7

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Motor Bakar Torak 4 Langkah

Motor adalah suatu pesawat atau alat yang dapat merubah suatu bahan

bakar menjadi energi panas kemudian energi panas ini dirubah menjadi energi

mekanik didalam mesin. Energi mekanik yang telah dihasilkan didalam mesin

kemudian disalurkan pada bagian yang akan digerakkan, misalkan roda pada

motor. Adapun bahan bakar yang digunakan adalah berupa campuran antara

bensin dan udara untuk motor bensin dan untuk mesin diesel digunakan

campuran solar dan udara. Bahan bakar tersebut dinyalakan dalam ruangan

yang tertutup pada bagian silinder. Jadi mesin motor ini termasuk motor jenis

pembakaran dalam (internal combustion). Bensin dan udara dicampur pada

bagian karburator dan kemudian dihisap oleh torak kedalam ruang bakar di

dalam lubang silinder. Masuknya bahan bakar ke dalam ruang bakar ini

berupa kabut. Setelah bahan bakar berada dalam ruang bakar atau dapat

dikatakan bahwa bahan bakar tersebut terperangkap dalam lubang silinder

maka langkah selanjutnya adalah memampatkan bahan bakar tersebut.

Langkah pemampatan ini dilakukan oleh torak yang bergerak ke bagian atas

lubang silinder. Dengan terjadinya penyempitan ruangan didalam lubang

silinder berarti tekanan bahan bakar menjadi meningkat.

8

2.1.1 Motor Bakar Bensin

Motor bakar merupakan mesin pengonversi energi tak

langsung,yaitu dari energi bahan bakar menjadi energi panas dan kemudian

baru menjadi energi mekanis. Jadi energi kimia bahan bakar tidak di konfersi

langsung menjadi energi mekanis. bahan bakar standar motor bensin adalah

isooktan ( C8H18). Efisiensi pengonfersian energinya berkisar 30% (ηt ± 30%)

hal ini karena rugi rugi : 50% rugi panas,gesek/mekanis,dan pembakaran tak

sempurna. Keuntungan dari mesin pembakaran dalam adalah kontruksinya

yang sederhana

Motor bensin yang ada dewasa ini merupakan perkembangan dan

hasil evolusi mesin yang semula dikenal sebagai motor Otto. Motor tersebut

dilengkapi dengan busi dan karburator. Busi menghasilkan loncatan api listrik

yang menyalakan campuran bahan bakar dan udara segar, karena itu motor

bensin cenderung dinamai Spark Ignition Engine.

Motor bakar bekerja melalui mekanisme langkah yang terjadi

berulang-ulang atau periodik sehingga menghasilkan putaran pada poros

engkol. Sebelum terjadi proses pembakaran di dalam silinder, campuran

udara dan bahan-bakar harus dihisap dulu dengan langkah hisap [1]. Pada

langkah ini, piston bergerak dari TMA menuju TMB, katup isap terbuka

sedangkan katup buang masih tertutup.

9

Setelah campuran bahan-bakar udara masuk silinder kemudian

dikompresi dengan langkah kompresi [2], yaitu piston bergerak dari TMB

menuju TMA, kedua katup isap dan buang tertutup. Karena dikompresi

volume campuran menjadi kecil dengan tekanan dan temperatur naik, dalam

kondisi tersebut campuran bahan-bakar udara sangat mudah terbakar.

Sebelum piston sampai TMA campuran dinyalakan terjadilah proses

pembakaran menjadikan tekanan dan temperatur naik, sementara piston masih

naik terus sampai TMA sehingga tekanan dan temperatur semakin tinggi.

Setelah sampai TMA kemudian torak didorong menuju TMB dengan tekanan

yang tinggi, katup isap dan buang masih tertutup.

Selama piston bergerak menuju dari TMA ke TMB yang merupakan

langkah kerja [3] atau langkah ekspansi. volume gas pembakaran bertambah

besar dan tekanan menjadi turun. Sebelum piston mencapai TMB katup

buang dibuka, katup masuk masih tertutup. Kemudian piston bergerak lagi

menuju ke TMA mendesak gas pembakaran keluar melalui katup buang.

