Siklus Tenaga Uap

Siklus kerja PLTU

Siklus fluida kerja PLTU merupakan siklus tertutup, yaitu menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang. Siklus fluida kerja PLTU dijelaskan pada penjelasan berikut ini. Pertama air diisikan ke boiler hingga mengisi seluruh luas permukaan pemindah panas. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap. Uap hasil produksi boiler masih berupa uap jenuh, kemudian dipanaskan lagi menggunakan superheatersehingga menjadi uap kering yang kemudian dengan tekanan dan temperatur tertentu diarahkan untuk melakukan kerja di turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran.

Uap bekas keluar turbin masuk ke Kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin berupa air laut yang di pompa menggunakan pompa CWP (Circulation Water Pump) agar berubah menjadi air melalui proses kondensasi. Air kondensat ini kemudian dipanaskan lagi secara bertahap menggunakan Heater/pemanas menggunakan uap ekstraksi melalu LPH1, LPH2, Daerator, HPH4 dan HPH5. Air demin tersebut digunakan lagi sebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang. Gambar 1 menunjukkan diagram siklus tertutup fluida kerja PLTU.

Putaran turbin digunakan untuk memutar generator yang dikopel langsung dengan turbin sehingga ketika turbin berputar dihasilkan energi listrik dari terminal output generator. Sebelum berputar secara penuh/3000rpm, 8 jam sebelumnya generator di putar menggunakan turning gear dengan kecepatan 3 rpm selama 8 jam. yang berguna untuk menjaga poros agar tidak terjadi kelendutan.

Sekalipun siklus fluida kerjanya merupakan siklus tertutup, namun jumlah air dalam siklus akan mengalami pengurangan. Pengurangan air ini disebabkan oleh kebocoran baik yang disengaja maupun yang tidak disengaja. Untuk mengganti air yang hilang, maka perlu ditambahkan air kedalam siklus. Kriteria air penambah ini harus sama dengan air yang ada dalam siklus.

Siklus kerja PLTU yang merubah air hingga menjadi uap superheat dan ekspansi uap didalam turbin kemudian diubah lagi menjadi air

Aplikasi Termodinamika di Kehidupan Sehari-hari

Hukum termodinamika telah berhasil diterapkan dalam penelitian tentang proses kimia dan fisika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika berkenaan dengan proses alami atau proses spontan dimana fungsi yang memprediksi kespontanan reaksi ialah entropi, yang merupakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Hukum kedua ini menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi semesta haruslah positif. Sedangkan hukum ketiga termodinamika memungkinkan untuk menentukan nilai entropi mutlak (Chang, 2002: 165).

Berikut beberapa contoh aplikasi termodinamika yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari :

1. Air Conditioner (AC)

Sistem kerja AC terdiri dari bagian yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tekanan supaya penguapan dan penyerapan panas dapat berlangsung.

Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke kondenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.

Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan.

Pada kondensor, tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondensor relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.

Setelah refrigent lewat kondensor dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.

Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.

Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada didalam substansi yang akan didinginkan.

Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka entalpi, substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya entalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan.

Berikut rangkaian gambar skema kerja dari AC :

2. Dispenser

Prinsip kerja pemanas air

Proses pemanasan air terjadi pada saat air masuk kedalam tabung pemanas. Tabung pemanas merupakan tabung yang terbuat dari logam yang disekitar tabung tersebut dikelilingi oleh elemen pemanas, sehingga ketika air mengalir dari tampungan menuju tabung pemanas sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memicu elemen pemanas untuk bekerja, suhu tinggi yang dihasilkan elemen pemanas diserap oleh air yang suhunya lebih rendah, setelah suhu air dalam tabung pemanas tinggi maksimal sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memutuskan arus listrik pada elemen pemanas, pada saat elemen pemanas menyala lampu indikator pemanas menyala dan pada saat elemen pemanas mati lampu indikator pemanas mati.

Pada tabung dispenser dipasang Heater/pemanas serta sensor suhu atau thermostat yang berfungsi untuk membatasi kerja heater agar tidak bekerja terus-menerus yang akan menimbulkan suhu air dalam tabung dispenser berlebihan, karena apabila heater berkerja berlebih, heater akan panas dan bahkan heater tersebut akan terjadi kerusakan didalamnya. Untuk mengurangi terjadinya resiko tersebut, di heater dipasang thermostat yang berguna untuk mengatur suhu.

