condensor banyak digunakan di pabrik-pabrik amoniak.

c. Katup Ekspansi 

Katup ekspansi digunakan untuk mengekspansi secara adiabatik cairan refrigeran yang bertekanan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat keadaan tekanan dan temperatur rendah. Katup ekspansi berfungsi untuk mengalirkan dan menurunkan tekanan refrigran dari kondensor supaya mudah menguap di dalam evaporator. Terdapat beberapa jenis katup ekspansi, yaitu:

1. PipaKapiler (Capilary Tube). Pipa kapiler adalah katup ekspansi yang umum digunakan untuk sistem refigerasi rumah tangga. Pipa kapiler adalah pipa tembaga dengan diameter lubang kecil dan panjang tertentu. Umumnya dengan diameter dalam 0,8 sampai 2,0 mm, dan panjangnya kurang dari 1 meter. Pipa kapiler dipasang sebagai pengganti katup ekspansi. Besarnya tekanan pipa kapiler bergantung pda ukuran diameter lubang panjang pipa kapiler.
2. Katup Ekspansi otomatis. Katup ekspansi otomatik termostatik berfungsi mengatur pembukaan katup, yaitu mengatur pemasukan refrigeran ke dalam evaporator, sesuai dengan beban pendinginan yang harus dilayani. Katup ekspansi otomatis menjaga agar tekanan hisap atau tekanan evaporator besarnya tetap konstan.
3. Katup ekspansi manual. Katup expansi manual adalah katup expansi dengan trotel yang diatur secara manual, yaitu menggunakan katup jarum yang berbeda dari katup stop yang biasa.
4. Katup ekspansi tekanan konstan (termotastik). Katup expansi tekanan konstan adalah katup expansi, dimana katup digerakkan oleh tekanan didalam evaporator, untuk mempertahankan supaya tekanan di dalam evaporator konstan. Katup ekspansi jenis ini mempertahankan besarnya panas lanjut pada uap refrigerant di akhir evaporator tetap konstan, apapun kondisi beban di evaporator.

d. Evaporator 

Evaporator juga disebut juga dengan boiler, freezer, froster, cooling coil, chilling unit dan lain-lain. Fungsi evaporator adalah untuk menyerap panas dari udara atau air di dalam ruangan yang didinginkan. Kemudian membuang kalor tersebut melalui kondensor di ruang yang tidak didinginkan.

Evaporator mempunyai fungsi berkebalikan dengan kondensor. Evaporator terletak di antara pipa kapiler dan kompresor, yang merupakan daerah sisi tekanan rendah dari sistem. Evaporator dibuat dari bermacam-macam logam, tergantung dari bahan pendingin yang dipakai dan pemakaian dari evaporator sendiri. Logam yang banyak dipakai besi, baja, tembaga, kuningan dan aluminium.

2.6 Cooling Tower (Air pendingin Reaktor)

Kegunaan air dalam proses industri sangat banyak sekali, selain sebagai air baku pada industri air minum dan pemutar turbin pada pembangkit tenaga listrik, juga sebagai alat bantu utama dalam kerja pada proses – proses industri. Selain itu juga air digunakan sebagai sarana pembersihan ( cleaning ) baik itu cleaning area atau alat – alat produksi yang tidak memerlukan air dengan perlakuan khusus atau cleaning dengan menggunakan air dengan kualitas dan prasyarat tertentu yang membutuhkan sterilisasi dan ketelitian yang tinggi. Dalam hal ini pembahasan difokuskan pada air sebagai penghasil energi kalor dan sebagai penyerap energi kalor ( pendingin) dalam industri pada umumnya, yaitu apabila Reaktor tersebut berlangsung dengan proses Eksotermis, Air pendingin ini bekerja untuk menstabilkan suhu atau menjaga suhu agar tidak Over Heat, yaitu menjaga suhu tetap pada temperatur yang diinginkan.

a. Air umpan boiler

Boiler adalah tungku dalam berbagai bentuk dan ukuran yang digunakan untuk menghasilkan uap lewat penguapan air untuk dipakai pada pembangkit tenaga listrik lewat turbin, proses kimia, dan pemanasan dalam produksi.

