Pengertian Pemuaian [PDF]

Citation preview

Dasar Teori 1. Pengertian Pemuaian Sebagian besar zat akan mengalami pembesaran jika dipanaskan atau pengecilan ketika didinginkan. Ketika suatu zat dipanaskan, molekul-molekul yang terdapat pada zat tersebut akan bergetar lebih cepat dan amplitudo getaran akan semakin bertambah besar, akibatnya jarak antara molekul benda akan menjadi lebih besar dan terjadilah pemuaian. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair, dan gas. Besarnya pemuaian zat sangat tergantung pada ukuran awal benda, kenaikan suhu, dan jenis zat. Efek pemuaian zat sangat bermanfaat dalam pengembangan berbagai jenis teknologi.



Gambar 1. Contoh pemuaian pada rel kereta api



Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda yang terjadi karena kenaikan suhu zat.Ketika sebuah bahan mengalami pemanasan, volumenya selalu meningkat dan setiap dimensi meningkat bersamaan (De Chiara, 1978). Pada tingkat mikroskopis dapat menentukan ketepatan hubungan antara hubungan panjang pada objek dengan perubahan suhu, penambahan pada ukuran dapat dipahami pada istilah peningkatan energi kinetik akibat setiap molekul bertubrukan sangat kuat dengan molekul disebelahnya. Molekul akan mendorong satu sama lain sampai terpisah dan mengembangkan bahan(Joseph, 1998). 2. Jenis Pemuaian Pemuaian terbagi menjadi tiga jenis yaitu pemuaian zat padat, cair, dan gas. Ketiga jenis ini akan dijelaskan sebagai berikut: 2.1. Pemuaian zat padat Pemuaian zat padat adalah jenis pemuaian yang terjadi pada suatu benda,contohnnya seperti bingkai jendela, rel kereta api, dan kabel listrik. Bingkai



jendela pada siang hari tampak melengkung, hal ini terjadi karena benda tersebut mengalami pemuaian. Pemuaian pada suatu benda terjadi pada seluruh bagian benda tersebut. Pemuaian pada suatu zat padat dibedakan menjadi tiga yaitu pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. 2.1.1. Pemuaian panjang Pemuaian panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali.



Gambar 2. Contoh pemuaian pada kabel jaringan listrik



Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu. Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda atau jenis bahan. Secara matematis persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan panjang benda setelah dipanaskan pada suhu tertentu adalah:



Kabel jaringan listrik pada instalasinya panjang kabel listrik dilebihkan, hal ini dikarena kabel listrik mengalami pemuaian panjang. Kabel listrik akan



2



tampak kencang pada pagi hari dan tampak kendur pada siang hari. Kabel tersebut mengalami pemuaian akibat terkenan panas dari sinar matahari. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda. Tabel 1.Koefisien muai panjang dari berbagai zat



2.1.2. Pemuaian luas Pemuaian luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada. Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah jendela kaca rumah. Pada saatu udara dingin kaca munyyusut karena koefisien muai kaca lebih besar dari pada koefisien muai kayu. Jika suhu meningkat maka kaca akan memuai lebih besar daripada kayu kusen sehingga kaca akan terlihat terpasang dengan rapat pada kusen kayu tersebut.



Gambar 3. Contoh pemuaian pada kaca jendela rumah Seperti halnya pada pemuian luas faktor yang mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Karena sebenarnya



3



pemuaian luas itu merupakan pemuian panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Untuk menentukan pertambahan luas dan volume akhir digunakan persamaan sebagai berikut:



2.1.3. Pemuaian volume



Gambar 4. Contoh pemuaian pada kubus



Pemuaian volume adalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang.Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume dan volume akhir suatu benda adalah:



2.2. Pemuaian zat cair Pemuaian pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal sebagai muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi



4



suhu yang diberikan pada zat cair, maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu. Titik pertemuaan antara wujud cair, padat, dan gas disebut dengan triple point.



