MAKALAH ADIABATIK ROKET

PROSES ADIABATIK PADA REAKSI PEMBAKARAN

MOTOR ROKET PROPELAN

DADANG SUPRIATMAN

STT - JAWA BARAT

2013

Halaman | 2

DAFTAR ISI

JUDUL 1

DAFTAR ISI 2

DAFTAR GAMBAR 3

BAB I PENDAHULUAN 4

1.1 Latar Belakang 4

1.2 Rumusan Masalah 5

1.3 Tujuan 5

BAB II PEMBAHASAN 6

2.1 Sistem dan Lingkungan 6

2.2 Jenis Sistem Termodinamika 6

2.3 Hukum-hukum Dasar Termodinamika 7

2.4 Hukum I Termodinamika 8

2.5 Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses Termodinamika 8

2. 6 Proses Terbalikkan dan Proses Tak Terbalikkan 11

2.7 Mesin Kalor 12

2.8 Motor Roket Propelan 13

2.9 Ekspansi Adiabatik Motor Roket Propelan 14

2.10 Suhu Nyala Adibatik Motor Roket Propelan 16

BAB III KESIMPULAN 17

Halaman | 3

DAFTAR GAMBAR

Gb.1 Skema sistem temodinamika 6

Gb.2 grafik proses isotermal 9

Gb.3 grafik proses adiabatik 9

Gb.4 grafik isokhorik 10

Gb.5 grafik isobarik 10

Gb. 6 Proses Terbalikkan dan Tak terbalikkan 11

Gb 7. Siklus Proses Termodinamika 12

Gb 8. Siklus Carnot 13

Gb 9. Ekspansi Motor Roket Propelan 14

Gb 10. Temperatur Nyala Adiabatik Motor Roket 16

Halaman | 4

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Termodinamika berasal dari kata thermos yang berarti panas dan dynamic yang berarti

perubahan. Secara umum, termodinamika memiliki beberapa pengertian, Termodinamika

dalam arti sempit merupakan salah satu cabang dan usaha (kerja), serta sifat-sifat zat yang

mendukung hubungan tersebut. Hubungan atau pertukaran ini didasarkan pada hukum

pertama dan kedua termodinamika. Ilmu Alam (Fisika) yang mempelajari materi yang ada

dalam keseimbangan terhadap perubahan suhu, tekanan, dan komposisi kimia. Termodinamika

juga merupakan ilmu yang mempelajari hubungan antara panas dan usaha (kerja), serta sifat-

sifat zat yang mendukung hubungan tersebut. Hubungan atau pertukaran ini didasarkan pada

hukum pertama termodinamika.

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada paham tentang:

1. Energi yang kekal

2. Proses yang menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi tapi proses yang menghapuskan

entropi mustahil terjadi.

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 dicari kondisi yang bagaimana supaya dapat di hasilkan produk yang

maksimum.

Prinsip-prinsip dan metode-metode termodinamika digunakan untuk:

1. Menjelaskan kerja beberapa sistem

2. Menjelaskan mengapa suatu sistem tertentu tidak bekerja seperti yang diinginkan

3. Menjelaskan mengapa suatu sistem sama sekali tidak mungkin bekerja

4. Dasar teoritik insinyur perencana dalam merencanakan sistem atau mesin-mesin

Salah satu hukum termodinamika adalah hukum termodinamika pertama yang menyatakan

bahwa perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total

dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap

Halaman | 5

sistem. Proses adiabatik merupakan salah satu proses dalam termodinamika, dalam proses

adibiatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q = O).

Proses adibiatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik.