Sistem kerjanya yaitu air diubah menjadi uap. Panas disalurkan ke air dalam boiler, dan uap yang dihasilkan terus – menerus. Feed water boiler dikirim ke boiler untuk menggantikan uap yang hilang. Saat uap meninggalkan air boiler, partikel padat yang terlarut semula dalam feed water boiler tertinggal.

Partikel padat yang tertinggal menjadi makin terkonsentrasi, dan pada saatnya mencapai suatu level dimana konsentrasi lebih lanjut akan menyebabkan kerak atau endapan untuk membentuk pada logam boiler.

b. Air pendingin dan sirkulasi sebagai Cooling tower dan Chiller 

Colling tower atau menara pendingin adalah suatu sistem pendinginan dengan prinsip air yang disirkulasikan. Air dipakai sebagai medium pendingin, misalnya pendingin condenser, AC, diesel generator ataupun mesin – mesin lainnya.

Jika air mendinginkan suatu unit mesin maka hal ini akan berakibat air pendingin tersebut akan naik temperaturnya, misalnya air dengan temperature awal ( T1 ) setelah digunakan untuk mendinginkan mesin maka temperaturnya berubah menjadi ( T2 ). Disini fungsi cooling tower adalah untuk mendinginkan kembali T2 menjadi T1 dengan blower / fan dengan bantuan angin. Demikian proses tersebut berulang secara terus menerus. Sedangkan pada chiller temperature yang dibutuhkan relative lebih rendah dibandingkan penggunaan Colling tower. 

Beda antara cooling dan chiller adalah pada sistem yang digunakan. Maksudnya, bila cooling adalah sistem terbuka sedangkan pada chiller adalah sistem tertutup sehingga proses penguapan lebih rendah dibandingkan dengan sistem terbuka. Sistem air cooling dapat dikategorikan dua tipe dasar, sebagai berikut :

1. Sistem air cooling satu aliran

Sistem air cooling satu arah adalah satu diantara aliran air yang hanya melewati satu kali penukar panas. Dan lalu dibuang kepembuangan atau tempat lain dalam proses.

Sistem tipe ini mempergunakan banyak volume air. Tidak ada penguapan dan mineral yang terkandung didalam air masuk dan keluar penukar panas. Sistem air cooling satu arah biasa digunakan pada terminal tenaga besar dalam situasi tertutup dari air laut atau air sungai dimana persediaan air cukup tinggi.

2. Sistem air cooling sirkulasi

Pada sistem sirkulasi terbuka ini, air secara berkesinambungan bersikulasi melewati peralatan yang akan didinginkan dan menyambung secara seri. Transfer panas dari peralatan ke air, dan menyebabkan terjadinya penguapan ke udara. Penguapan menambah konsentrasi dan padatan mineral dalam air dan ini adalah efek kombinasi dari penguapan dan endapan, yang merupakan konstribusi dari banyak masalah dalam pengolahan dengan sistem sirkulasi terbuka.

Pada peristiwa sirkulasi air ini, akan terjadi proses – proses sebagai berikut :

a. Pendinginan air cooling tower adakah atas dasar penguapan ( Evaporasi )

Pada peristiwa fisika dikenal prinsip “ jumlah kalor yang diterima = jumlah kalor yang dilepaskan “. Kalor untuk melakukan pendinginan dari T2 menjadi T1 sama dengan kalor penguapan atau dengan kata lain air tersebut menjadi dingin dikarenakan sebagian dari air tersebut menguap. Untuk cooling tower, besarnya penguapan dapat dihitung bila diketahui kapasitas pompa sirkulasi ( m3/jam )

b. Pada air Cooling tower terjadi pemekatan Garam.

Dengan adanya penguapan maka lama kelamaan seluruh mineral yang tidak dapat menguap akan berkumpul sehingga terjadi pemekatan. Dengan banyaknya mineral yang terkandung pada air Cooling tower perlu dilakukan proses Bleed Off dan penambahan air make up. Air yang menguap adalah air yang murni bebas dari garam – garam mineral dengan konsentrasi = 0. 

