Penggunaan Zat Absorber Silica Gell Pada Mesin Pendingin

Achiruddin

Jurusan Fisika Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sumatera Utara

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Pada saat ini untuk mengoperasikan mesin pendingin baik untuk pembuatan es, menyimpan bahan makanan dan minuman, sayuran, menyimpan daging, ikan segar untuk skala rumah tangga maupun industri dan untuk keperluan kenyamanan dirumah-rumah, dikantor dan diindustri, semua mesin pendinginnya digerakkan dengan menggunakan energi listrik. Pada hal energi dalam bentuk ini pada saat ini terbatas persediaannya, untuk mengatasi hal ini perlu diadakan cara lain untuk mendapatkan mesin-mesin pendingin yang tidak menggunakan energi listrik, untuk keperluan tersebut yang dipergunakan zat yang mampu mengambil atau memompa keluar kalor yang terkandung didalam suatu substansi yang akan didinginkan dengan jalan mengabsorbsi uap air yang ada didalam substansi yang akan didinginkan secara paksa. Dengan adanya perubahan fase dari cairan ke fase uap maka harus ada energi untuk merubahnya menjadi fase uap yaitu energi penguapan dari fase padat menjadi fase uap yang diambil dari substansi itu sendiri. Energi penguapan air ini cukup besar untuk persatuan massa air.

1.1.1 Mesin pendingin listrik

Kalau ditinjau secara garis besar maka mesin pendingin yang digerakkan oleh energi listrik maka mesin pendingin ini terdiri dari kompresor, kondenser, katup ekspansi dan evaporator. Dan secara sederhana mesin pendingin yang menggunakan energi listrik dapat digambarkan seperti pada gambar 1.1.

CONDENSER

KATUP KOMPRESOR

e-US

Gambar 1.1 Diagram mesin pendingin listrik

EKSPANSI

CONDENSER

U Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 1

Cara kerja mesin pendingin listrik ini dapat dijelaskan sebagai berikut, kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk kedalam kompresor oleh kompresor tersebut yang dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di condenser. Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap akan berubah keadaan menjadi refrigent fase cair, dengan adanya perubahan fase dari fase uap ke fase cair maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung didalam 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 kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator. Setelah refrigent lewat kondenser dan setelah melepaskan kalor penguapan dari fase uap kefase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan pada suatu harga yang memungkinkan refrigent maupun berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian refrigent dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan fregent dibuat sedemikian rupa sehingga tekanan refregent 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 refrent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refregent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada di dalam substansi yang akan didinginkan. Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka enthalpi substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya enthalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadim turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan. Dengan adanya mesin pendingin listrik ini maka untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur suatu substansi dapat dengan mudah dilakukan, tetapi sistem ini menggunakan energi listrik untuk mengoperasikan padahal energi dalam bentuk ini pada saat ini sangat terbatas persediaannya. 1.1.2 Sistem mesin pendingin tanpa tenaga listrik

Untuk mengatasi terbatasnya persediaan jumlah energi listrik yang diperlukan untuk mengoperasikan mesin pendingin tenaga listrik maka diperlukan suatu sistem yang mampu menurunkan temperatur suatu substansi yang akan didinginkan atau suatu sistem yang dapat menurunkan kandungan enthalpi yang dikandung dalam suatu substansi yang akan didinginkan. Kalau ditinjau suatu wadah tertutup yang menampung air m1 dan mempunyai temperatur t1, tekanan p1 seperti pada gambar 1.2.

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 2

Isolator

Gambar 1.2 Sistem penguapan air secara paksa

Jika uap air yang berada didalam wadah diambil (diserap) dengan suatu zat yang mampu menghisap uap air maka tekanan pada wadah akan menjadi turun t2, sebab berkurangnya molekul-molekul uap air, dan dengan berkurangnya tekanan uap air diwadah maka air yang berada didalam wadah akan melepaskan melekul airnya (menguap). Pada saat melekul air fase cair melepaskan diri dari air fase cair dan menjadi melekul air fase uap maka melekul yang melepaskan diri dari keadaan cair membawa energi yang dikandung didalam air fase cair. Jadi untuk merubah air fase cair menjadi fase uap diperlukan energi yang berubah kalor penguapan, semakin banyak uap air yang diserap maka energi yang dibawa oleh uap air juga banyak. Maka dengan diambilnya enthalpi maka enthalpi substansi air menjadi turun yaitu h2, dengan turunnya enthalpi maka temperatur air akan turun pula yaitu t2, hal ini dapat ditunjukkan pada gambar 1.3.

