i

KAJIAN THERMODINAMIKA EKSPANSIVITAS, KOMPRESIBILITAS,

PERSAMAAN KEADAAN DAN TITIK KRITIS PADA PROSES

PEMBUATAN BIOGAS CAIR KOTORAN SAPI BOS TAURUS

DI BOYOLALI

Disusun oleh:

LUQMAN BUDI WICAKSONO

M02110049

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Juni. 2016

ii

iii

iv

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul

“Kajian Thermodinamika Ekspansivitas, Kompresibilitas dan Persamaan Keadaan

pada Proses Pembuatan Biogas Cair Kotoran Sapi Bos Taurus di Boyolali” adalah

hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini skripsi tidak berisi materi

yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah

diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau

di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka. Skripsi ini

dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan

terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus

memberitahu penulis.

Surakarta, Juni 2016

Luqman Budi Wicaksono

v

MOTTO

Tatkala waktuku habis tanpa karya dan pengetahuan, lantas apa makna umurku

ini? (KH. Wahid Hasyim).

Sesungguhnya akan datang kepada manusia beberapa hal-hal yang penting di

dalam akhir sebuah pencarianya (berupa ilmu, inspirasi, dan kesaksian yang

penuh hikmah). Maka, sebaiknya apa yang dia temukan tersebut, harus dijaganya

(dengan cara dihafal dan atau dituliskanya), karena manusia akan membutuhkan

perkara-perkara yang ditemukan tersebut, di kemudian hari nanti (al-Habib

Abdullah Alwi al-Haddad)

Seseorang jika menyakini suatu perkara dan (akan tetapi) perkara itu tidak seperti

yang dia sangkakan, maka dia tidak rugi karena Allah-lah yang akan memberinya

sesuatu yang dia yakini (al-Syaikh Abdullah bin Ahmad Basudan)

Aku diminta untuk membuat karyaku ini oleh beberapa sahabat dekat, yang bisa

memahami ucapanku dengan kemantapan yang kuat. Karena kemuliaan anak

muda itu diukur dari keyakinanya, barangsiapa tidak mempunyai keyakinan maka

tidak akan mendapat kemanfaatan dari apa yang semestinya ia yakini (Syeikh

Syarafuddin Yahya Al-Imrithi)

vi

PERSEMBAHAN

Skripsi ini saya persembahkan kepada:

Guru kami Bapak Ahmad Marzuki sebagai wujud terima kasih kami sebagai

seseorang yang selalu mengemis agar dianggap dan dijadikan bagian dari murid

beliau

Kedua orang tua kami, ayahanda kami Bapak Budiyono, ibunda kami Ibu Sri

Wahyuni yang telah benar-benar mendampingi hidup kami hingga detik ini,

menjadi saksi, pelipur, dan solusi dari setiap masalah kehidupan sampai pada

akhir kami menyelesaikan Skripsi

Tidak lupa , teruntuk adek tercinta, Sitta Murti atas kesabaranya dan perjuanganya

menemani kami untuk memberikan motivasi-motivasi sampai terselesainya

skripsi ini, semoga kami menjadi hamba Allah SWT yang shaleh dan tidak

mempermalukan Rasulullah SAW, guru-guru dan kedua orang tua kami dunia

maupun akhirat

vii

Kajian Thermodinamika Ekspansivitas, Kompresibilitas, Persamaan

Keadaan dan Titik kritis pada Proses Pembuatan Biogas Cair Kotoran Sapi

Bos Taurus di Boyolali

Luqman Budi Wicaksono

Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

kompresibilitas, persamaan keadaan biogas dan kondisi kritis biogas. Ekspansivitas

merupakan fraksi perubahan volume perderajat perubahan suhu apabila tekanan dijaga

konstan. Kompressibilitas merupakan fraksi pengurangan volum persatuan kenaikan

perubahan tekanan. Persamaan keadaan biogas diperoleh dari hubungan persamaan

ekspansivitas dan kompresibilitas. Nilai ekspansivitas pada biogas kotora sapi β1 sebesar

7,48 x 1013

, nilai β2 sebesar 6,45 x 1013

, dan nilai β3 sebesar 12,01 x 10

13. Nilai

kompresibilitas pada biogas kotoran sapi adalah κ1 0,0027, κ2 0,0034, dan κ3 0,0017.

Kondisi kritis adalah kondisi dimana pada saat suhu kritis, tekanan kritis dan volum

kritis. Suhu kritis yang didapatkan adalah 301,26 K, 301,95 K dan 300,42K. Tekanan

kritis yang dihasilkan 7261,62 atm, 7205,48 atm, dan 7207,25 atm. Volum kritis yang

didapatkan adalah 1,03 × 103 liter/kg, 1,90 x 10

3 liter/kg, 1,53 x 10

3 liter/kg

Kata Kunci: ekspansivitas, kompresibilitas, persamaan keadaan, titik kritis

viii

Thermodynamic Studies Expansivity, Compressibilty, Equation state, and

Biogas Critical Point for Cow Dung Bos Taurus In Boyolali

Luqman Budi Wicaksono

Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Thermodynamic studies have been done on this research which includes expansivity

value, compressibility value, biogas state equation and biogas critical point. Expansivity

is the changes of volume as the changes of temperature fraction while the pressure is kept

constant. Compressibility is the reduction of volume as the increase of pressure fraction.