Proses pengeluaran gas pembakaran disebut dengan langkah buang [4].

Setelah langkah buang selesai siklus dimulai lagi dari langkah isap dan

seterusnya. Piston bergerak dari TMA-TMB-TMA-TMB-TMA membentuk

satu siklus. Sehingga satu tenaga di dapat dengan dua putaran poros engkol

atau empat kali gerak naik turun piston . Motor bakar yang bekerja dengan

siklus lengkap tersebut diklasifikasikan masuk golongan motor 4 langkah.

10

Gambar 2.1 Siklus Kerja mesin 4 langkah

Jika proses dari siklus otto ini dijelaskan secara teoritis dimana

proses pemasukan udara berlangsung pada volume konstan. adapun urutan

proses termodinamika yang di gunakan pada siklus otto adalah sebagai

berikut:

1. Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.

2. Langkah kompresi (1-2) merupakan proses adiabatis

Proses pembakaran volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses

pemasukan kalor pada volume kostan.

3. Langkah kerja (3-4) merupakan proses adiabatis

Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap sebagai proses

pengeluaran kalor pada volume konsatan

11

4. Langkah buang (1-0) merupakan proses tekanan konstan, gas

pembakaran dibuang lewat katup buang

Gambar 2.2 Siklus Otto

2.1.2 Karburator

Karburator adalah tempat pencampuran bahan bakar dengan udara

hingga merubah wujud udara dan bahan bakar menjadi kabut oleh karna itu

karburator biasa disebut juga sebagai alat pengabut bahan bakar (Karburasi).

Pencampuran tersebut terjadi karena bahan bakar terhisap masuk kedalam

mesin akibat vakum dalam mesin dan juga diakibatkan oleh perbedaan

12

tekanan pada ruang venturi karena arus udara bebas yang masuk kedalam

karburator. Campuran bahan bakar dan udara segar yang telah berubah wujud

menjadi kabut sangat mudah terbakar. Campuran tersebut kemudian masuk

kedalam silinder dan akan di bakar menjelang akhir langkah kompresi yang di

bantu oleh loncatan api listrik dari busi. Pembakaran campuran bahan bakar

dan udara ini menyebabkan mesin menghasilkan daya dan dimanfaatkan

untuk menggerakan kendaraan.

Perbandingan campuran bahan bakar udara berkisar antara 1:13-15.

Untuk menyalakan campuran bahan bakar udara yang miskin/kurus

diperlukan perbedaan tegangan yang relatif lebih besar daripada campuran

yang kaya / gemuk. Gambar 2.1 menunjukkan hubungan antara tegangan

yang diperlukan dengan perbandingan campuran bahan bakar udara.

Gambar 2.3 Hubungan perbandingan bahan bakar – udara

13

Gambar 2.4 Karburator

2.1.3 Komponen Utama Kelistrikan Pada Motor

Komponen utama dari kelistrikan pada motor adalah :

a. Spool dan Magnet (Alternator)

Spull dan Magnet adalah alat pembangkit kelistrikan pada

motor,yang mana listrik yang di timbulkan akan di gunakan untuk

pengapian dan instrument pada kendaraan roda dua

b. CDI ( Capacitive Discharge Ignition)

CDI secara umum adalah sebuah alat yang mampu

menghasilkan energi spark yang sangat kuat diseluruh rentang

RPM, mulai dari RPM rendah pada saat start sampai sangat tinggi

pada saat Top Speed dan pada saat kendaraan berakselerasi cepat.

14

c. Kiprok / Rectifire

Kiprok adalah sebuah alat untuk mengatur besar tegangan

pengisian, agar stabil guna mengubah arus AC jadi DC yang akan

disuplai ke accu dan juga mencegah arus listrik di accu balik ke

spooll pengisian. Kiprok sendiri dipakai di motor yang masih pakai

accu. Dimana accu jadi tumpuan utama semua panel kelistrikan

motor. Listrik yang dihasilkan spool pengisian tipenya AC (bolak-

balik). Arah dan besar tegangan selalu berubah mengikuti putaran

magnet.