Isolator p2<p1 m2<m1 h2<h1 t1<t1

Gambar 1.3 Sistem penguapan air paksa setelah tekanan diturunkan

m 1, t 1 air

p 1 Uap air

Air m2, h2, t2

Uap air p2

1.1.3 Sistem pendinginan menggunakan zat absorben silika gell Sistem pendinginan ini dapat ditunjukkan pada gambar 1.4. Sistem ini

menggunakan prinsip-prinsip seperti diatas. Penurunan tekanan yang ada didalam wadah dilakukan oleh zat absorben silika gell. Seperti yang telah diterangkan diatas dengan turunnya tekanan yang ada didalam wadah maka enthalpi dari substansi yang akan diturunkan menjadi turun maka dengan turunnya enthalpi substansi maka temperatur akan turun juga.

isolator

Gambar 1.4 Sistem penyerapan uap air dengan silika gell

Air m2, t2

Silika Gel p2 uap air

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 3

1.2. Manfaat dan sasaran Dengan menggunakan zat absorben silika gell sebagai sarana untuk memompa

kalor yang ada didalam substansi yang akan didinginkan maka diperoleh alternatif lain untuk mengoperasikan mesin pendingin yang sering dipergunakan untuk pembuatan es, menyimpan bahan makanan, kenyamanan dirumah, dikantor maupun dipabrik, untuk pengkondisian lingkungan untuk ruangan yang menyimpan suatu peralatan yang mengharuskan dituntutnya suatu kondisi tertentu yang selama ini masih menggunakan energi listrik untuk mengoperasikannya. Sasaran selanjutnya setelah dilakukan penelitian ini adalah dirancangnya suatu gedung hemat energi, maksudnya untuk pengkondisian lingkungan yang berada didalam gedung tersebut tidak menggunakan tenaga listrik untuk mengoperasikan mesin pendingin tetapi pengondisian lingkungan yang akan dipakai menggunakan suatu sistem yang bekerjanya sesuai dengan prinsip-prinsip yang sesuai dengan penelitian yang sedang dilakukan. Secara sederhana gedung hemat energi yang dimaksud adalah seperti pada gambar 1.5. Pada atap langit-langit ruangan yang akan dikondisikan ditaruh zat yang mampu menyerap uap air dalam hal ini zat yang dipakai adalah absorben silika gell. Atap pada ruangan dibuat sedemikian rupa sehingga atap ini dapat dibuka dan ditutup pada langit-langit bahan yang dipakai adalah suatu bahan yang

Gambar 1.5. Sistem pengondisian ruang pada saat siang hari

berlubang-lubang sedemikian rupa sehingga dapat dibuka dan ditutup. Pada waktu siang hari atap ruangan dibuka dan lubang-lubang pada langit-langit dalam keadaan tertutup. Dengan terbukanya atap pada waktu siang hari maka energi matahari yang mengenai silika gell dipergunakan sebagai energi penguapan untuk menguapkan/membebas molekul lain yang dikandung didalam absorben silika gell. Jika dibukanya tutup atap cukup lama yaitu selama matahari terik diangkasa maka energi yang diterimanya cukup untuk melepaskan melekul air yang dikandung didalam silika gell. Dan pada waktu malam hari atap ruangan yang dikondisikan ditutup dan lubang-lubang yang berada didalam langit-langit harus dalam keadaan terbuka maka dengan terbukanya lubang-lubang yang berada didalam langit-langit maka kontak langsung antara uap air yang berada didalam ruangan yang dikondisikan dengan absorben silika gell yang berada didalam ruangan antara langit-langit dengan atap gedung. Dengan terhisapnya uap air yang berada didalam ruangan yang akan dikondisikan maka uap air yang dikandung

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 4

didalam maka sesuain dengan konsep sebelumnya maka dengan menguapnya uap air yang dikandung dalam substansi yang ada didalam ruangan maka diperlukan adanya energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air yang ada didalam substansi, yaitu energi kalor penguapan, energi ini diambil didalam substansi yang didalam ruangan dengan demikian entalpi yang ada didalam substansi akan turun, hal ini akan mengakibatkan temperatur didalam ruangan yang akan dikondisikan akan turun. Diagram pendinginan pada saat malam hari dapat ditunjukkan pada gambar 1.6. Jadi sistem pendinginan untuk

Gambar 1.6 Sistem pengkondisisan ruang pada saat malam hari

Mendinginkan ruangan gedung hemat energi secara tidak langsung menggunakan energi matahari, hal ini dimungkinkan karena zat perantara yang dipergunakan adalah zat absorben silika gell. Dalam proses pedinginan maka silika gell akan dipenuhi dengan melekul-melekul air dan jika zat absorben silika gell sudah jenuh mengikat melekul air maka proses pendinginan sudah tidak dapat terjadi lagi. Untuk agar supaya zat absorben silika gell dapat dipergunakan lagi maka silika gell tersebut harus betul-betul kering atau tidak ada melekul air yang terkandung didalam pori yang ada pada zat absorben silika gell. 1.3 Regenerasi zat absorben silika gell

Cara yang paling baik dan ekonomis untuk melepaskan melekul-melekul air yang terikat didalam zat absorben silika gell adalah dengan cara mengeringkannya dibawah terik matahari, dan apabila zat absorben silika gell sudah betul-betul tidak mengikat molekul uap air maka zat absorben tersebut bisa dipergunakan lagi untuk proses pendinginan di sistem pendinginan yang dimaksud. Jadi secara tidak langsung sistem pendinginan ini menggunakan energi matahari untuk mengoperasikan mesin pendingin yang menggunakan efek penyerapan entalpi yang dilakukan oleh zat absorben silika gell. Secara skema blok untuk mendaur ulang zat absorben silika gell untuk proses pendinginan dapat ditunjukkan pada gambar 1.7. Zat absorben silika gell yang jenuh dengan molekul uap air dan sebelum diregenerasi keadaannya dapat dilihat pada gambar 1.8 sedang zat absorben silika gell yang sudah diproses daur ulang dapat ditunjukkan pada gambar 1.9.