State equation of biogas was obtained from the relation between ekspansivity and

compressibility equation. The expansivity values of biogas for cow dung are β1 for 7.48 x

1013

, β2 for 6.45 x 1013

, and β3 for 12.01 x 1013

. The compressibility values of biogas for

cow dung are κ1 for 0.0027, κ2 for 0.0034, and κ3 for 0.0017. Critical point is the moment

where the temperature, the pressure, and the volume are critical. Critical temperatures

obtained are 301.26 K, 301.95 K and 300,42 K. Critical pressures obtained are 7261.62

atm, 7205.48 atm, and 7207.25 atm. Critical volumes obtained are 1,03 × 103 liter/kg,

1,90 x 103 liter/kg, and 1,53 x 10

3 liter/kg.

Keywords: Expansivity, compressibility, state equation, critical point

ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah S.W.T atas segala-Nya sehingga penulis dapat

menyelesaikan penulisan Skripsi ini. Teguran, hidayah, anugrah dan beragam

kenikmatan mewarnai penyelesaian tugas akhir ini.

Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar

Sarjana Sains ini berjudul “Kajian Thermodinamika Ekspansivitas,

Kompresibilitas, Persamaan Keadaan dan Titik kritis pada Proses Pembuatan

Biogas Cair Kotoran Sapi Bos Taurus di Boyolali” Penyelesaian tugas akhir ini

tidak serta merta namun turut tersumbang keringat, buah fikir dan kesabaran yang

dipersembahkan oleh beberapa pihak. Oleh karena itu dengan merendahkan diri

serendah-rendahnya, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. selaku pembimbing I terimakasih atas

kebaikan dan senantiasa dengan kesabaran membimbing sejak awal

persiapan hingga skripsi ini dapat selesai.

2. Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si. selaku pembimbing II yang senantiasa

membimbing hingga penyelesaian skripsi ini.

3. Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si. selaku pembimbing akademik yang

telah memberikan motivasi disetiap semester.

4. Bapak dan ibu dosen serta staff Fisika FMIPA UNS atas

pembelajarannya selama proses awal kuliah hingga selesai.

5. Bapak, Ibu dan keluarga besar, atas doa dan segala bantuannya sejak penulis

menjadi mahasiswa hingga akhirnya bisa menyelesaikan skripsi ini.

6. Maya Agustin, Beta Nur Pratiwi, Sendro Wahono, M Syifa Ma’ruf, Fitra

Kusuma, Adi Maulana, Abdul Majid, Uswatun Chasanah, Aufa Assihabi

atas dukungan, motivasi, dan bantuan moril yang diberikan selama menjadi

mahasiswa baru hingga tugas akhir ini selesai.

7. DIKTI dalam proses penelitian hingga selesainya skripsi ini ditulis dalam

pembiayaan penelitian.

8. Seluruh teman-teman Fisika FMIPA UNS angkatan 2011.

9. Adek tercinta Sitta Murti yang selalu membantu dan memberikan motivasi

10. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu.

x

Semoga Allah S.W.T membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah

diberikan dengan balasan yang lebih baik. Penulis berharap semoga karya kecil ini

bermanfaat.

Surakarta, Juni 2016

Luqman Budi Wicaksono

xi

HALAMAN PUBLIKASI

Sebagian skripsi saya yang berjudul "Kajian Thermodinamika Ekspansivitas,

Kompresibilitas, Persamaan Keadaan dan Titik kritis pada Proses Pembuatan

Biogas Cair Kotoran Sapi Bos Taurus di Boyolali” dipublikasikan di Jurnal Fisika

dan Aplikasinya Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Surabaya.

xii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iii

HALAMAN PERNYATAAN..................................................................... iv

HALAMAN MOTTO .................................................................................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................. vi

HALAMAN ABSTRAK ............................................................................ vii

HALAMAN ABSTRACT ......................................................................... viii

KATA PENGANTAR .................................................................................. x

HALAMAN PUBLIKASI ......................................................................... xi

DAFTAR ISI .............................................................................................. xiii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiv

DAFTAR TABEL ...................................................................................... xv

DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xvi

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................ xvii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1

1.1. Latar Belakang .............................................................................. 1

1.2. Perumusan Masalah ....................................................................... 3

1.3. Batasan Masalah ........................................................................... 3

1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................... 3

1.5. Manfaat Penelitian ......................................................................... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................ 5