Salah penerapan konsep proses adiabatik adalah dalam reaksi pembakaran motor roket

propelan. Roket propelan adalah material yang digunakan oleh roket untuk menghasilkan rekasi

kimia, untuk reaksi keseluruhan (reaksi propulsive) dengan kecepatan tinggi. Pada propelan

roket terjadi reaksi eksotermis yang menghasilkan gas panas. Konsep adiabatic termal dan

ekspansi adiabatik digunakan untuk menjelaskan reaksi pembakaran pada motor roket

propelan.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas, rumusan masalah dalam makalah ini adalah :

1. Bagaimana konsep hukum termodinamika

2. Bagaimana penerapan proses adiabatik dalam reaksi pembakaran motor roket

propelan

1.3 Tujuan

Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk memahami konsep hukum termodinamika

dan mengetahui penerapan proses adiabatic dalam reaksi pembakaran motor roket propelan

Halaman | 6

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Sistem dan Lingkungan

Suatu sistem termodinamika adalah suatu 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. Dalam aplikasinya batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun

lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak.

Gb.1 Skema sistem temodinamika

2.2 Jenis Sistem Termodinamika

Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi

antara sistem dan lingkungan:

1. Sistem Terisolasi

Pada sistem ini tidak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan

lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung

gas terisolasi.

sistem

Batas Sistem

LINGKUNGAN

Halaman | 7

2. Sistem Tertutup

Pada sistem ini terjadi pertukaran energi tapi tidak terjadi pertukaran benda

dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup dimana

terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.

Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya

dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

a pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

b pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

3. Sistem Terbuka

Pada sistem ini terjadi pertukaran energi dan benda dengan lingkungannya.

Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel.

Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

2.3 Hukum-hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

• Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan

sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.

• Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan

energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari

jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan

terhadap sistem.

• Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan

bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk

meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

Halaman | 8

• Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini

menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut,

semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.

Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna

pada temperatur nol absolut bernilai nol.

2.4 Hukum I 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 di dalam 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.

Berdasarkan hukum kekekalan energi maka Hukum I Termodinamika

dirumuskan:

Yaitu : ∆U = Q + W

Dengan : ∆U = U2-U1

Jadi, hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang

diaplikasikan pada kalor, usaha, & energi dalam. Hukum I termodinamika menyatakan

bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi perubahan energi dalam & usaha.

2.5 Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses Termodinamika

Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses, yaitu:

1. Proses Isotermal

Dalam proses ini, suhu sistem dijaga agar selalu konstan. Suhu gas ideal berbanding

lurus dengan energi dalam gas ideal dan tekanan sistem berubah penjadi (tekanan

sistem berkurang).

Gb.2 grafik proses isotermal

2. Proses Adiabatik

Dalam proses adibiatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau

meninggalkan sistem (Q = O). Proses adibiatik

terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya

tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir kedalam sistem atau meninggalkan

sistem. Proses adibiatik juga bisa terjadi pada siste

Proses dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju

sistem atau meninggalkan sistem.

Gb.3 grafik proses adiabatik

grafik proses isotermal


meninggalkan sistem (Q = O). Proses adibiatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang



sistem. Proses adibiatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi.


sistem atau meninggalkan sistem.

grafik proses adiabatik

Halaman | 9


bisa terjadi pada sistem tertutup yang



m tertutup yang tidak terisolasi.


Halaman | 10

3. Proses Isokhorik

Dalam prose isokhorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume

sistem selalu konstan, maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan.

Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.

Gb.4 grafik isokhorik

4. Proses Isobarik

Dalam proses isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang

konstan adalah tekanan maka perubahan energi dalam (∆U) ,kalor (Q), dan kerja (W)

pada proses isobarik tidak ada dan bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum

pertama termodinamika tetep utuh seperti semula.

Gb.5 grafik isobarik

Halaman | 11

2. 6 Proses Terbalikkan dan Proses Tak Terbalikkan

Secara alami kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, tidak

sebaliknya. Balok meluncur pada bidang, tenaga mekanik balok dikonversikan ke tenaga

internal balok & bidang (kalor) saat gesekan. Proses tersebut termasuk proses tak terbalikkan

(irreversible). Kita tidak dapat melakukan proses sebaliknya.