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 5

Energi matahari

Zat abso gell +

Zat absorben silika

gell bebas H2O

Gambar

G

e-USU Repository ©2004

rben silika n H2O

1.7 Skema blok silika gell

ambar 1.8 Zat ab denga

Universitas Suma

Proses pendinginan dengan perantara

silika gell

untuk mendaur ulang zat absorben

sorben silika gellyang jenuh n melekul air

tera Utara 6

Gambar 1.9 Zat absorben silika gell yang sudah di daur ulang

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Molekul dan kalor

Menurut teori materi molekuler semua substansi, padat, cair, dan gas disusun dari jutaan partikel submikroscopis yang disebut molekul. Molekul adalah bagian yang terkecil dari substansi yang masih mempunyai sifat yang sama dari substansi yang disusunnya. Menurut teori molekou mempunyai hubungan dalam ukuran dan jarak yang dalam fase gas jarak rata-rata selalu beberapa kali dari diameter dari molekul tunggal. Molekul tersusun dari beberapa partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Dan atom itu sendiri tersusun dari proton, elektron, dan netron. Pada segala temperatur tertentu molekul-molekul berada pada gerakan yang tetapi semuanya tidak pada kecepatan yang sama, dengan demikian setiap molekul mempunyai energi individu yang berbeda-beda. Total enargi yang dimiliki oleh molekul adalah jumlahan dari semua energi yang dikandung oleh setiap molekul, termasuk energi didalamnya, jumlah dari energi ini menyebabkan bergerak rotasi maupun bervibrasinya atom-atom dan elektron, dan adanya energi potensial didalam atom-atom. Sejak energi dari suatu molekul bergantung besarnya kecepatan molekul itu sendiri, total energi yang dikandung didalam substansi yang terdiri dari jutaan molekul bergantung dari total massanya dan kecepatan rata-rata molekul. Teori molekul materi menerangkan adanya tiga hal yang mendasar yang paling penting yaitu :

1. Kalor adalah salah satu bentuk energi dan total energi yang dikandung didalam suatu benda atau substansi adalah jumlah dari semua energi yang dikandung oleh setiap molekul penyusun benda atau substansi tersebut.

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 7

2. Temperatur dari benda atau substansi adalah suatu indikasi dari adanya intensitas kalor atau derajat kalor dan dapat diukur dengan menggunakan temperatur.

3. Molekul dari benda atau substansi dapat diasumsikan mempunyai gerakan dengan kecepatan yang terdistribusi secara acak. Beberapa molekul bisa saja dalam keadaan diam dan yang lainnya dalam keadaan bergerak pada suatu kecepatan yang tergantung dengan temperaturnya yang jauh dibawah titik beku dari air, yang lainnya mempunyai kecepatan yang sesuai dengan titik didih air dan yang lainnya mempunyai kecepatan yang sesuaui dengan temperatur uap yang super panas.

Distribusi kecepatan molekul secara acak pendekatannya dapat ditunjukkan oleh James Clerck Maxwell yang disebut kurva distribusi Maxwell seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1. Pada kurva distribusi Maxwell menunjukkan bahwa kecepatan molekul tergantung dari temperatur yang ditunjukkan.

2.1. Kurva distribusi Maxwell

2.2. Tekanan, temperatur dan perubahan Keadaan Jika air dalam keadaan cair pada temperatur ruang dan tekanan atmosfir. Molekul-

molekulnya dalam gerakan-gerakan yang acak. Molekul-molekul terpisah cukup jauh. Jika temperatut dinaikkan pada 212˚ F (100˚ C), dan pada tekanan yang tetap 1 atmosfir, air akan mendidih dan uap mulai muncul. Ini adalah perubahan keadaan dari cair ke gas. Uap air ini adalah bentuk air dalam keadaan uap mempunyai suatu molekul yang mempunyai sifat yang berbeda dengan air dalam keadaan cair. Molekul-molekulnya terpisah sangat jauh, kecepatan molekulnya agak besar. Uap air ini mempunyai sifat yang bisa dikompresi, saat air dalam keadaan cair tidak dapat dikompresikan. Dan jika temperatur pada air diturunkan menjadi tidak lebih 32˚ F (0˚ C) dengan tekanan yang tetap, es akan segera terbentuk. Es mempunyai karakteristik umum molekul seperti pada keadaan padatan. Molekul-molekul air pada keadaan padat mempunyai jarak yang relatif lebih dekat dan bersama-sama. Air bisa dipergunakan sebagai contoh untuk mendapatkan proses perubahan keadaan karena air ini adalah suatu substansi yang sudah umum. Kalau ditinjau suatu wadah yang berisikan suatu gas seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2. teori kinetik molekul dalam gas maka dengan naiknya energi kalor yang ada didalam wadah maka gerakan dari molekul-molekul gas meningkat pula. Naiknya kecepatan

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 8

molekul juga menyebabkan naiknya temperatur pada termometer T. kecepatan molekul yang lebih besar menghasilkan gerakan yang lebih cepat dan lebih banyak partikel menumbuk wadah, kondisi ini dapat diamati dengan naiknya tekanan yang berada pada alat P. Ruang diantara molekul-molekul besarnya berkali-kali dari besarnya diameter molekul.

