My Study

Diskusi dengan Prof. Raldi & Teman-teman S2 dan S3 DTM FTUI di Lab. Riset AHT EC-R.311

31 Mei 2012

06 Juni 2012

20 Juni 2012

Tulisan ke-3 tentang BOILING, 24 Agustus 2011

First Contact with Boiling

Definisiin deh masing2 Gambar, proses boilingnye?

——————————————————————————————————————————————————————-

Tulisan ke-1 (gaya bebas) tentang Nge-DIDIH, 2 September 2010

PENDIDIHAN (BOILING)

Kayaknye kalo denger kata “didih” bukanlah menjadi sesuatu yg baru deh, dari kalangan anak-anak, ibu-ibu, bapak-bapak dan yg berhubungan dengan masak memasak pasti sudah nempel dan ngeh dengan kata didih. Kalo didih ditambahin awal pe dan an, jadi pendidihan (noun), ini lebih condong ke arah prosesnya. Nah, masalahnya proses yang sederhana ini dan biasa ditemui dalam kehidupan sehari-hari kurang mendapat perhatian oleh sebagian besar kalangan. Namun jika kita sudah memasuki dunia science dan engineering, pendidihan menjadi sesuatu yang terus-terusan dipelajari dan diteliti. Kalo ditanya, aplikasi dari pendidihan (selain masak), banyak juga sih. Salah satunya adalah proses bagaimana listrik dihasilkan. Soal aplikasi pertama untuk proses pendidihan adalah Thomas Savery, desainer mekanikal dari Inggris (tahun 1698) yang menjadi inventor pertama. Thomas mensolusikan permasalahan pengankutan air di dalam pipa pada system drainase di pertambangan. Ia menggunakan uap bertekanan tinggi untuk mendorong air ke level yang lebih tinggi karena keterbatasan kemampuan pompa[1]. Namun konsep Thomas masih memerlukan energy yg banyak. Kemudian beberapa tahun kemdian, Thomas Newcom membuat konsep yg sama, namun tekanan yg digunakan adalah tekanan atmosfer, mesin uap pertama dibuat. Baru ketika tahun 1763, James Watt melahirkan konsep mesin uap sebagai perbaikan dari kerjaannye Thomas Newcom. Kemudian pada tahun 1765, konsep mesinnya adalah menggunakan ruang kondensasi (kebalikan dari pada pendidihan) terpisah, dan menggunakan uap untuk menggerakkan piston, konsep ini dikenal sebagai gerak piston dalam silinder[1]. Disini jelas banget bahwa pendidihan, dari didih (boil) menjadi boiling, menjadikan proses ini sebagai metode untuk melakukan mekanisme perpindahan energy.

Proses utama dari mesin uap adalah membuat uap yang tentunya dari air yang didihkan. Hingga sekarang, fasilitas pembangkit daya yang menggunakan “boiler” (tempat didihan) merupakan bagian inti dari system pembangkit itu sendiri. Tengoklah, pembangkit listrik yang menggunakan turbin uap, baik uap itu diperoleh dengan mendidihkan air pada boiler menggunakan batubara atau bahan lain seperti uranium bukanlah persoalan. Mekanisme yg penting adalah bagiamana air berubah menjadi uap.

Sekarang, ane nyoba ngejelasin soal proses nge-didih (pendidihan) berdasarkan ape yg ane ketahui selama ini (kalo ade sale2 kate maafin ye, maklum masih belajar). Perubahan dari bentuk cair (air) menjadi gas (uap) sering disebut sebagai perubahan fase (berubah bentuk), perubahan fase ini terjadi apabila terjadi perbedaan temperatur awal dengan temperatur akhir yg signifikan. Contohnya, kalo suatu tempat kite beri dengan panas terus-terus, makanye lama-lama tuh tempat yg awalnye adem bakal jadi gerah atau bikin kite kelojotan kepanasan. Iye kalo orang sih, bakal buka baju, terus pake kipas atawe berendem di kali. Tapi kali panasnye berlebih sih, bakal angus tuh kulit. Kita bakal selalu bilang “panas” ketika merasakan perubahan temperature yang ekstrim (cepet), atau pelan-pelan. Intinya ada energy yang mengalir karena perbedaan temperature, yang biasanye hukum alam selalu berlaku dari “atas” ke “bawah”. Semua hal deh kayaknya, kayak gethu, alias alamiah prosesnye. Demikian juga dengan energy (nah energy sendiri apaan yah? Entar aje deh kapan2 dijelasin). Seperti juga pernah ane singgung dalam post ane yg lalu, energy bisa pindah-pindah, nah kalo ade beda temperature ya pindah. Kulit akan merasa panas atau terbakar kalo kuantitas (jumlah) energy yang mengalir gede. Terus gimane dengan air yang berubah jadi uap alias pendidihan tadi? Kenal kali yang namanye “titik didih” (boiling point) atau kali yg padat mencair disebutnya “titik leleh” (melting point). Kite omongin aje deh titih didih, nah untuk air titik didih adalah batasan antare fasa cair (masih bentuknya aer) dengan fasa gas (uap) tapi jangan bayangin kalo dalam proses pemanasan, itu aer ujug-ujug jadi uap. Kalo ude pake istilah pemanasan maka perubahan air jadi uap kudu pake proses. Kalo perubahan air jadi uap yang ujug-ujug itu dinamain “flashing”, biasanye karena tekanan (bukan temperaturnya) di sekitar air yang memiliki temperature tertentu ngedadak diturunin (ini cerita nanti aje deh).