2.7 Sistem, Proses dan Siklus Termodinamika

Suatu sistem thermodinamika adalah sustu 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 1.1. Dalam aplikasinya batas sistem nerupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak.

Gambar 1. Skema sistem thermodinamika

Dalam Termodinamika ada dua jenis sistem, yaitu sistem tertutup dan sistem terbuka. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat-keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk kedalam sistem melewati batas sistem. 

Sebagian besar mesin-mesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena secara simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut. Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang disefinisikan dari property yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain. 

Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidakberubah, apabila masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila property nya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium ). 

2.8 Perpindahan energi pada Mesin Kalor atau Reaktor

Perpindahan energi dari Mesin Kalor termasuk Aplikasi dari ilmu Termodinamika, karena membahas tentang sistem, lingkungan, dan kerja. Dalam hal ini spesifiknya adalah suhu. Sebelum alat yang digunakan untuk memanfaatkan kalor melakukan kerja, para ilmuan berlomba-lomba untuk membuat suatu alat atau mesin perpindahan energi, alat tersebut baru ditemukan pada tahun 1700. Alat yang dimaksud adalah mesin uap. Mesin uap pertama kali digunakan untuk memompa air keluar dari tambang batu bara. Perlu diketahui bahwa penggunaan mesin uap pertama terjadi sebelum para ilmuwan mengetahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (hukum pertama termodinamika belum dirumuskan). Penggunaan mesin uap waktu itu mungkin didasarkan pada pengalaman sehari-hari yang menunjukkan bahwa uap bisa menggerakkan sesuatu (misalnya uap air menendang-nendang tutup panci). Mesin uap termasuk mesin kalor (mesin kalor = alat yang mengubah kalor menjadi energi mekanik). Sekarang mesin uap digunakan untuk membangkitkan energi listrik, biasa dalam proses industri sangat diperlukan.

Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di bawah.

Suhu tinggi (TH) dan suhu rendah (TL) dikenal juga dengan julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi simbol QL. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian QH diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL. Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa 

QH = W + QL.

Jika kalor hanya mengalir sekali saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi mekanik yang dihasilkan sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita manfaatkan secara optimal. Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan kerja secara terus menerus. Dengan kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor cukup banyak sehingga bisa digunakan untuk menggerakkan sesuatu.

2.9 Prinsip Kesetimbangan Kimia

Pada umumnya reaksi-reaksi kimia tersebut berlangsung dalam arah bolak-balik (reversible), dan hanya sebagian kecil saja yang berlangsung satu arah. Pada awal proses bolak-balik, reaksi berlangsung ke arah pembentukan produk, segera setelah terbentuk molekul produk maka terjadi reaksi sebaliknya, yaitu pembentukan molekul reaktan dari molekul produk. Ketika laju reaksi ke kanan dan ke kiri sama dan konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah maka kesetimbangan reaksi tercapai.

Ketika suatu reaksi kimia berlangsung, laju reaksi dan konsentrasi pereaksipun berkurang. Beberapa waktu kemudian reaksi dapat berkesudahan, artinya semua pereaksi habis bereaksi. Namun banyak reaksi tidak berkesudahan dan pada seperangkat kondisi tertentu, konsentrasi pereaksi dan produk reaksi menjadi tetap. Reaksi yang demikian disebut reaksi reversibel dan mencapai kesetimbangan. Padareaksi semacam ini produk reaksi yang terjadi akan bereaksi membentuk kembali pereaksi. ketika reaksi berlangsung laju reaksi ke depan (ke kanan), sedangkan laju reaksi sebaliknya kebelakang (ke kiri) bertambah, sebab konsentrasi pereaksi berkurang dan konsentrasi produk reaksi semakin bertambah.