Grafik1.Titik triple



Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0oC sampai 4oC volumenya tidak bertambah akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan anomali air. Oleh karena itu, pada suhu 4oC air memiliki volume terendah. Pada suhu 4oC air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikan dari 0– 4oC akan menyusut, dan bila suhunya dinaikan dari 4oC ke atas akan memuai. Hubunga antara volume dan suhu pada air digambarkan pada grafik berikut:



Grafik 2. Hubungan antara volume dan suhu pada air



5



2.3. Pemuaian zat gas Gas mengalami pemuaian ketika suhunya bertambahan dan akan mengalami penyusutan jika suhunya turun. Pada pemuaian zat gas tidak dikenal muai panjang dan muai luas, yang ada hanyalah muai volume gas tersebut. Pemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai berikut: 𝑉 = 𝑉𝑜 (1 + 𝑦. ∆𝑙) Keterangan: y : koefisien muai volume (1/273oC) Pemuaian pada zat gas terbagi menjadi tigas macam yaitu pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal), pada tekanan tetap (isobarik), dan volume tetap (isokhorik). 2.3.1. Pemuaian gas saat isotermal Salah satu contohnya adalah pompa untuk mengisi angin pada ban sepeda. Awalnya akan terasa ringan (ketika diangkat), namun lama kelamaan akan menjadi semakin berat. Hal ini dikarenakan ketika menekan pompa, hal itu berarti volume gas tersebut akan mengecil. Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku hukum Boyle yang menyatakan bahwa gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap. Berdasarkan hal tersebut maka dirumuskan: 𝑃𝑉 = 𝑇𝑒𝑡𝑎𝑝 atau 𝑃1 𝑉1 = 𝑃2 𝑉2 Keterangan : P : tekanan (atm) V : volume (L) 2.3.2. Pemuaian gas saat isobarik Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku hukum Gay Lussac yaitu gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai berikut: 𝑉1 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2



6



Keterangan: V : volume (L) T : suhu (K) 2.3.3. Pemuaian gas saat isokhorik Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sbeanding denga suhu mutlaknya. Hukum ini dirumuskan: 𝑃1 𝑃2 = 𝑇1 𝑇2 Keterangan: P : tekanan (atm) T : suhu (K) 3. Manfaat Pemuaian di Kehidupan Sehari-hari 3.1. Pemasangan roda baja Ban baja yang diameternya lebih kecil dari pelek roda, ketika akan dilakukan instalasi harus dipanaskan terlebih dahulu. Tujuannya agar ban baja mengalami pemuaian dan mempermudah instalasi. Ketika kembali kesuhu normal (ruang) hasil instalasi akan lebih kuat.



Gambar 5. Roda baja



3.2. Pengelingan Pengelingan adalah proses penyambungan dua plat logam menggunakan palu khusus. Kedua plat yang akan disambung, kemudian paku keling yang sudah dipanaskan hingga membara digunakan untuk menyambung, setelah itu dipukul dengan palu khusus untuk di bentuk menjadi datar. Pada saat dingin kembali, paku menyusut dan kedua plat dapat tersambung erat. Pada zaman sekarang pengelingan sering dilakukan pada pembuatan jembatan, pabrik otomotif, pembuatan badan kapal laut, penyambungan pipa,



7



mobil, dan pesawat terbang, serta pada zama dulu pengelingan sering digunakan untuk pembuatan roda pedati.



Gambar 6. Pengelingan



3.3. Membuka tutup botol logam Botol kaca yang memiliki tutup logam sering kali sukar untuk dibuka. untuk membukanya, tutup botol dipanaskan terlebih dahulu dengan apai. ketika dipanaskan, tutup botol logam akan memuai lebih cepat daripada botol kaca sehingga tutup akan longgar dan mudah dibuka.



Gambar 7. Tutup botol



3.4. Keping bimetal Bimetal artinya dua buah logam. keping bimetal adalah dua keping logam yang memiliki koefisien muai panjang berbeda (biasanya kuningan dan besi) yang dikeling menjadi satu. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. pada suhu normal panjang kedua logam sama, jika suhunya naik, kedua logam memuai dengan pertambahan panjang yang berbeda, akibatnya keping bimetal membengkok ke arah logam yang mempunyai koefisien terkecil. Pembengkokan bimetal dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya saklar alarm bimetal, atau termometer bimetal.