Gambar 2.2. Diagram skema ilustrasi teori kinetik molekul gas Gerakan molekul tidak akan berhenti hal ini adalah keadaan yang normal. Total

energi adalah jumlahan dari semua energi molekul-molekul yang terpisah yang juga termasuk energi dalamnya.

2.3. Energi dalam

Medium kerja energi adalah energi yang dikandung oleh melekul dan oleh karena aktifitasnya. Ini adalah energi kinetik molekul dan energi potensial yang ada didalam molekul. Energi dalam kinetik pada umumnya berbentuk kalor sensibel, energi ini naik sesuai dengan naiknya temperatur absolut yang ada pada benda. Energi potensial dalam umumnya dalam bentuk kalor laten, energi ini ada jika ada perubahan fase dari benda tanpa adanya perubahan temperaturnya. Maka kesamaan berat dalam air, es dan uap pada 32˚F akan menempati energi dalam kinetik yang sama. Tetapi energi potensial dan energi totalnya berbeda hal ini dikarenakan adanya perbedaan fase. 2.4. Kurva temperatur-kalor (T-H) untuk air

Saat energi kalor ditambahkan pada suatu cairan maka cairan tersebut akan mendidih dan memberi uap. Dan saat energi kalor diambil dari cairan tersebut maka cairan tersebut akan turn temperaturnya jika hal ini dilakukan terus menerus maka cairan tersebut akan membeku menjadi padatan. Diambil air sebagai cairan yang dimaksud, karena substansi ini sering digunakan sebagai percobaan perubahan fase dari suatu substansi. Hubungan antara energi-keadaan dan temperatur untuk 1 pound air dari 0 sampai 212˚F dan jauh keatas pada tekanan konstan yaitu 1 atmosfer seperti yang

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 9

ditunjukkan pada gambar 2.2. Titik awal dari air 1 pound pada titik A mempunyai keadaan fase padat 0˚F, subu ordinat (vertikal) adalah merupakan temperatur untuk sistem dan sumbu horizontal adalah kalor yang terkandung, diukur berharga nol untuk temperatur 0˚F. Dan jika kalor secara perlahan-lahan dinaikkan pada es, temperatur didapatkan naik 1˚F untuk penambahan 0,5 BTU (hal ini menunjukkan kapasitas kalor spesifik es adalah 0,5). Saat kalor 16 BTU ditambahkan maka temperatur es akan naik menjadi 32˚F. proses ini adalah proses pemanasan yang ditunjukkan pada segmen AB pada diagram T-H. hal ini membuktikan dengan menambahkan kalor pada substansi maka temperatur substansi tersebut akan naik. Naiknya temperatur ini dapat dideteksi dengan menggunakan alat yang disebut thermometer, kalor untuk menaikkan temperatur ini disebut kalor sensibel. Kalor sensibel dapat didefenisikan sebagai suatu kalor yang jika diberikan pada suatu substansi maka substansi tersebut akan naik temperaturnya juga sebaliknya jika substansi tersebut temperaturnya turun maka substansi tersebut akan mengeluarkan kalor yaitu kalor sensibel. Menurut diagram kondisi air 1 pound air pada titik B Keadaannya masih fase es padat pada temperatur 32˚F, kalor yang dikandungnya diukur dari 0˚F adalah 16 BTU. Jika ditambahkan lagi kalor pada es maka temperatur air tidak berubah tetapi es kan mulai mencair dan jika kalor ditambahkan secara perlahan-lahan hingga semua es mencair menjadi air, hal ini membutuhkan kalor sebanyak 144 BTU untuk merubah fase dari fase padat menjadi fase cair dari 1 pound es padat 32˚F menjadi 1 pound fase cair air pada temperatur yang sama yaitu 32˚F, pada titik C kalor total yang terkandung adalah 160˚F diukur dari 0˚F. Sejak penambahan kalor selama proses pencairan BC tidak menghasilkan perubahan temperatur,ini bukan kalor sensibel. Efek ini tidak dapat diukurnya denga menghubungkan termometer, hal ini adalah sesuatu yang tersembunyi dan disebut kalor laten. Kalor laten didefenisikan sebagai kalor yang saat ini diberikan atau diambil dari substansi akan merubah keadaan substansi tanpa adanya perubahan temperatur. Kalor laten fusi adalah kalor yang harus ditambahkan pada satu pound padatan yang berada pada temperatur cair untuk merubah keadaannya pada keadaan cair pada temperatur yang sama. Kalor laten fusi juga dikeluarkan dari suatu cairan sebanyak 1 pound untuk menjadi fase padatan pada temperatur yang tetap. Untuk air kalor laten fusi adalah L (air) = 144 BTU/1 b. Dan jika kalor ditambahkan lagi kedalam cairan air maka dengan segera temperatur akan mulai naik lagi, kalor ini adalah kalor sensibel. Pada saat air mulai menjadi hangat karena pada satu BTU temperatur menjadi 1˚F. Jika kalor ditambahkan lagi sampai temperatur mencapai 212˚F mka kalor yang harus ditambahkan adalah sebesar 180 BTU dan akan berada pada kondisi dititik D pada diagram T-H, total kalor dari 0˚F sekarang adalah 340 BTU. Dengan terusnya penambahan kalor maka cairan akan mulai mendidihdan mengeluarkan uap airnya walaupun temperaturnya tidak naik. Perubahan fase ini berada pada garis sepanjang DE pada diagram T-H. Kalor yang diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap semuanya adalah sebesar 970 BTU yang membawanya dalam kondisi dititk E pada diagram. Masih pada temperatur 212˚F maka total kalor adalah 1310 BTU. Total kalor ini terdiri dari kalor sensibel dan kalor laten. Kalor laten penguapan LV adalah kalor yang harus ditambahkan pada 1 pound dari suatu cairan yang sudah berada pada temperatur titik didih dan dirubahnya pada keadaan fase uap pada temperatur yang sama. Kalor laten penguapan juga sama dengan jika kalor diambil dan akan menyebabkan 1 pound uap air mengkondensasi menjadi cairan. Untuk air kalor laten pengupan adalah Lv (air) 970 BTU/1 b pada 212˚F atau 100˚C. Dan dengan menambahkan kalor terus maka temperatur