Proses perubahan air menjadi uap pada tekanan tetap (tertentu, disini tekanan kagak berubah, bayangin aje deh kita lagi masak aer buat ngupi), akan terjadi kalo energy (panas) kita berikan terus-terusan ke dalam air (biasanye lewat panci metal atow pyrex). Akibat energy yang diterima oleh air, menyebabkan molekul air (H20) yang dalam bentuk cair bebas bergerak, makin bergerak secara bebas dan cepat. Ibarat kalo kita dipanasih jadi kelojotan. Nah, molekul-molekul yg bergerak cepat dan makin gak teratur (the randomBrownian motion of individual particles in the fluid ) dan adveksi (advesion) yaitu mekanisme transportasi dari suatu zat, atau properti kekal, oleh cairan, karena gerakan massal fluida dalam arah tertentu, kondisi macem gini lame-lame akan merubah bentuk fasa cairnya. Jadi panas atau energy pada dasarnye dipindahin melalui molekul2 yg bergerak tersebut, konsep ini sering dikenal dengan sebutan perpindahan kalor secara konveksi (convection heat transfer). Biasanya konveksi terjadi melalui media fluida, oh ya lupa (sebelum kelanjur). Bentuk zatkan ade empat (saat ini), padat, cair, gas dan plasma (ini yg baru, dulu waktu esde ane belom tahu nih). Nah, kalo yg bukan padat, dan fasenya bisa ngikutin bentuk tempatnya dan ngalir biasanye disebut fluida (fluid). Kalo plasma kayaknya memiliki sifat yg agak mirip fludia, tapi sulit kalo dimasukin ke fluida karena sifatnya yg unik.

Balik lagi ke gerakan molekul H20 yg menerima kalor secara konveksi, bentar dulu deh, istilah “panas” dan “kalor” sering memiliki arti yg sama. Kalo ane kayaknya seneng kalo nyebutin kalor, karena kalo kalor lebih kebendaan, sedangkan kata panas menunjukkan juga sifat. Jadi sebaiknya sih pada kasus yg berpindah dan sumber, enaknya pake “kalor” (tapi terserah sih mana yg dipilih). Karena gerakan molekul yg makin liar makan kerapatan fluida menjadi besar, maka dimunkinkan perubahan fasa terjadi dari air menjadi uap. Sedangkan proses perubahan tersebut, dapat dibagi dua, saat air menerima kalor secara terus menerus dan terjadi mekanisme perubahan bentuk (adanya gelembung2 yg muncul di dalam air), istilahnya “ngegolak”, maka ini proses disebut pendidihan, nah kalo udah mendidihan maka fase berubah, dan terbentuklan uap, dan sebenernya selama pendidihan berlangsung penguapan (vaporization) juga terjadi disebut evaporasi (uap terbentuk dipermukaan cairan, padahal belum semua cairan mendidih). Vaporization juga termasuk sublimasi, contoh peristiwa orang yang langsung terkena paparan energi thermal dari ledakan bom atom di Hiroshima, disebut orang itu menguap (vaporize).

Proses didih, bermula dari perubahan fasa tunggal cair (air) kemudian menjadi dua fasa (air & gelembung uap) kembali jadi (berkahir) fasa tunggal dalam bentuk gas (uap). Nah, pendidihan sendiri terjadi pada saat hadirnya fasa cair dan fasa gas, dimana ini hanya terjadi jika temperature air pada suatu permukaan/dikelilingi oleh benda yang lebih tinggi temperaturnya serta syarat bahwa titik didihnya sudah dilampau. Seperti air, titik didihnya adalah 99,99oC (sering disebut temperature jenuh/saturasi) pada tekanan udara 1 bar alias 1 atmosfer alias tekanan pada udara bebas yg tiap hari kita rasain. Nah, kalo temperature air naik sedikit di atas temperature saturasinya maka pendidihan dimulai. Tapi kalo temperature air masih 70oC misalnya, pendidihan belum terjadi, disini juga sebenernya udah ada uap (tipisss banget) yg terus lepas dari permukaan air (masih disebut sebagai evaporasi). Pendidihan sendiri juga ternagi lagi dalam bentuk rejim (bukan orde…kayak rejim apee gitu), yaitu rejim didih ini (nucleate boiling), didih transisi (transition boiling) dan didih pelem (film boiling). Jadi kayak yg diuraikan di atas, dari awal air masih memiliki temperature di bawah titik didihnya, dalem air belom ade sama sekali gelembung (bubbly). Gelembung ini sebenrnya lepas dari permukaan benda panas, yg emang dah kejebak dipori-porinye, dan tergantung kekasaran permukaannya. Pori-pori atau bahasa kerenya adanya kavitasi (cavitation) yg ude keisi ame udara kemudian terisi uap dikit2 dan selanjutnya tuh udara mulai lepas dari pemukaan benda panas. Gelembung masih kecil2 banget dan hanya sedikit atau gak mampu nyampe ke atas, padahal temperature aer masih di bawah titik didihnya, namun tuh gelembung lepas karena ada bagian aer (sangat tipis, boundary layer) di deket permukaan benda yg sudah mulai mencapai saturasi. Ini sering disebut sebagai subcooled boiling (didih pra-jenuh). Lalu ketika semua air mencapai temperature saturasi, maka karena permukaan benda panas lebih tinggi temperaturnya dari saturasi dan kalor terus2an dikirim ke air via konveksi (ada juga radiasi, cuman enggak dominan) dan disini kenaikan jumlah aliran kalor dengan kenaikan temperature permukaan benda sama-sama naik (nanjak kurvanya). Karena itu gelembung makin gede dan makin banyak. Kondisi saat gelembung makin banyak dan membesar, disebut sebagai rejim didih inti, dan tingkatnya juga ada (gak usah diceritain deh).