8



Gambar 8. Bimetal



Penerapan pada alarm kebakaran , keping bimetal digunakan sebagai saklar alarm. Pada saat terjadi kebakaran suhu ruangan akan meningkat, sehingga menyebabkan keping bimetal memuai ke arah logam yg koefisiennya lebih kecil. Pada saat keping bimetal itu memuai dan melengkung, keping bimetal yang melengkung akan menyentuh ujung dari rangkaian listrik yang terpisah, sehingga rangkaian tersambung dan arus listrik akan mengalir melalui keping bimetal dan alarm akan berbunyi. 3.5. Sambungan rel kereta api



Pemasangan rel kereta api harus menyediakan celah antara satu batang rel dengan batang rel yang lain. Jika pada siang hari dan suhu meningkat, batang rel akan memuai sehingga terjadi pertambahan panjang atau terjadi pemuaian, dengan adanya celah tidak terjadi tabrakan antara dua batang rel yang berdekatan yang dapat menyebabkan rel kereta menjadi bengkok. Sehinga untuk mengatur jarak atau celah tersebut harus diperhitungan sehingga tindak menyebabkan perubahan yang terlalu besar pada rel tersebut. 3.6. Konstruksi jembatan Jembatan seringkali dibuat dari kerangka besi. Rangka jembatan yang terbuat dari besi akan memuai jika suhunya naik, antara ujung rangka jembatan 9



dengan tiang beton diberi celah pemuaian. Selain itu ujung tersebut diletakkan di atas roda. Ketika terjadi pemuaian, rangka bertambah panjang. Keberadaan roda dan celah memudahkan gerak memanjang dan memendeknya rangka, sehingga terhindar dari pembengkokan.



Gambar 9. Konstruksi jembatan



4. Aplikasi Pemuaian di Industri 4.1. Tangki Bola Storage tank adalah tempat yang digunakan untuk menyimpan produk sebelum didistribusikan. Tangki ini berukuran sangat besar dan digunakan untuk tekanan rendah. Didalam suatu refinery memiliki desain yang beraneka ragam berdasarkan fungsinya atau jenis fluida yang ditampungnya. untuk jenis tangki berdasarkan atapnya diantaranya adalah Fix Roof dan Flouting Roof. Tangki fix roof digunakan untuk menampung minyak jenis liquid dan mempunyai tekanan yang rendah. Tangki ini menggunakan alat bantu pompa untuk mengisi dan mendistribusikannya. Spherical storage tank disebut juga tangki bola karena konstruksinya yang menyerupai bola. Pressure vessel ini digunakan untuk menyimpan gas-gas yang dicairkan seperti LPG, O2, N2 dan lain-lain bahkan dapat menyimpan gas cair tersebut hingga mencapai tekanan 75 psi, volume tanki dapat mencapai 50.000 barrel untuk penyimpanan LNG tanki dibuat berdinding double dimana diantara kedua dinding tersebut diisi dengan isolasi seperti polyurethane foam dan tekanan penyimpanan diatas 15 psig.



10



Gambar 10. Tangki Bola



Bagian terluar tangki disebut dengan shell yang diinstalasi sedikit lebih renggang untuk mengatasi jika terjadi pemuaian. Proses pemuaian pada tangki bola akan terjadi jika tekanan feed yang masuk hampir mendekati nilai maksimum tekanan berdasarkan data design. Ketika tekanan hampir mendekati batas maksimal maka bagian dalam tangki akan mengalami ekspansi, hal ini akan beriringan dengan terjadinya pemuaian pada bagian shell. Tujuan dari instalasi ini adalah untuk mencegah terjadi kecelakaan kerja seperti ledakan akibat tekanan didalam tangki terlalu tinggi. 4.2. Sistem Perpipaan Pipa adalah benda berbentuk lubang silinder dengan lubang di tengahnya yang terbuat dari logam maupun bahan-bahan lain sebagai sarana pengaliran atau transportasi fluida berbentuk cair, gas maupun udara. Fluida yang mengalir ini memiliki temperatur dan tekanan yang berbeda-beda. Pipa biasanya ditentukan berdasarkan nominalnya sedangkan tube adalah salah satu jenis pipa yang ditetapkan berdasarkan diameter luarnya. Komponen utama penyusun pipa terdiri dari berbagai jenis material yang disesuaikan dengan kebutuhan proses, seperti material kaca, timah, plastik, tembaga, alumunium, baja tuang, baja karbon dan baja alloy. Pemilihan jenis pipa dengan material tersebut disesuaikan dengan sistem perpipaan dan jenis liquid, Pada dasarnya jenis pipa yang banyak digunakan pada sektor industri terutama pada unit pengolahan migas ialah pipa yang terbuat dari carbon steel.