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 10

uap akan naik dan pada proses EF pada diagram T-H adalah suatu proses kalor sensibel. Proses ini memerlukan 0,48 BTU untuk masing-masing 1˚F dengan naiknya temperatur uap, jadi C adalah 0,48 untuk pemanasan uap pada tekanan atmosfer.

Gambar 2.3 Diagram Temperatur-kalor (T-H) air murni 1 pound

2.5. Zat absorben

Zat absorben adalah suatu zat yang bentuk fisiknya mempunyai pori-pori. Bahan berpori ini mempunyai daya untuk mengurangi tekanan dengan memberi kesempatan kepada molekul-molekul dari uap air untuk masuk kedalam pori-pori dari bahan absorben dan memberi hambatan untuk mengeluarkannya. Zat absorben padat yang biasa dipakai adalah kolrida-klorida dari kalsium (Ca), barium (Ba), Strontium, amina, metil dan etil, arang kayu yang diaktifkan, silika gell yang terbuat dari silika natrium dan asam belerang. Uap air diembunkan pada permukaan yang disebut absorsi. Zat-zat lembam lain yang mempunyai permukaan yang besar dapat juga dipakai seperti hidroksida feri,oksida titanium, oksida timah putih dan gel-gel lainnya. Zat-zat absorben padat yang paling baik adalah zat yang tidak dapat dirusak oleh karena adanya proses pendinginan. Untuk zat absorben silika gell diameter pada pori-porinya adalah kurang lebih 4x10¯7 cm sebab isi bagian dalam adalah kurang lebih 50% dari bagian luar, dari hitungan dengan diketahuinya reduksi penurunan dari tekanan uap dari zat cair, sedang kebanyakan dari zat-zat diduga mempunyai diameter molekuler sebesar 3x10¯8 cm. Jadi pori-pori adalah demikian kecilnya sehingga yang masuk kedalam gell adalah kurang lebih 10 molekul dalam jajaran satu garis. Molekul-molekul yang mempunyai kecepatan lebih besar dari pada kecepatan rata-rata dalam zat cair akan berjalan dengan memecah zat cair dan masuk kepermukaan diluar zat absorben, sebagian besar dari molekul-molekul masuk kedalam meniskus disisi laindari pori. Sebagai hasil akhir apabila bahan berpori dipelihara dalam keadaan dingin pori-pori dapat mengeerjakan adsopsi sebanyak 25% dari berat uap air. Selain kejadian ini ada juga kemungkinan terbentuknya lapisan dari uap air yang diserap hasil adsorpsi, pada permukaan dari zat padat bersambung dengan

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 11

lapisan kedua dari uap dengan berbagai-bagai ketebalan dipegang oleh atraksi molekuler antara uap dan zat padat absorben. Arang kayu mungkin bergantungan pada atraksi molekuler. Umumnya uap-uap dari zat dengan titik didih lebih kuat diserap hasil pekerjaan adsorpsi dari uap-uap zat cair dengan titik didih rendah dan kecenderungan ini berkurang dengan naiknya suhu dan bertambah dengan naiknya tekanan partial dari uap air yang diserap hasil pekerjaan adsorpsi. Secara matematis yang didapat juga dari empiris yang dikemukakan oleh Freundilich adalah X = ap ⅓ , X adalah kebanyakan uap yang diserap hasil pekerjaan adsorpsi perkesatuan banyaknya zat padat yang diserap hasil pekerjaan adsorpsi, p adalah tekanan partial dari gas yang berada dalam keadaan setimbang dengan zat padat, a dan n adalah harga tetapan yang biasanya adalah lebih besar dari 1,0. Untuk penyerapan oksida belerang hasil pekerjaan adsorpsi oleh silika gell. Persamaan Freundlich dapat juga ditulis x = a (rs) ⅓, r adalah kelembaban relatif dan s adalah tegangan permukaan. Mc Gavack telah menemukan bahwa apabila r dinyatakan dalam sentimeter kubik dari oksida belerang untuk tiap gram silika gell maka n = 2, 24 untuk daerah suhu yang luas zat absorben silika gell yang dipergunakan untuk proses pendinginan harus mempunyai kemurnian yang terjamin dan harus cukup keras sehingga tidak mudah pecah disamping itu harus memiliki daya uap air yang cukup tinggi untuk jangka waktu lama. Oleh karena itu absorben silika gell sebelum dipakai untuk proses pendinginan harus disimpan didalam suatu wadah yang tertutup sempurna supaya absorben silika gell pada waktu tidak dipakai untuk proses pendinginan tidak jenuh dengan uap air