Pada umumnya suatu reaksi kimia yang berlangsung spontan akan terus berlangsung sampai dicapai keadaan kesetimbangan dinamis. Berbagai hasil percobaan menunjukkan bahwa dalam suatu reaks kimia, perubahan reaktan menjadi produk pada umumnya tidak sempurna, meskipun reaksi dilakukan dalam waktu yang relatif lama. Umumnya pada permulaan reaksi berlangsung, reaktan mempunyai laju reaksi tertentu. Kemudian setelah reaksi berlangsung konsentrasi akan semakin berkurang sampai akhirnya menjadi konstan. Keadaan kesetimbangan dinamis akan dicapai apabila dua proses yang berlawanan arah berlangsung dengan laju reaksi yang sama dan konsentrasi tidak lagi mengalami perubahan atau tidak ada gangguan dari luar. Sebagai contoh reaksi pembuatan amonia dengan persamaan reaksi kesetimbangan berikut ini :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4Kj

Pergeseran kesetimbangan dapat terjadi jika pada sistem kesetimbangan diberikan aksi, maka sistem akan berubah sedemikian rupa sehingga pengaruh aksi tadi diupayakan sekecil mungkin. Aksi-aksi yang dapat mempengaruhi terjadinya pergeseraan kesetimbangan antara lain perubahan konsentrasi, perubahan volume, perubahan tekanan, perubahan jumlah mol, perubahan temperatur. Untuk memperjelas tentang terjadinya pergeseran kesetimbangan dapat dilakukan dengan menggunakan azas Le Chatelier. Dengan menggunakan azas Le Chatelier kita dapat memperkirakan arah pergeseran kesetimbangan jika ada pengaruh dari luar sistem. Faktor-faktor yang mempengaruhi pergeseran kesetimbangan dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Pengaruh temperatur

Sesuai dengan azas Le Chatelier, jika suhu atau temperatur suatu sistem kesetimbangan dinaikkan, maka reaksi sistem menurunkan temperatur, kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi yang menyerap kalor (ke pihak reaksi endoterm). Sebaliknya jika suhu diturunkan, maka kesetimbangan akan bergeser ke pihak reaksi eksoterm.

2. Pengaruh konsentrasi

Sesuai dengan azas Le Chatelier (Reaksi = aksi) , jika konsentrasi salah satu komponen tersebut diperbesar, maka reaksi sistem akan mengurangi komponen tersebut. Sebaliknya, jika konsentrasi salah satu komponen diperkecil, maka reaksi sistem adalah menambah komponen itu. Oleh karena itu, pengaruh konsentrasi terhadap kesetimbangan.

3. Pengaruh tekanan dan volume

Penambahan tekanan dengan cara memperkecil volume akan memperbesar konsentrasi semua komponen. Sesuai dengan azas Le Chatelier, maka sistem akan bereaksi dengan mengurangi tekanan. Sebagaimana anda ketahui, tekanan gas bergantung pada jumlah molekul dan tidak bergantung pada jenis gas. Oleh karena itu untuk mengurangi tekanan maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah yang jumlah koefisiennya lebih kecil. Sebaliknya jika tekanan dikurangi dengan cara memperbesar volume, maka sistem akan bereaksi dengan menambah tekanan dengan cara menambah jumlah molekul. Reaksi akan bergeser ke arah yang jumlah koefisiennya lebih besar.

2.10 Aplikasi Prinsip Kesetimbangan Pada Pembuatan Amoniak (NH3)

Dasar teori pembuatan amonia dari nitrogen dan hydrogen ditemukan oleh Fritz Haber (1908), seorang ahli kimia dari Jerman. Sedangkan proses industri pembuatan amonia untuk produksi secara besar-besaran ditemukan oleh Carl Bosch, seorang insinyur kimia juga dari Jerman. Persamaan termokimia reaksi sintesis amonia adalah :

N2(g) + 3H2(g) ⇄ 2NH3(g) ∆H = -92,4Kj Pada 25oC : Kp = 6,2x105

Berdasarkan prinsip kesetimbangan kondisi yang menguntungkan untuk ketuntasan reaksi ke kanan (pembentukanNH3) adalah suhu rendah dan tekanan tinggi. Akan tetapi, reaksi tersebut berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, bahkan pada suhu 500oC sekalipun. Dipihak lain, karena reaksi ke kanan eksoterm, penambahan suhu akan mengurangi rendemen. Proses Haber-Bosch semula dilangsungkan pada suhu sekitar 500oC dan tekanan sekitar 150-350 atm dengan katalisator, yaitu serbuk besi dicampur dengan Al2O3, MgO, CaO, dan K2O. 