11



Gambar 11. Sistem Perpipaan



Pada industri minyak pipa umumnya digunakan untuk mengalirkan minyak panas dari satu unit ke unit lain. Fluida panas tersebut mengalir dengan laju alir tertentu yang menyebabkan gaya gesek antara inlet surface pipa dan fluida. Ketika terjadi gaya gesekan dan diiringi dengan temperatur tinggi menyebabkan partikel material bahan konstruksi pipa bergerak dan saling bertabrakan satu sama lain. Adanya gerak ini menyebabkan terjadinya pemuaian pada pipa. Jika pipa dipasang terlalu kuat artinya tidak ada ruang untuk pipa tersebut memuai, hal ini harus dihindari karena jika terjadi secara terus menerus dapat menyebabkan kebocoran pada pipa. Instalasi pipa sendiri harus diperhitungkan secara baik, pemasangan pipa yang terlalu renggang dapat meningkatkan kemungkinan terjadinya kebocoran pipa. Pemilihan pipa harus memperhatikan berbagai macam aspek seperti fluida inlet, material bahan pembuat pipa, temperatur yang masuk, dan laju alir yang digunakan. 4.3. Cold Storage Cold storage adalah sebuah ruangan khusus yang dirancang dengan kondisi suhu tertentu dan akan digunakan untuk menyimpan berbagai macam produk dengan tujuan untuk mempertahankan kesegeran produk tersebut. Cold storage ini biasanya akan dibangun mengikuti dengan luas bangunan yang ada di lokasi. Mengikuti luas bangunan di lokasi akan lebih memastikan bahwa cold storage yang akan dibangun pasti akan sesuai dengan luas bangunan tersebut.



12



Storage ini juga mengalami pemuaian dengan prinsip kerja yang sederhana. Energi panas ditransfer udara dingin untuk menjadi cairan dingin melalui sebuah mesin evaporator. Kemudian refrigeran menyerap energi panas sehingga lebih hangat dan berubah menjadi gas. Gas yang terbentuk mengalir melalui kompresor agar cairan pendingin (refrigeran) memiliki temperatur atau suhu yang lebih tinggi. Refrigeran dengan suhu yang tinggi tersebut kemudia mengalir melalui kondensor, dimana disanalah energi panas ditransfer kekumparan pendingin kondensor. Sehingga akhirnya refrigeran akan kehilangan energi panas dan menjadi dingin kembali serta mengalami kondensasi cairan. Cairan refrigeran masuk ke komponen ekspansi tempat yang memiliki ruangan untuk menyebarkan cairan tersebut keluar serta menurunkan suhunya lebih rendah. Cairan dingin refrigeran tersebut kemudian kembali ke evaporator dan siklus kembali diulang. Freon cair yang keluar dari kondensor menuju ke katub pemuaian. Disini freon cair memuai dan kelajuan pemuaian diatur oleh katub pemuaian. Akibat pemuaian, freon cair akan menyerap kalor dari bahan yang disimpan didalam lemari es sehingga bahan tersebut akan mendingin, sedangkan freon cair akan menguap. Uap freon yang keluar dari pembeku kemudian ditarik oleh pompa untuk mengulangi siklus berikutnya. Siklus akan berulang terus-menerus sehingga storage seakan akan berfungsi mengambil kalor dari bahan bahan makanan dalam dan membebaskan kalor kalor ini ke lingkungan.



Cold storage memiliki beberapa jenis yang umumnya dikenal dengan chilled room, freezer room, blast freezer, dan blast chiller. Chilled room dan freezer room digunakan untuk menyimpan produk sesuai dengan kondisi suhu



13



tertentu, sedangkan untuk blast freezer dan blast chiller digunakan untuk penyimpanan produk dengan kondisi suhu tertentu namun dengan waktu yang cepat untuk pendinginannya. Ruangan pada chilled ini digunakan untuk menyimpan bahan makanan yang fresh seperti sayur - sayuran, buah - buahan dan bahan makanan lainnya yang daya tahannya hingga bisa tidak lebih dari 60 hari. Thawing room juga bisa difungsikan untuk chilled room ini dengan setting ke temperature 10oC. Biasanya penyimpanan bahan ini untuk meningkatkan temperature pendinginan bahan baku fresh sebelum proses memasak. Freezer room digunakan untuk menyimpan daging-daging, susu, keju, dsb. Blast Freezer digunakan untuk mendinginkan bahan baku secara cepat untuk makanan beku atau olahan. 4.4. Feed Accumulator Feed accumulator adalah salah satu jenis vessel yang dimanfaatkan sebagai penampungan sementara feed inlet yang berasal dari berbagai unit dengan tujuan agar kondisi operasi feed sama. Contohnya seperti di Pertamina RU III yang menggunakan alat ini di HVU II. Feed yang masuk ke vessel ini berasal dari berbagai macam unit sehingga kondisi operasinya berbeda-beda. Adanya perbedaan kondisi ini dapat menyebabkan terjadinya pemuaian pada vessel, oleh karena itu instalasi vessel ini juga direnggangkan pada bagian shell.