2.2 Bahan Bakar Dan Proses Pembakaran

2.2.1 Bahan Bakar

Ditinjau dari sudut teknis dan ekonomis, bahan bakar diartikan

sebagai bahan yang apabila dibakar dapat meneruskan proses pembakaran

tersebut dengan sendirinya, disertai dengan pengeluaran kalor. Bahan bakar

dibakar dengan tujuan untuk memperoleh kalor tersebut, untuk digunakan

baik secara langsung maupun tak langsung.

15

Macam-macam bahan bakar :

1. bahan bakar fosil, seperti batu bara,minyak bumi dan gas bumi

2. bahan bakar nuklir, seperti Uranium dan Plotanium

3. bahan bakar organik, seperti sisa tumbuhan, minyak nabati, minyak

hewani

Bahan bakar konvensional, ditinjau dari keadaannmya dan

wujudnya dapat padat, cair atau gas, sedang ditinjau dari cara terjadinya

dapat alamiah dan non-alamiah atau buatan (manuvactured). Termasuk

bahan bakar padat alamiah ialah: antrasit, batu bara bitumen, lignit, kayu

api, sisa tumbuhan. Termasuk bahan bakar padat nonalamiah antara lain:

kokas, semi-kokas, arang, briket, bris, serta bahan bakar nuklir. Bahan

bakar cair non-alamiah antara lain: bensin atau gasolin, kerosin atau

minyak tanah, minyak solar, minyak residu, dan juga bahan bakar padat

yang diproses menjadi bahan bakar cair seperti minyak resin dan bahan

bakar sintetis. Bahan bakar gas alamiah misalnya: gas alam dan gas

petroleum, sedang bahan bakar gas non-alamiah misalnya gas rengkah

(cracking gas) dan “producer gas”.

Bahan bakar cair yang biasa dipakai dalam industri, transportasi

maupun rumah tangga adalah fraksi minyak bumi. Minyak bumi adalah

campuran berbagai hidrokarbon yang termasuk dalam kelompok senyawa:

16

parafin, naphtena, olefin, dan aromatik. Kelompok senyawa ini berbeda

dari yang lain dalam kandungan hidrogennya.

Minyak mentah, jika disuling akan menghasilkan beberapa macam

fraksi seperti: bensin atau premium, kerosen atau minyak tanah, minyak

solar, minyak bakar, dan lain-lain. Setiap minyak mentah mengandung

keempat kelompok senyawa tersebut, tetapi perbandingannya berbeda.

Perbedaan minyak mentah yang utama ialah:

- minyak aspaltik, yang terdiri sebagian besar naphtena dan

aromatik,

- minyak prafin, sebagian besar berupa parafin (lilin)

Bensin atau biasa disebut Premium mempunyai sifat penting yang

disebut angka oktan. Angka oktan adalah suatu bilangan yang menunjukan

tingkat ketangguhan bahan bakar terhadap detonasi atau knocking. Jadi

semakin tinggi angka oktan maka semakin susah terjadi knocking atau

detonasi. dan semakin baik bahan bakar itu.

Dilihat dari cara pengujiannya angka oktan ini dapat dibagi

menjadi dua bagian yaitu RON dan MON. Research Oktan Number

(RON) yaitu angka oktan yang didapat dengan melakukan pengujian di

600 rpm, sedangkan Motor Oktan Number (MON) yaitu angka oktan yang

didapat dengan melakukan pengujian pada kondisi kerja motor yang lebih

extreme yaitu 900 rpm dan biasanya hasilnya lebih rendah 10 point

dibandingkan dengan RON.

17

Angka dua oktan yang tertera pada iklan-iklan SPBU di Indonesia

adalah angka RON, di beberapa negara lain menuliskan angka oktan pada

SPBU nya dengan angka rata antara RON dan MON.

Untuk motor bensin ditetapkan heptana normal dan isooktana

sebagai bahan bakar pembanding. Heptana normal adalah bahan bakar

hidrokarbon (rantai lurus) yang mudah berdetonasi di dalam motor bensin.