Reaksi kekanan pada pembuatan amonia adalah reaksi eksoterm. Reaksi eksoterm lebih baik jika suhu diturunkan, tetapi jika suhu diturunkan maka reaksi berjalan sangat lambat . Amonia punya berat molekul 17,03. Amonia ditekanan atmosfer fasanya gas. Titik didih Amonia –33,35 oC, titik bekunya –77,7 oC, temperatur & tekanan kritiknya 133 oC & 1657 psi. Entalpi pembentukan (∆H), kkal/mol NH3(g) pada 0oC, -9,368; 25 oC, -11,04. Pada proses sintesis pd suhu 700-1000oF, akan dilepaskan panas sebesar 13 kkal/mol. Kondisi optimum untuk dapat bereaksi dengan suhu 400- 600oC, dengan tekanan 150-300 atm. Kondisi optimum pembuatan amonia (NH3) dapat digambarkan pada tabel berikut :

Tabel : Kondisi Optimum Pembuatan NH3

Pengaruh katalis pada sistem kesetimbangan adalah dapat mempercepat terjadinya reaksi kekanan atau kekiri, keadaan kesetimbangan akan tercapai lebih cepat tetapi katalis tidak mengubah jumlah kesetimbangan dari spesies-spesies yang bereaksi atau dengan kata lain katalis tidak mengubah nilai numeris dalam tetapan kesetimbangan. Peranan katalis adalah mengubah mekanisme reaksi kimia agar cepat tercapai suatu produk. 

Katalis yang dipergunakan untuk mempercepat reaksi memberikan mekanisme suatu reaksi yang lebih rendah dibandingkan reaksi yang tanpa katalis. Dengan energi aktivasi lebih rendah menyebabkan maka lebih banyak partikel yang memiliki energi kinetik yang cukup untuk mengatasi halangan energi aktivasi sehingga jumlah tumbukan efektif akan bertambah sehingga laju meningkat.

2.11 Aplikasi Termodinamika I 

Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) pada prinsipnya sama seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat  di permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir panas bumi. Apbila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energi listrik. Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin. Banyak sistem pembangkitan listrik dari fluida panas bumi yang telah diterapkan di lapangan, diantaranya: 

• Direct Dry Steam
• Separated Steam
• Single Flash Steam
• Double Flash Steam
• Multi Flash Steam
• Brine/Freon Binary Cycle
• Combined Cycle
• Well Head Generating Unit

1. Siklus Uap Kering (Direct Dry Steam Cycle) 

Fluida panas bumi dapat berupa fasa cair, fasa uap atau campuran dari keduanya, tergantung dari tekanan dan temperaturnya. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat dialirkan langsung ke turbin (Gambar 2). Turbin akan mengubah energi panas bumi menjadi energi gerak yang akan memutargenerator sehingga dihasilkan energi listrik.

Gambar 2. Flowsheet Instalasi Pembangkit Listrik Uap Kering.

Sistem konversi untuk fluida uap kering merupakan sistem konversi yang paling sederhana dan paling murah. Uap dari turbin dapat dibuang ke atmosfir (atmospheric exhaust turbine) atau di alirkan ke kondensor untuk dikondensasikan (condensing turbine). Dari kondensor, kondensat kemudian dialirkan ke menara pendingin atau cooling tower dan selanjutnya diinjeksikan kembali ke bawah permukaan. Sebagian dari air kondensat ini dialirkan ke kondensor. Pembangkit listrik yang menggunakan atmospheric exhaust turbine mengkonsumsi sekitar dua kali (dalam tekanan inlet yang sama) lebih banyak untuk setiap kilowatt keluaran sehingga banyak energi dan biaya yang terbuang. 