Ketika suhu air yang dipanaskan oleh heater mencapai suhu tertentu sehingga melebihi suhu kerja sensor/thermostat maka sensor akan bekerja dan memutuskan arus yang mengalir ke heater, dengan demikian heater akan berhenti bekerja sehingga suhu air tetap terjaga sesuai dengan kebutuhan, bisa dilihat di lampu indikator dari warna merah akan berganti warna hijau. Heater akan bekerja kembali manakala suhu air pada tabung menurun sampai suhunya berada dibawah suhu kerja sensor, sensor dipasang seri dengan heater, dengan demikian fungsi dari sensor ini mirip seperti saklar, hanya saja bekerjanya secara otomatis berdasarkan perubahan suhu.

Prinsip kerja pendingin air

Proses pendinginan air pada dispenser pada umumnya dibedakan menjadi 2 yaitu:

1. Pendinginan Air dengan Fan

Proses pendinginan air menggunakan fan dilakukan dengan cara menghisap suhu tinggi pada air ketika air berada pada tampungan air kedua yang letaknya berada dibawah tampungan air pertama, namun pada kenyataannya fan hanya alat bantu untuk mempercepat pembuangan panas pada air, sehingga temperatur air hanya akan turun sedikit saja. Setelah melewati tampungan air kedua air akan dikeluarkan melalui keran dan siap untuk diminum.

2. Pendinginan Air dengan Sistem Refrigran

Pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran sama seperti sistem refrigran pada kulkas hanya saja evaporatornya dimasukkan kedalam tampungan air kedua yang berada dibawah tampungan air pertama, sehingga air disekitar evapurator akan menjadi air dingin. Hasil pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran lebih maksimal dibandingkan pendinginan air menggunakan fan. Setelah air melalui proses pendinginan pada tampungan air kedua, air akan mengalir dan keluar memalui keran.

Nama komponen pada dispenser:

1. Saklar On/Off

2. Thermostat 1

3. Thermostat 2

4. Saluran daya utama

5. Elemen pemanas

6. Saluran air panas

7. Saluran air normal

8. Pipa pembuangan

3. Rice Cooker

Pada rice cooker, energi panas ini dihasilkan dari energi listrik. Suatu cairan akan menguap bila tekanan uap gas yang berasal dari cairan adalah sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (Puap = Pcair). Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal). Pada penanak nasi biasa, air akan dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa, dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K).

Sementara, pada penanak nasi yang memanipulasi tekanan (pressure cooker, atauelectric pressure cooker) jika tutup lubang uapnya dibuka, maka pressure cooker akan bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.

Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker.

Karena ada tambahan massa (tutup katup), tekanan makin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

Massa tutup katup menentukan tekanan di dalam ruang pressure cooker, karena lubang katup akan membiarkan uap air keluar ketika tekanannya telah mencapai titik tertentu. Kelebihan tekanan akan dikurangi dengan melepaskan sedikit uap melalui katup

READ MORE...

Sistem Termodinamika

Pengertian sistem termodinamika berbeda dengan pengertian sistem pada umumnya. Untuk lebih jelasnya perhatikan uraian berikut !

1. Pengertian Sistem dalam Termodinamika
Benda atau objek yang diteliti atau dan menjadi pusat perhatian disebut sistem. Sedangkan benda yang berada di luar sistem disebut lingkungan. Batas diartikan sebagai perantara antara lingkungan dengan sistem. Semesta adalah tempat dimana sistem dan lingkungannya berada.

sistem dalam termodinamika

2. Macam – macam Sistem Termodinamika

Sistem dalam termodinamika dibedakan enjadi 3, yaitu :
a. Sistem termodinamika terbuka
Disebut sistem terbuka jika ada pertukaran energi dan zat antara sistem dengan lingkungan. Pada sistem terbuka massa maupun energi melintasi batas dan bersifat permeabel. Sistem terbuka juga disebut control volume karena pada sistem terbuka volume sistem tetap.