2.5.1. Jenis dan sifat dari beberapa zat absorben

Absorben silika gell, jenis ini mempunyai komposisi SinH20, rupa sebelum basa gelas tembus cahaya tak berwarna, setelah basah tetap tidak berubah, tidak beracun, tidak mudah terbakar, tidak berbau. Penjenuhan penyerapan untuk jenis A kira-kira 40% dan untuk jenis B bisa mencapai 80%. Atau absorben ini mudah untuk didaur ulang (diregenerasi) dan dengan jalan memanaskan pada temperatur 150 sampai 200ºC selama 1 sampai 2 jam, regenerasi ini tidak akan menyebabkan perubahan pada sifat-sifatnya. Zat absorben silika gell ini apabila tercampur dengan produk lain karena kesalahan maka zat absorben silika gell tidak akan bereaksi dan dengan mudah dapat dipisahakan.

S/V sorverbead, jenis ini mempunyai komposisi sejenis asam silika, sebelum basah mempunyai rupa bola tembus cahaya dan setelah basah tidak berubah, mempunyai sifat tidak beracun, tidar berbaur dan tidak mudah terbakar. Penjenuhan penyerapan hampir sama dengan zat absorben silika gell. Jenis ini mudah untuk didaur ulang (diregenerasi) dengan jalan memanaskan pada temperatur 200ºC selama 8 jam atau lebih cepat. Jika bercampur dengan produk lain karena kesalahan maka zat absorben jenis ini tidak bereaksi dan dengan mudah dapat dipisahkan.

Ayakan melekuler, jenis ini dapat dikomposisi Zeolit sintetik, sebelum basah mempunyai rupa seperti kristal kecil dan setelah basah keadaannya tidak berubah, jenis ini mempunyai sifat tidak berbau, tidak beracun, dan tidak mudah terbakar. Penjenuhan penyerapan terhadap uap air mempunyai nilai lebih besar dari pada zat absorben silika gell. Untuk mendaur ulang atau regenerasi dengan jalan memanaskan pada temperatur 200ºC dan jika zat absorben jenis ini bercampur dengan produk lain oleh karena kesalahan maka dengan mudah dapat dipisahkan dan tidak bereaksi.

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 12

2.6. Energi matahari Energi matahari adalah energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Spektrum gelombang elektromagnetik terdiri dari gelombang radio, gelombang mikro, sinar infra merah, spektrum nampak, sinar ultraviolet, sinar x dan sinar kosmis. Jenis-jenis ini, energi matahari sebagian besar terdiri dari sinar infra merah, spektrum nampak (cahaya) , dan sinar ultraviolet, dalam panjang gelombang mempunyai range kira-kira 10¯4m sampai 10¯8m cahaya nampak mempunyai range panjang gelombang kira-kira dari 7000ºA (merah) sampai 4100ºA (ungu). Radiasi yang menyebabkan objek atau material yang mengabsorbsinya dan menjadi panas disebut heat rays. Radiasi ini mempunyai karakteristik panjang gelombang yang mendekati spektrum infra merah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1.

Gambar 2.4. Spektrum sinar matahari Gambar 2.4 Spektrum sinar matahari

Distribusi dari energi matahari dalam beberapa daerah panjang gelombang secara pendekatan dapat dinyatakan sebagai berikut : Infra merah 43%, gelombang nampak 54% dan ultraviolet 3%. Semua gelombang elektromagnetik berjalan melalui angkasa pada kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya, C = 2,998 x 10 8 m/det. Kecepatan gerakan gelombang adalah frekuensi f dan panjang gelombang λ seperti dalam persamaan v = f λ. Untuk cahaya atau gelombang elektromagnetik maka kecepatan cahaya adalah C = f λ. Semenjak C konstan, frekuensi f, panjang gelombang λ berlawanan, maksudnya energi elektromagnetik dari panjang gelombang pendek mempunyai frekuensi yang tinggi seperti cahaya ultraviolet dan panjang gelombang yang besar mempunyai frekuensi yang lebih rendah misalnya sinar infra merah. 2.7 Radiasi matahari dipermukaan bumi Pada level permukaan tanah dan rata-rata untuk daerah geografis yang berbeda-beda dan musim tahunan, rata-rata intensitas radiasi matahari (daya) yang datang pada suatu permukaan dari satuan luasan normal mempunyai range 100 sampai 300 Btu/jam-ft. Radiasi langsung dari suatu permukaan datar menerima radiasi diffuse dari angkasa dan radiasi pantulan dari objek yang ada disekitarnya, bangunan atau permukaan bumi. Jumlahan dari besaran-besaran diatas disebut radiasi matahari total.