Gambar 12. Feed Accumulator



Pada umumnya semua alat diinstalasi dengan memberikan sedikit kelonggaran pada bagian shell maupun bagian dalam alat. Hal ini bertujuan untuk



14



mencegah terjadinya kecelakaan kerjaan yang dapat terjadi akibat adanya ekspansi yang tidak ditoleransi. 5. Penyebab Terjadi Pemuaian Proses pemuaian secara garis besar terjadi karena tiga hal yaitu adanya kenaikan temperatur, tekanan yang tinggi, dan laju alir yang terlalu cepat. Saat terjadi kenaikan temperatur akan terjadi pergerakan pastikel yang saling bertabrakan satu sama lain. Adanya tabrakan itu menyebabkan terjadi perluasan daerah secara alamiah atau disebut dengan pemuaian. Ketika tekanan tinggi masuk pada suatu alat juga dapat menyebabkan terjadinya pemuaian. Saat tekanan itu telah mendekati batas maksimum tekanan pada data design maka unit tersebut akan berusaha menyesuaikan dirinya dengan tekanan disekitarnya. Proses penyesuaian itu disebut dengan pemuaian. Pemuaian ini memiliki batas maksimal, artinya pada unit (alat) tersebut tidak dapat lagi menyesuaikan dengan tekanan yang ada. Hal ini bisa menyebabkan terjadinya ledakan dan kebocoran.



Gambar 13. Akibat terjadinya pemuaian



Laju alir yang terlalu tinggi dapat menyebabkan terjadinya pemuaian yang diakibatkan adanya gaya gesek yang dihasilkan dari fluida yang mengalir. Ketika laju alir yang terlalu tinggi dapat menyebabkan partikel bergesakan dan bergerakan cepat. Proses pemuaian yang terjadi akibat laju alir memiliki prinsip yang tidak jauh berbeda dengan pemuaian yang diakibatkan oleh kenaikan temperatur.



15



6. Kerugian Akibat Pemuaian Contoh kerugian yang ditimbulkan akibat pemuaian adalah sebagai berikut: 1. Gelas atau mangkok dari kaca retak atau pecah ketika diisi dengan air panas



secara tiba-tiba. Hal ini terjadi karena gelas tidak mudah menghantarkan panas sehingga ketika diisi air panas, kalor tidak cepat menyebar. Akibatnya, bagian dalam gelas memuai lebih cepat dibanding bagian luarnya. 2. Rel kereta api melengkung pada siang hari karena rel mengalami pemuaian,



sedangkan rel terikat oleh baut-baut pengikat hal ini bertujuan ntuk mengatasi melengkungnya rel, pada tiap sambungan rel diberi celah. 3. Kaca pada jendela atau kaca pada pintu, retak atau pecah pada siang hari yang



panas. Hal ini karena pemuaian kaca lebih besar dibanding pemuaian kayu. Untuk mencegah agar kaca tidak pecah, maka bingkai kaca dibuat luas (longgar) dibanding kacanya. 4. Jembatan dapat melengkung atau patah ketika suhu udara naik Hal ini dapat



diatasi dengan cara membuat celah (rongga) pada tiang penyangga jembatan atau membuat celah pada tiap sambungan balok jembatan. 5. Bagian mesin mobil atau motor memuai ketika mesin sedang berjalan.



Akibatnya, suara mesin menjadi kasar dan bagian yang berputar menjadi mogok berputar. Hal ini dapat diatasi dengan cara mendinginkan mesin dengan cara memasukkan cairan pendingin. 6. Kabel listrik dipasang agak kendor. Jika dipasang pada posisi tegang, pada



malam hari suhunya lebih rendah, kabel listrik menyusut dan dapat putus.



16