Oleh karena itu dinyatakan sebagai bahan bakar dengan bilangan oktana

sama dengan nol Iso-oktana atau 2,2,4 trimethylpentane adalah satu jenis

bahan bakar hidrokarbon yang tidak mudah berdetonasi. Dalam hal ini

dinyatakan sebagai bahan bakar dengan bilangan oktan sama dengan 100.

Mula-mula dengan kondisi standar yang telah ditentukan, mesin

CFR bekerja dengan menggunakan bahan bakar yang akan diukur

bilangan oktananya.

H H H H H H H

I I I I I I I

H – C – C – C – C – C – C – C – H

I I I I I I I

H H H H H H H

Heptana normal

18

H CH3 H CH3 H

I I I I I

H – C – C – C – C – C–H

I I I I I

H CH3 H H H

iso-oktana (2, 2, 4- trimethyl-pentane)

Kemudian perbandingan kompresinya diatur sehingga terjadi

detonasi dengan intensitas tertentu (ditetapkan standar). Setelah itu dengan

kondisi operasi yang sama dan perbandingan kompresi yang sama, bahan

bakar mesin CFR. diganti dengan bahan bakar yang terdiri dari campuran

iso-oktana dan heptana normal.

Selanjutnya perlu dicari persentase volume iso-oktana dalam

campuran tersebut dengan cara di uji coba. Sehingga dapat diperoleh

intensitas detonasi yang sama seperti semula. Intensitas detonasi diukur

dengan mempergunakan HOC meter. Maka bilangan oktan dari suatu

bahan bakar adalah bilangan yang menyatakan berapa persen volume iso-

oktana dalam campuran yang terdiri dari iso-oktana dan heptana normal

yang mempunyai kecenderungan berdetonasi sama dengan bahan bakar

tersebut. Jadi, bilangan oktan dari suatu bahan bakar adalah 87 apabila

bahan bakar tersebut mempunyai kecenderungan berdetonasi sama (di

dalam mesin CFR pada kondisi operasi standar) jika dibandingkan dengan

19

suatu campuran yang terdiri dari 87 persen volume isooktana dan 13

persen volume heptana normal.

2.2.2 Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan

bahan yang dapat terbakar, disertai timbulnya cahaya dan menghasilkan

kalor. Pembakaran spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami

oksidasi perlahan-lahan sehingga kalor yang dihasilkan tidak dilepaskan

begitu saja, akan tetapi dipakai untuk menaikkan suhu bahan secara pelan-

pelan sampai mencapai suhu nyala. Pembakaran sempurna adalah

pembakaran dimana semua konstituen yang dapat terbakar di dalam bahan

bakar membentuk gas CO2, air (H2O), dan gas SO2, sehingga tak ada lagi

bahan yang dapat terbakar tersisa

Pada proses pembakaran tentu diperlukan oksigen yang didapat

dari udara bebas. Para pakar telah mengidentifikasi bahwa udara terdiri

dari, Oxygen (O2) sebanyak 21%, Nitrogen (N2) 78% dan 1% sisanya

adalah gas-gas lainnya.

Ikatan Hydrocarbon (HC) pada bahan bakar (BB) akan hanya

bereaksi dengan oksigen pada saat proses pembakaran sempurna, dan

menghasilkan air (H2O) serta karbondioksida (CO2) sedangkan Nitrogen

akan keluar sebagai N2. Sayangnya pada kondisi-kondisi tertentu

pembakaran menjadi tidak sempurna dan hal ini menghasilkan gas-gas

20

buang yang berbahaya bagi kehidupan, seperti terbentuknya karbon

monoksida (CO) dan juga Nitrogen oksida (NOx)

Teoritis pembakaran sempurna didapat dengan perbandingan

udara/BB (Air fuel ratio) adalah 14,7 dan sering disebut sebagai

Stoichiometry dan sering disebut juga sebagai perbandingan Lambda =1.

Air Fuel Ratio (sering disingkat AFR) > 14,7 disebut sebagai Lean

Combustion sedangkan sebaliknya disebut sebagai Rich combustion.