2. Siklus Uap Hasil Pemisahan (Separated Steam Cycle) 

Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator, sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin. Oleh karena uap yang digunakan adalah hasil pemisahan maka, sistem konversi energi ini dinamakan Siklus uap hasil pemisahan. Gambar 3 memperlihatkan proses pembangkitan listrik dari lapangan panas bumi yang menghasilkan fluida dua fasa, yaitu campuran uap dan air. Fluida dari sumur dipisahkan menjadi fasa uap dan air di dalam separator dimana uapnya kemudian dialirkan ke turbin dan airya diinjeksikan kembali kebawah permukaan.

Gambar 3. Flowsheet Pembangkit Listrik
Untuk Fluida Dominasi Air

2.12 Aplikasi termodinamika II pada mesin pendingin PLTU

A. Jenis Sistem Air Pendingin

Berdasarkan siklusnya, terdapat 2 macam sistem air pendingin utama, yaitu sistem siklus terbuka dan sistem siklus tertutup.

Gambar 4. Sistem Siklus Terbuka Dan Siklus Tertutup

1. Sistem Siklus Terbuka

• Air pendingin dipasok secara kontinyu dari sumber tak terbatas seperti sungai, danau atau laut yang dipompakan ke kondensor untuk akhirnya dibuang kembali keasalnya.
• Letak saluran masuk dan saluran pembuangan air pendingin harus dibuat terpisah sejauh mungkin. Pemisahan ini bertujuan untuk mencegah terjadinya resirkulasi air dari sisi pembuangan mengalir ke sisi masuk 

Gambar 5. Sistem Air Pendingin Siklus Terbuka

2. Sistem Siklus Tertutup

• Air pendingin utama siklus tertutup menggunakan media air pendingin yang sama secara berulang-ulang.
• Akibat proses penyerapan panas dikondensor, temperatur air pendingin keluar kondensor akan naik. Karena air akan disirkulasikan kembali ke kondensor, maka air pendingin ini harus didinginkan terlebih dahulu di menara pendingin ( cooling tower ).
• Didalam menara pendingin, air pendingin didinginkan oleh udara sehingga temperaturnya kembali turun dan siap disirkulasikan kembali kedalam kondensor. 

Gambar 6. Sistem Air Pendingin Siklus Tertutup

Keuntungan sistem siklus terbuka dibanding siklus tertutup antara lain adalah :

• Biaya modal dan biaya operasinya lebih rendah.
• Peralatan yang digunakan lebih sedikit
• Kinerja kondensor lebih baik karena temperatur air pendingin masuk lebih rendah

Sedangkan kerugiannya adalah :

• Kualitas air tidak dapat dikontrol
• Memerlukan ijin dari instansi lingkungan, karena menimbulkan pencemaran lingkungan
• Sumber air harus tersedia dalam jumlah yang besar dan kontinyu.

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, W. dan Heizo Saito. 2002. Penyegaran Udara. PT. Pradnya Paramita, Jakarta.

Dossat, RJ. 1976 Principle of Refrigeration

Handoko, K. 1981. Teknik Lemari Es. PT. Ichtiar Baru, Jakarta.

Hartanto, B. 1982. Teknik Mesin Pendingin. BKPI, Tegal.

Holman, J.P. 1988. Perpindahan Panas (Heat Transfer). Erlangga, Jakarta.

Ilyas, S. 1983 Teknologi Refrigerasi Hasil Perikanan Jilid I, Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian. CV. Paripurna, Jakarta.

________,1993. Teknologi Refrigerasi Hasil Perikanan Jilid II, Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian. CV. Paripurna, Jakarta.

Stoecker, W.F. dan Jerold, J.W. 1994. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara Edisi kedua. PT. Erlangga, Jakarta.

Sumanto. 2001. Dasar - dasar Mesin Pendingin. Andi, Yogjakarta.

https://www.semuanyaadasaja.blogspot.com