Pada sistem terbuka berlaku perjanjian sebagai berikut :
1. Panas (Q) bernilai negatif jika keluar sistem dan bernilai posiif jika masuk sistem
2. Usaha (W) bernilai negatif jika keluar sistem dan bernilai positif jika masuk sistem.

b. Sistem termodinamika tertutup
Disebut sistem tertutup jika ada

pertukaran energi tetapi tidak terjadi pertukaran zat dari sistem ke lingkungan. Pada sistem tertutup energi dapat melewati batas tetapi zat tidak dapat melewati batas sistem dan lingkungan. Pada sistem tertutup terjadi perubahan volume karena adanya lapisan batas yang bergerak.
Suatu sistem tertutup memilki pembatas. Pembatas pada sistem tertutup dibedakan menjadi :
Pembatas adiabatik : tidak terjadi pertukaran energi panas.
Pembatas rigid: tidak terjadi pertukaran kerja.
Sistem tertutup juga memiliki dinding, yang dibedakan menjadi :
a. Dinding adiabatik merupakan dinding yang menyebabkan kedua zat akan mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama. Pada dinding adiabatik sempurna tidak ada pertukaran energi kalor antara kedua zat
b. Dinding diatermik merupakan dinding yang menyebabkan kedua zat akan mencapai suhu yang sama dalam waktu yang cepat.

c. Sistem termodinamika terisolasi
Dikatakan sistem terisolasi jika tidak ada pertukaran energi dan pertukran zat antara sistem dan lingkungannya. Tetapi pada kenyattannya tdak ada sistem yang terisolasi secara sempurna dengan lingkungannya. Pada sistem terisolasi energ yang masuk sistem sama dengan energi yang keluar sistem.

Karakteristik sistem termodinamika :
Karakteristik sebuah sistem termodinamika dipengaruhi oleh koordinat sistem, yang terdiri dari :
1. Tekanan
2. Temperatur
3. Volume
4. Massa
5. Viskositas
6. Konduksi panas

Suatu sistem termodinamika dikatakan berada dalam kondisi state atau koordinat tetap jika setiap jenis koordinat sistem dapat diukur pada semua bagian dan hasilnya sama. Sedangkan sistem dikatakan mengalami perubahan koordinat jika salah satu atau lebih jenis koordinat sistem mengalami perubahan. Sistem dikatakan dalam keadaan seimbang atau equilibrium jika sistem dalam keadaan tetap tidak berubah.

READ MORE...

Perubahan Fase Zat

Artikel ini adalah suplemen dari artikel Wujud Zat Kelima, membahas sedikit detil tentang konsep perubahan fase. Cocok untuk siswa SMA dan sederajat, terutama yang masih bingung dengan “asas Black”, hehe. Kata kunci pada perubahan fase sebuah zat adalah “panas zat berubah, tapi temperaturnya tetap“.

Pada artikel Wujud Zat Kelima, disinggung konsep “perubahan fase”. Secara harfiah, perubahan fase terjadi saat sebuah zat berubah dari satu wujud ke wujud yang lain. Misalnya dari gas ke cair, cair ke padat, padat ke gas, dan sebaliknya. Proses-proses perubahan fase diilustrasikan oleh Gambar Proses perubahan fase zat (baca artikel Wujud Zat Kelima). Setiap proses melibatkan panas, baik panas itu dilepas oleh zat ataupun diterima oleh zat, tapi tidak melibatkan perubahan temperatur!

Proses Pendidihan dan Penguapan

Fenomena ini mungkin jarang kita amati, atau bahkan sebagian kita merasa ini adalah hil yang mustahal. Kenapa? Karena perubahan temperatur, normalnya, mengindikasikan perubahan panas. Semakin tinggi temperatur sebuah zat, semakin panas juga dia. Untuk menaikkan temperatur sebuah zat, kita dapat memanaskan zat tersebut. Sebaliknya, untuk mendinginkan sebuah zat, maka sebagian panasnya harus dibuang sehingga pada akhirnya temperaturnya berkurang. Kulkas, atau refrigerator, adalah piranti umum yang dapat mengambil panas suatu zat dan dibuang ke lingkungan. Oleh karena itu bagian belakang kulkas panas dan bisa dipakai untuk mengeringkan pakaian — ini termasuk ide daur ulang energi yang cerdas menurut saya.

air tepat mendidih — Air tepat mendidih: gelembung-gelembung udara pecah di dalam air sebelum sampai ke permukaan.