Proses terbalikkan terjadi bila sistem melakukan proses dari keadaan awal ke keadaan

akhir melalui keadaan setimbang yang berturutan. Hal ini terjadi secara quasi-statik. Sehingga

setiap keadaan dapat didefinisikan dengan jelas P, V dan T-nya. Sebaliknya pada proses

irreversible, kesetimbangan pada keadaan perantara tidak pernah tercapai, sehingga P,V dan T

tak terdefinisikan.

pasir p irreversible

f

i reversible

V

Gb. 6 Proses Terbalikkan dan Tak terbalikkan

Halaman | 12

2.7 Mesin Kalor

Rangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada

keadaan yang sama disebut siklus.

p 2

3

1 4

V

Gb 7. Siklus Proses Termodinamika

Untuk sebuah siklus, ∆T = 0 oleh karena itu ∆U = 0. Sehingga

Q = W.

Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q1) dan kalor yang keluar (Q2) (Q = Q1- Q2) dan W

adalah kerja total dalam satu siklus.

Siklus Carnot

Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus

antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien.

Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur Th (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan

kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor Th dari

reservoir dan melakukan usaha Wab menggerakkan piston.

Halaman | 13

Qh

a

bb

d

Qc c

Gb 8. Siklus Carnot

Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama

proses temperatur gas turun dari Th ke Tc (temperatur rendah) dan melakukan usaha Wab .

Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur Tc (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan

kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Qc dari

reservoir dan mendapat usaha dari luar Wcd.

Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama

proses temperatur gas naik dari Tc ke Th dan mendapat usaha Wda .

Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :

η = W/Qh = 1 - Qc /Qh

karena Qc /Qh = Tc /Th (buktikan)

maka

η = 1 - Tc /Th

2.8 Motor Roket Propelan

Pada dunia peroketan, proses pembuatan propelan untuk motor roket padat dapat

dilakukan dengan dua cara yaitu free standing dan case bonded. Pada cara yang pertama,

propelan dibuat menggunakan tabung cetakan. Propelan yang dihasilkan dilapisi protektor

Halaman | 14

termal terlebih dahulu dan dimasukkan ke dalam tabung motor roket. Celah antara propelan

dan dinding tabung diisi dengan material penahan panas (liner dan insulator). Sebaliknya, pada

metode case bonded, propelan langsung dicetak ke dalam tabung motor roket yang

sebelumnya sudah dilapisi dengan liner. Cara yang kedua (case bonded) lebih efisien karena

motor roket akan dapat berisi propelan lebih maksimal dari pada cara pertama (free standing).

Roket dibuat dengan gaya dorong dengan menghilangkan massa mundur dalam kecepatan

tinggi (hukum Ketiga Newton). Gaya dorong dibuat dengan mereaksikan propelan dalam ruang

pembakaran menjadi gas yang sangat panas pada tekanan tinggi, yang kemudian diperluas dan

dipercepat oleh bagian melalui nozzle di bagian belakang roket. Besarnya gaya ke depan yang

dihasilkan, dikenal sebagai dorong, yang dihasilkan adalah laju aliran massa propelan dikalikan

dengan kecepatan ruang pembuangan (relatif terhadap roket), sebagaimana ditentukan oleh

hukum ketiga Newton tentang gerak.

2.9 Ekspansi Adiabatik Motor Roket Propelan

Pada saat pelepasan material propelan, terjadi proses adiabatic. Volume udara akan

meningkat, karena adanya penurunan tekanan dan terkait dengan penurunan gaya dorong.

Dalam kondisi tersebut proses adiabtik terjadi (tidak ada transfer panas yang terjadi selama

proses ekspansi pada sepersekian detik), yang terkait dengan variasi waktu dan tekanan

terhadap volume.

Gb 9. Ekspansi Motor Roket Propelan

Proses ekspansi adiabatik diturunkan dari persamaan energi gas ide

mengikuti persamaan berikut :

Dimana :

Po adalah tekanan awal absolute (Pa)

Vo adalah volume awal udara terkompresi (m

k adalah rasio kapasitas panas spesifik (k=1.4 untuk udara)

P, V adalah variasi tekanan dan volume

Proses pembakaran roket motor propelan dianggap mengikuti gas ideal selama proses

berlangsung dan mengabaikan energi potensial atau kinetic yang terjadi dan bentuk persamaan

energi yang sederhana untuk sistem kompressibel :

δδδδq - δδδδw = du

Dimana δδδδq = 0 adalah transfer panas (setara dengan nol untuk proses adiabatic). Sebagai

catatan bahwa δδδδ (delta) mengindikasikan bahwa panas dan kerja adalah bagian dari fungsi.