Perhatikan Diagram dibawah ini :

Gambar 2.5 AFR Diagram

Pada pembakaran ideal sudah disebutkan diatas akan menghasilkan

H2O, CO2 serta N2, Namun secara praktis pembakaran pada mesin tidaklah

sempurna walau pada mesin dengan teknologi tinggi sekalipun.

21

Pada diagram diatas bisa dilihat, garis hitam adalah garis

stochiometry dimana pada pembakaran ini akan didapat nilai kurang

lebihnya dan menjadi baku mutu emisi.

Campuran bahan bakar - udara di dalam silinder motor bensin

harus sesuai dengan syarat di atas. Ketika busi mengeluarkan loncatan

bunga api, yaitu pada saat beberapa derajat sebelum piston mencapai

TMA, campuran bahan bakar - udara di sekitar itulah yang mula-mula

terbakar. Kemudian nyala api merambat ke segala arah dengan kecepatan

yang sangat tinggi (25-50 m/detik), menyalakan campuran yang dilaluinya

sehingga tekanan gas di dalam silinder naik, sesuai dengan jumlah bahan

bakar yang terbakar.

Sementara itu campuran dibagian yang terjauh dari busi masih

menunggu giliran untuk terbakar. Akan tetapi ada kemungkinan bagian

campuran tersebut, terakhir, karena terdesak oleh penekanan torak maupun

oleh gerakan nyala api pembakaran yang merambat dengan cepat.

Temperaturnya dapat melebihi temperatur penyalaan sendiri sehingga akan

terbakar dengan cepatnya (meledak). Proses terbakar sendiri dari bagian

campuran yang terakhir dinamai detonasi.

22

Gambar 2.6 Keadaan didalam ruang bakar sebelum dan sesudah

detonasi dari bagian campuran bahan bakar-udara yang terakhir

Tekanan di dalam silinder tersebut dapat mencapai 130 - 200

kg/cm2, dengan frekuensi getaran mencapai 4000 - 5000 cps. Detonasi

yang cukup berat menimbulkan suara gemeletik seperti bunyi pukulan palu

pada dinding logam. Bunyi tersebut jelas terdengar pada mesin mobil atau

sepeda motor. Detonasi yang berulang-ulang dalam waktu yang cukup

lama dapat merusak bagian ruang bakar, terutama bagian tepi dari kepala

torak tempat detonasi kerja.

Di samping itu mengakibatkan bagian yang terbakar (misalnya busi

atau kerak yang ada) sangat tinggi temperaturnya, atau pijar, sehingga

dapat menyalakan campuran bahan bakar-udara waktunya (pranyala).

Penyala ini serupa dengan penyalaan yang terlalu pagi. Jadi, dapat

mengurangi daya dan eflsiensi mesin, sedangkan tekanan maksimum gas

pembakaran pun akan bertambah tinggi. Oleh karena itu detonasi tidak

23

dikehendaki dan harus dicegah. Seluruh campuran bahan bakar dan udara

harus dinyalakan oleh nyala api yang berasal dari busi. Berikut adalah

beberapa cara untuk mencegah detonasi :

1. Mengurangi tekanan dan temperatur campuran bahan bakar

dan udara yang masuk kedalam silinder.

2. Mengurangi perbandingan kompresi

3. Memperlambat saat penyalaan

4. Menaikkan atau menurunkan perbandingan campuran bahan

bakar dan udara dari suatu perbandingan campuran yang

sangat mudah berdetonasi

5. Memperkecil diameter torak untuk memperpendek jarak

yang di tempuh oleh nyala api dari busi ke bagian yang

terjauh. Hal ini bisa juga dicapai jika dipergunakan busi

lebih dari satu

6. Membuat konstruksi ruang bakar sedemikian rupa sehingga

bagian yang terjauh dari busi mendapat pendinginan yang

lebih baik. Caranya ialah dengan memperbesar

perbandingan antara luas permukaan dan volume sehingga

diperoleh ruang yang sempit. Apabila detonasi itu terjadi

juga, hanyalah dalam bagian yang kecil (jumlahnya)

sehingga tidak membahayakan. Di samping itu busi

24

ditempatkan di pusat ruang bakar yaitu di antara katup

buang (bagian yang panas) dan katup hisap (tempat

kemungkinan besar terdapat campuran yang kaya).