Foto ane yg ngambil (eksperimen di dapur, mumpung bini tidur)

Terus karena kalor yang mengalir secara kontinyu (terus-terusan) ke aer, lama-lama itu gelembung pada ngegabung ada yg lepas ke permukaan aer dan ngeluarin uap karena kolaps (pecah), nah yg pade gabung itu menjadikan rejimnya enggak stabil ini dimulai setelah puncak fluks kalor (laju aliran kalor dibagi luas permukaan) tercapai, nah ini disebut rejim didih transisi, atau parsial didih pelem (partial film boiling). Yang menarik pada rejim didih transisi ini, laju perpindahan kalornya malah turun sementara temperature permukaan (atau dinding) malah naik cepet. Lihat Gambar kurva didih. Kenapa ya? Jelas bahwa, perpindahan kalor kan terbagi pada tiga cara, konduksi (pada padatan, di dalam benda yg panas), kemudian dari permukaan benda keluar kalor dengan cara konveksi dan radiasi. Nah prosesnya, tiga cara tersebut bareng-bareng deh. Persoalannya mana yg dominan, khususnya konveksi dan radiasi. Kalo konveksi sangat bergantung sama kerapatan fluida (udah diomongin di atas konveksi dan fluida ape), semakin renggang fluida maka aliran kalor secara konveksi terganggu. Keadaan dimana fluida berkespansi menjadi lebih renggan, sering disebut kenaikan resistensi termal pada fluida. Nah, balik ke lagi ke transisi dimana keadaan fluida belum stabil adanya gelembung yg bergabung dan jadi kolom2 uap di dalam air tapi masih ada air yg nyentuh permukaan benda panas, maka keadaan ini disebut juga berkurangnya kerapatan fluida, karena rasio volume gelembung/uap (void fraction) dengan aer makin gede. Justeru keadaan ini menyebabkan resistensi termal meningkat dan laju aliran kalor secara konveksi mula terhambat, sementara radiasi belum begitu berpengaruh karena temperatur permukaan belum memadai panasnya, meskipun tetep naek terus. Nah, nilai fluks kalor terendah sebagai akhir rejim transisi, sering disebut temperature minimal didih pelem.

Gambar Kurva Didih

Kemudian temperature dinding mulai meningkat secara tajam, dan meskipun gelembung akhirnya berubah menjadi film uap dan resistensi termal makin kuat sehingga aliran kalor secara konveksi makin rendah, namun yang terjadi adalah dominasi dari perpindahan kalor secara radiasi makin kuat. Sehingga, dalam kurva terlihat, fluks kalor totalnya naik (log q) dan temperature dinding/permukaan benda panas naik (pake Log DT), inilah area yg disebut didih film. Jika terus-terusan seperti ini, dominasi radiasi makin kuwat dan permukaan benda makin panas, benda akhirnya bisa gosong alias kebakar (sering disebut sebagai, burn-ot).

Nah sodare-sodare, tebalnya lapisan pelem lama-lama akan membesar dan jumlah air terus berkurang, sehingga nilai kualitas uap jadi 1, alias air dah jadi uap semua, ini yang menjadikan kondisi dua fase berakhir dan kembali ke fase tunggal cuman dalam bentuk uap semua. Inget aje deh dengan soal burn-out tadi, kalo kite masak aer di panci buat ngopi untuk nonton, terus kite ketiduran, lama-lama aer kan abis, kemudian tuh panci gosong deh. Kira-kira itu gambaran soal proses didih (pendidihan), ane sendiri ngerti bener baru sekarang-sekarang, karena terus2an disuruh baca ame maha guru, padahal otak udah 5 watt.  Moga aje deh ini post rada bermanfaat, maklum masih belajar. (September 02, 2010)

Sumber tambahan : http://en.wikipedia.org/

Gambar kurva didih : http://www.answers.com/topic/boiling