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 13

2.8. Energi sensibel substansi Suatu substansi akan naik temperaturnya apabila energi kalor ditambahkan kedalamnya, dan temperatur akan turun apabila energi yang ada didalamnya dipindahkan keluar dari substansi tersebut. Perubahan temperatur ini disebabkan karena adanya perubahan energi dalam dari atom-atom dan molekul pembentuk substansi tersebut. Penambahan kalor dan kehilangan kalor tidak selalu diikuti dengan adanya perubahan temperatur. Dalam kondisi yang tertentu suatu penambahan dan kehilangan energi dalam akan menyebabkan substansi merubah keadaannya untuk lebih mudah menyebabkan adanya perubahan temperatur. Energi melekuler dari substansi yang berbeda-beda tidaklah sama pada temperatur yang sama. Air adalah substansi yang standar untuk mengukur energi kalor dan satuan kwantitas kalor untuk British Thermal Unit didefenisikan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 pound air untuk satu fahrenhet derajat. 1 BTU adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air 1ºF sebanyak 1 pound. Atau didalam Sistem Internasional 1 kkal adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air 1ºC sebanyak 1 kg. Dipilihnya air sebagai substansi standar disebabkan karena air mempunyai kapasitas kalor spesifik yang paling tinggi dari semua substansi yang ada pada saat ini, sedangkan kapasitas spesifik berbagai substansi untuk berbagai bahan antara 0 sampai 100ºC dapat ditunjukkan pada tabel 2.1.

Banyaknya kalor suatu substansi yang akan diserap yang dipergunakan untuk menaikkan maupun menurunkan temperatur tergantung dari masa substansidan perubahan temperaturnya, secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut, H = mo (Ta-To) dimana H dalam kkal, m dalam kg Ta-To dalam ºC.

Tabel 2.1 Kapasitas kalor spesifikasi sebagai substansi antara 0 sampai 100ºC

Substansi BTU/1 b-F Atau kkal/kg - oC

kJ/kg - oC

Air (murni & cair) Udara (kering) Alumnium Tembaga Besi Uap Uap Air 70oC

1.00 0,24 0,22 0,093 0,115 0,48 0,45

4.19 1,01 0,92 0,39 0,48 2,01 1,88

Tabe 2.1 Kapasitas kalor spesifik sebagai substansi antara 0 sampai 100oC

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 14

BAB III Tujuan Dan Manfaat Penelitian

III 1. Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah untuk membuat suatu sistem pendingin

dengan menggunakan zat absorben silika gell. Yang mana sistem ini dapat menggantikan mesin pendingin listrik.

III 2. Manfaat Penelitian

Hasil penelitian ini diharapkan dapat berfungsi sebagai alternatif lain untuk pembuatan es, menyimpan bahan makanan, kenyamanan dirumah, di kantor maupun di pabrik, untuk pengkondisian lingkungan untuk ruangan yang menyipan suatu peralatan yang mengharuskan dituntutnya suatu kondisi tertentu yang selama ini masih menggunakan energi listrik untuk mengoperasikannya.

BAB IV METODE PENELITIAN

4.1. Pengambilan data

Pada penelitian ini untuk mendapatkan data penelitian dipergunakan teknik pengukuran, data-data yang diambil adalah pengukuran besarnya penurunan temperatur dari substansi setelah substansi tersebut dipaksa menguap dan uap airnya diabsorsi oleh zat absorben silika gell. Prosedur pengambilan data dapat diterangkan sebagai berikut. Substansi yang dipilih adalah air, Substansi air murni (aquades) dimasukkan kedalam gelas erlenmeyer yang mempunyai volume 250 cc,tempat ini diisolasi sedemikian rupa sehingga tidak ada pertukaran kalor antara substansi air yang ada didalam gelas erlenmeyer dengan udara yang ada disekitarnya sehingga temperatur sekitar erlenmeyer tidak mempengaruhi gelas erlenmeyer yang telah diisolasi. Sedangkan zat absorben silika gell dimasukkan kedalam gelas erlenmeyer yang lainnya, antara gelas yang satu dihubungkan dengan gelas erlenmeyer yang lainnya dengan menggunakan pipa kaca yang ditengah dipasang katup yang terbuat dari kaca. Secara skema dapat ditunjukkan pada gambar 4.1.

Sistem penyerapan kalor yang akan dipergunakan untuk penelitian ini secara lengkap dapat ditunjukkan pada gambar 3.2. Peralatan yang dipergunakan untuk pengambilan data dalam penelitian ini adalah timbangan neraca triple beam dengan ketelitian 0,01 gram yang dipergunakan untuk menimbang substansi air dan zat absorben silika gell, 2 buah gelas erlenmeyer berukuran 250 ml yang dipergunakan untuk menampung substansi yang akan didinginkan dan untuk menampung zat absorben silika

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 15

Gambar 4.1 Sistem penyerapan kalor oleh silika gell

gell, thermometer air raksa dengan ketelitian 0,1ºC untuk mengukur perubahan temperatur sebelum dan sesudah proses pendinginan terjadi. Secara lengkap peralatan dan sistem penyerapan kalor dapat ditunjukkan pada gambar 3.3.

Gambar 4.2. Sistem penyerepan kalor dengan silika gell secara lengkap

Gambar 4.3. Peralatan yang dipergunakan untuk penelitian

Sebelum dilakukan pengukuran temperatur, substansi air harus ditentukan masanya dan pada saat awal pengukuran katup harus dalam keadaan tertutup, probe

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 16

thermometer dimasukkan kedalam wadah yang memuat substansi air yang sudah diisolasi dengan sekelilingnya seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.4.

Setelah katup dibuka untuk beberapa saat lamanya sampai penunjukkan thermometer tidak berubah yang kemudian data temperatur tersebut dicatat. Proses ini diulang terus menerus dengan penambahan zat absorben silika gell sampai diperoleh temperaturyang minimum. Data yang diperoleh disusun dalam tabel 3.1.