2.1. Sistem Thermodinamika ................................................................ 6

2.1.1. Tekanan ............................................................................... 6

2.1.2. Volum .................................................................................. 7

2.1.3. Temperatur .......................................................................... 7

2.2. Hubungan Variabel P, v, dan T ...................................................... 7

2.2.1. Isothermal ............................................................................ 8

2.2.2. Isometrik .............................................................................. 9

xiii

2.2.3. Isobarik .............................................................................. 10

2.3. Diagram Fase P, v, dan T ............................................................. 11

2.3.1. Diagram Fase P-T .............................................................. 12

2.3.2. Diagram Fase P-v .............................................................. 12

2.3.3. Diagram Fase T-v .............................................................. 13

2.4. Karakteristik Gas Ideal ................................................................ 14

2.5. Persamaan Keadaan ..................................................................... 15

2.5.1. Koefisien Ekspansivitas..................................................... 15

2.5.2. Koefisien Kompressibilitas ............................................... 16

2.5.3. Hubungan Ekspansivitas dan Kompressibilitas................. 17

2.5.4. Titik Kritis pada Gas Van der Waals ................................. 18

2.2. Biogas .......................................................................................... 20

BAB III METODE PENELITIAN ....................................................... 21

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian.......................................... ............ 21

3.2. Alat dan Bahan Penelitian ........................................................... 21

3.2.1. Alat-alat Penelitian .............................................................. 21

3.2.2. Bahan-bahan Penelitian ...................................................... 22

3.3. Prosedur Penelitian .................................................................... 22

3.3.1. Kajian Kompressibilitas ...................................................... 23

3.3.2. Kajian Ekspansivitas ........................................................... 24

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................. 25

4.1. Ekspansivitas.......................................... ...................................... 25

4.2. Kompressibilitas ......................................................................... 30

4.3. Persamaan Keadaan Biogas ......................................................... 34

4.4. Titik Kritis Biogas ........................................................................ 35

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................ 39

5.1. Kesimpulan .......................................... ....................................... 39

5.1. Saran.......................................... .................................................. 39

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 40

DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. 42

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Skema Termodinamika ............................................................. 5

Gambar 2.2 Perubahan Sistem Thermodinamika .......................................... 6

Gambar 2.3. Diagram P-v Proses Isothermal ................................................. 8

Gambar 2.4. Diagram P-v Proses Isometric ................................................. 10

Gambar 2.5. Diagram P-v Proses Isobaric ................................................... 11

Gambar 2.6. Diagram P-T .......................................................................... 12

Gambar 2.7 Diagram P-v ........................................................................... 13

Gambar 2.8. Diagram T-v ............................................................................ 13

Gambar 3.1. Alat-alat Penelitian (a) Waterbath, (b) Syringe,

(c) Neraca Ohaus, (d) Sphere Glass dan (d) Termometer....... 21

Gambar 3.2. Bahan Penelitian (a) Sapi Simental, (b) Kotoran Sapi

dan (c) Hasil Biogas ................................................................ 22

Gambar 3.3. Diagram Penelitian Kajian Thermodinamika pada Biogas ..... 23

Gambar 3.4. Diagram Pengambilan Data Ekspansivitas ............................. 24

Gambar 3.5. Diagram Pengambilan Data Kompresibilitas .......................... 24

Gambar 4.1. Proses Pengambilan Biogas .................................................... 25

Gambar 4.2. Proses Pengambilan (a) Nilai Ekspansivitas dan (b) Nilai

Kompresibilitas ....................................................................... 26

Gambar 4.3. Grafik Hubungan T terhadap v Biogas pada Volum (a) ke-1,

(b) ke-2 dan (c) ke-3 ............................................................... 29

Gambar 4.4. Grafik Hubungan p terhadap v Biogas pada Volum (a) ke-1,

(b) ke-2 dan (c) ke-3 .............................................................. 33

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Nilai Perubahan Volum per Derajat kelvin ................................. 27

Tabel 4.2. Nilai Koefisien a, b dan k pada Grafik 4.3 ................................. 29

Tabel 4.3 Nilai Perubahan Volum per Tekanan atm ................................... 31

Tabel 4.4. Nilai Koefisien c, d, e dan f Kompresibilitas ............................. 33

xvi

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

P Tekanan atm

V Volum liter

T Suhu K

ρ Massa jenis kg/m3

m Massa kg

v Volum jenis liter//kg

pi Tekanan awal atm

pf Tekanan akhir atm

Vi Volum awal liter

Vf Volum akhir liter

Ti Suhu awal K

Tf Suhu akhir K

n Jumlah mol gas kgm/mol

κ Kompresibilitas -

β Ekspansivitas -

V Diferensial volum liter/kg

P Diferensial tekanan atm

T Diferensial suhu K

dV Turunan volum liter/kg

dP Turunan tekanan atm

dT Turunan suhu K

Tc Suhu kritis K

Pc Tekanan kritis atm

Vc Volum kritis liter/kg

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Perhitungan Suhu kritis ........................................................... 42

Lampiran 2. Perhitungan Tekanan Kritis ..................................................... 43

Lampiran 3. Perhitungan Nilai Ekspansivitas .............................................. 44

Lampiran 4. Perhitungan Nilai Kompresibilitas .......................................... 45

Lampiran 5. Perhitungan Nilai Volum Kritis .............................................. 46

1