Namun sebenarnya tidak selalu demikian. Misalnya kita ingin menguapkan sejumlah air. Ketika tepat mendidih (biasanya pada temperatur 100°celcius), kita tetap memberikan panas (misalnya panas api dari kompor) supaya dia benar-benar mendidih. Tanda air tepat mendidih adalah muncul gelembung-gelembung udara dari dasar panci namun gelembung itu meletus di dalam air sehingga terdengar bunyi mendesis. Jika kita matikan kompor saat itu, maka gelembung-gelembung tersebut langsung hilang. Kejadian Ini menandakan temperatur air turun.

Jadi kompor tetap dinyalakan (untuk memberikan panas pada air). Gelembung-gelembung terus bermunculan dan terlihat mereka seakan-akan berjuang untuk dapat sampai ke permukaan air. Pada saat ini, meskipun air terus menerima panas, tapi temperaturnya tidak berubah, tetap 100°celcius. Kita bisa uji ini dengan cara meletakkan termometer ke dalam air selama proses pendidihan berlangsung.

Jika gelembung-gelembung udara tersebut berhasil sampai di permukaan air, maka disebut air telah mendidih — sebagian air (zat cair) telah berubah menjadi uap (gas). Ambil termometer lain dan coba ukur temperatur gas yang berada tepat di atas permukaan air — nilainya pasti sama atau lebih tinggi dari 100°celcius. Pada kondisi ini, panas yang diterima uap air dipakai untuk menaikkan temperaturnya — kondisi kembali normal.

Kalor dan Kalor Laten

Cerita ini digambarkan oleh diagram temperatur-energi perubahan fase. Istilah “panas” yang sering kita ucapkan sehari-hari adalah energi yang dipakai untuk mengubah temperatur zat — disebut juga dengan istilah kalor. Nilainya diberikan oleh

$Q = m\, c\, \Delta T$ .

dengan $Q$ adalah panas yang terlibat (diterima atau dilepaskan zat, satuan joule (J)), $m$ adalah massa zat (kg), $c$ adalah kalor jenis (J/kg.K), dan $\Delta T$ adalah perubahan temperatur yang dialami oleh zat (K, kelvin).

Ada konsep baru yang disebut di sini, yaitu kalor jenis. Kalor jenis adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu kilogram zat sebanyak 1 K (atau setara dengan 1°celcius) — ini sesuai dengan satuannya J/kg.K. Setiap zat memiliki nilai $c$ yang berbeda-beda. Air misalnya, memiliki nilai $c = 4,2 \times 10^3$ J/kg.K.

Oke, kita lanjut. Bagaimana dengan panas yang terlibat selama proses perubahan fase? Panas ini disebut panas laten atau kalor laten. Istilah “laten” berasal dari bahasa Inggris, “latent“, yang berarti “tersembunyi”. Zaman orba dulu, istilah laten sering dipakai untuk mencap paham komunis sebagai bahaya laten. artinya paham ini adalah bahaya yang tidak terlihat tapi sesungguhnya adalah bahaya. Ini seperti api dalam sekam, apinya tidak terlihat dari luar tapi sesungguhnya dia ada di sana.

Kalor laten, dalam termodinamika, dirumuskan sebagai

$Q_l = m\, L$

dengan $Q_l$ adalah kalor laten, $m$ adalah massa zat, dan $L$ adalah kalor jenis laten (J/kg).

Penggunakan Diagram T-Q

Salah satu penggunaan diagram T-Q adalah menghitung panas yang terlibat selama proses perubahan fase berlangsung. Gambar di bawah ini contoh diagram T-Q untuk air (wujud padat, cair, dan gas). Misalnya, untuk mencairkan es butuh 334 kJ panas (kalor laten). Untuk mendidihkannya butuh 418,6 kJ panas. Untuk menguapkannya, butuh 2260 kJ (kalor laten). Jadi, setidak-tidaknya butuh 3012,6 kilojoule panas! Nilai ini akan bertambah jika temperatur es di bawah 0°celcius

Penggunaan lain adalah untuk menganalisis prinsip asas Black yang sering diuji di sekolah. Bagaimanakah itu? Tunggu artikel berikutnya, karena saya sekarang harus pergi dulu.

READ MORE...