Gambar 4.4. Sistem penyarapan kalor yang siap untuk pengambilan data

masa air = 200 gram No. Ta (oC) Tb (oC) Masa silika gell

(gram) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

28,5 28,4 28,4 28,4 28,5 28,5 28,6 28,6 28,5 28,5 28,4 28,3 28,3 28,2 28,2 28,2 28,1 28,1 28,0 28,0

28,2 28,0 27,7 27,5 27,3 27,1 27,0 26,7 26,4 26,2 25,9 25,7 25,5 25,4 25,3 25,2 25,2 25,1 25,0 25,0

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290

Tabel 4.1. Data pebukurnya besarnya temperatur pada substansi air untuk masa air dan absorben silika gell yang bervarisi

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 17

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

Data-data yang diperoleh yang didapatkan dari hasil pengukuran untuk setiap masa air tertentu dapat dipergunakan untuk mencari beberapa besar kalor yang diserap atau dipompakan keluar oleh zat absorben silika gell. Hasil perhitungan dari data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran dapat ditabelkan pada tabel 4.1. Ta adalah temperatur substansi pada saat awal atau pada saat katup penghubung kedua wadah dalam keadaan terbuka sampai penunjukkan termometer menunjukkan pada penunjukkan yang tetap. H adalah energi yang dipompakan keluar oleh zat absorben silika yang besarnya adalah H = m c (Ta-Tb) kal yang ditunjukkan pada kolom 5 pada tabel 4.1, sedang pada kolom 6 pada tabel 6 adalah menunjukkan besarnya kalor yang diserap untuk persatuan masa zat absorben silika gell. Setelah didapatkan harga-harga banyaknya kalor yang diserap untuk persatuan masa zat absorben silika gell untuk masing-masing besarnya zat absorben silika gell maka secara rata-rata dapat dihitung besarnya kalor yang diserap oleh zat absorben silika gell dalam proses pendinginan yaitu 1,998 kalor/gram zat absorben silika gell, atau dengan arti lain dalam 1 gram zat absorben silika gell mampu memompakan kalor 1,998 kalori selama dalam proses pendinginan. Untuk mendapatkan kurva karakteristik zat absorben silika gell dapat diperoleh dengan jalan menggunakan analisa regresi dari data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran, tetapi untuk Masa substansi air = 200 gram

NO Ta (ºC) Tb (ºC) Masa silika gell (g)

H=mc (Ta-Tb)

H/m (kal/g Si O

1. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

28,5 28,4 28,4 28,4 28,5 28,5 28,6 28,6 28,5 28,5 28,4 28.3 28,3 28,2 28,2 28,2 28,1 28,1 28,0 28,0

28,2 28,0 27,7 27,5 27,3 27,1 27,0 26,7 26,4 26,2 25,9 25,7 25,5 25,4 25,3 25,2 25,2 25,1 25,0 25,0

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290

60 80 140 180 240 280 320 380 420 460 500 520 560 560 580 600 580 600 600 600

0,60 0,72 1,17 1,38 1,71 1,86 2,00 2,23 2,33 2,42 2,50 2,48 2,54 2,54 2,41 2,43 2,22 2,22 2,14 2,06

Tabel 5.1. Hasil perhitungan kalor yang dipompakan keluar

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 18

Mendapatkan kurva zat absorben dalam penelitian ini dipergunakan suatu paket program yang sudah ada yaitu menggunakan paket program engenering graph yang sudah biasa digunakan untuk mendapatkan suatu persamaan jika harga variabel-variabel untuk absis dan ordinat dudah diketahui.

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan analisa regresi maka dapat disimpulkan bahwa :

1. Dapat ditentukan sebuah persamaan kalor yang diserap fungsi masa silika gell. 2. Untuk 1 gram silika gell dapat memompakan keluar kalor sebanyak 1,998 kolori.

5.2 Saran

Untuk mendapatkan kapasitas penyerapan kalor yang relatif lebih banyak maka diperlukan zat absorben yang sanggup melakukan aksi penyerapan uap air yang lebih banyak, pada saat ini zat absorben yang dipergunakan adalah zeolit yaitu suatu senyawa batu gunung.

DAFTAR PUSTAKA

Heap, R D “ Heat Pumps” , 2nd edition, E & F.N, Spon, New York 1983. Kolbusz, “ Industrial application of heat pum “ , Report No : ECRC / N 845, Electricity

Council Centre, Copenhurst, 1975. Kannock, “ Heat recovery from waste water in dyeing process by absrption heat pump “.

Bedford, 1982. Norman C. Harris, “ Modern Air Conditioning Practice “ 3 th edition, Mc Graw-hill

International book Company, 1983. Perry, R.H, Green D.W and Malony, “ Perry’s chemical engineers, hand book “ J.O, 6 th

edition, Mc Grow-Hill Inc, 1984. Richard C. Jordan & Gayle B. Priester, “ Refrigeration and conditioning “, Prentice-Hall,

India, 1976. Wiranto Arismunandar, Heizo Saito, “ Penyegaran udara “ PT. Pradnya Paramita,

Jakarta, 1981.

e-USU Repository ©2004 Universitas Sumatera Utara 19