δδδδw = P dv adalah kerja batas spesifik yang dilakukan dengan expanding udara terkompresi

(J/kg) dan V adalah spesifik volume udara (

massa.

du = Cv dT adalah perubahan energi internal (dalam) udara, Cv adalah kapasitas panas

spesifik pada volume konstan udara (J/kg K) dan T merupakan suhu absolute (K

Sehingga

P dv + Cv dT = 0

Persamaan gas ideal Pv = R T (R adalah konstanta gas) diperoleh :

P dv + v dP = R

Proses ekspansi adiabatik diturunkan dari persamaan energi gas ideal dan dikembangkan

Po adalah tekanan awal absolute (Pa)

Vo adalah volume awal udara terkompresi (m3)

k adalah rasio kapasitas panas spesifik (k=1.4 untuk udara)

P, V adalah variasi tekanan dan volume



energi yang sederhana untuk sistem kompressibel :

transfer panas (setara dengan nol untuk proses adiabatic). Sebagai

(delta) mengindikasikan bahwa panas dan kerja adalah bagian dari fungsi.

adalah kerja batas spesifik yang dilakukan dengan expanding udara terkompresi

kg) dan V adalah spesifik volume udara (m3/kg). Catatan bahwa V = m v, dimana m adalah

adalah perubahan energi internal (dalam) udara, Cv adalah kapasitas panas

spesifik pada volume konstan udara (J/kg K) dan T merupakan suhu absolute (K).

T = 0

Persamaan gas ideal Pv = R T (R adalah konstanta gas) diperoleh :

P = R dT

Halaman | 15

al dan dikembangkan



transfer panas (setara dengan nol untuk proses adiabatic). Sebagai

(delta) mengindikasikan bahwa panas dan kerja adalah bagian dari fungsi.

adalah kerja batas spesifik yang dilakukan dengan expanding udara terkompresi

/kg). Catatan bahwa V = m v, dimana m adalah

adalah perubahan energi internal (dalam) udara, Cv adalah kapasitas panas

).

Halaman | 16

Disubsitusikan ke dalam persamaan energi, didapatkan :

P dv (1 + Cv/R) + v dP (Cv/R) = 0

2.10 Suhu Nyala Adibatik Motor Roket Propelan

Suhu nyala adiabatic adalah suhu yang dicapai oleh reaksi pembakaran secara adiabatik, bahwa

tidak ada panas yang keluar ataupun masuk dalam sistem. Temperatur maksimum yang dapat

dicapai untuk reaktan yang diberikan dan digunakan untuk memperkirakan temperatur

chamber pembakaran (Tc) pada motor roket.

Berikut contoh grafik temperatur nyala adiabatic versus tekanan chamber pembakaran untuk

oksigen cair dan kerosene pada perbandingan 3 campuran yang berbeda. Perbandingan

percampuran yakni 2.20, 2.25 dan 2.30 pada tekanan 75 atmosfer dimana temperatur nyala

yang diberikan sekitar 3.545 Kelvin.

Gb 10. Temperatur Nyala Adiabatik Motor Roket

Halaman | 17

BAB III

KESIMPULAN

Berdasarkan uraian pada makalah di atas dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Suatu sistem termodinamika terkait dengan panas dan kerja yang terjadi dalam

suatu sistem dan lingkungan.

2. Hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan

kalor sebagai model perpindahan energi. Hukum pertama termodinamika dilakukan

dalam empat proses, yaitu: proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan

proses adiabatik.

3. Pada reaksi pembakaran motor roket propelan menerapkan prinsip proses adiabatik

yakni tidak ada transfer panas yang terjadi (tidak ada panas yang masuk maupun

keluar dari sistem). Transfer panas yang terjadi = 0.

MAKALAH ADIABATIK ROKET

Documents

Transcript of MAKALAH ADIABATIK ROKET