Beberapa jenis ruang bakar yang biasa dipergunakan pada

motor bensin dapat dilihat pada gambar 2.5

Gambar 2.7 Beberapa macam ruang bakar motor bensin

(a) (b) Mesin berkendaraan bermotor (1965)

(C) (d) Jenis kepala - L dan kepala F

(e) Mesin pesawat terbang dan -mobil balap

(f) Mesin penguji bahan bakar CFR

(g) Mesin kendaraan bermotor, dua – langkah

25

Keperluan bilangan oktana bahan bakar untuk

beberapa jenis ruang bakar dapat dilihat pada gambar 2.6

Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa jenis CIH

(Chainber-In-Head) memerlukan bilangan oktana yang

relatif rendah. CIH dapat berupa EX-CIH (Exhaust valve

side Chamber-In-Head) atau IN-CIH (Intake valve side –

Chamber – In - Head), berturut-turut menyatakan bahwa

katup buang atau katup hisap ada di dalam ruang bakar

utama. Dari pengujian dapat diketahui bahwa umurnnya

EX-CIH menghasilkan momen putar dan efisiensi termal

lebih baik dari pada IN-CIH. Gambar 2.6 menunjukkan

skema ruang bakar jenis EX-CIH.

Gambar 2.8 Keperluan bilangan oktana beberapa ruang bakar dan

skema ruang bakar jenis EX-CIH

26

7. Menambahkan air ke dalam udara yang masuk untuk

menurunkan temperatur bagian campuran yang terakhir.

8. Mempergunakan bahan bakar dengan bilangan oktana yang

lebih tinggi.

Pada intinya cara di atas adalah berusaha memperpanjang periode

penundaan (delay peroid) atau memperpendek waktu yang dipergunakan

oleh nyala api untuk merambat dari busi ke bagian yang terjauh dari busi.

Waktu yang diperlukan itu sangat bergantung pada kecepatan gerak nyala

api tetapi juga pada jarak yang harus ditempuhnya. Periode penundaan

suatu campuran bahan bakar-udara menyatakan kekuatan campuran

tersebut untuk menunggu saat dinyalakan. Bensin dengan bilangan oktan

yang tinggi mempunyai periode penundaan yang panjang.

Oleh karena itu lebih sesuai untuk motor bensin dengan

perbandingan kompresi yang tinggi. Sebagaimana telah diketahui, salah

satu cara mempertinggi efisiensi motor bakar torak adalah dengan jalan

menaikkan perbandingan kompresinya. Dengan adanya bensin dengan

bilangan oktan yang tinggi hambatan yang sebagian besar disebabkan oleh

detonasi berangsur-angsur dapat diatasi.

27

2.2.3 Knocking

Knocking (Detonasi) adalah terjadinya ledakan otomatis yang

terjadi diruang bakar kendaraan sebelum saatnya. Sehingga campuran

bahan bakar dan udara yang dikompresi akan mengalami tekanan dan

temperatur yang tinggi. Dalam keadaan tertekan dan panas campuran

BBM dan udara ini dapat meledak sendiri meskipun busi belum menyala.

. .

2.3 Sifat - Sifat Air

2.3.1 Sifat Fisika Dan Kimia

Air merupakan senyawa kimia dengan rumus H2O, terdiri atas dua

atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Pada

kondisi normal, yaitu pada tekanan 100 kpa dengan temperature 273,15 oK

(0 oC) air tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau. Berdasarkan sifat-

sifatnya tersebut, air mampu melarutkan beberapa zat kimia, seperti garam,

gula, asam beberapa jenis gas, dan molekul organik.

Dalam kondisi normal, air berbentuk cair. Namun jika

memperhatikan hubungan antara hidrida-hidrida lain yang mirip dalam

kolom oksigen, menunjukkan bahwa air seharusnya berbentuk gas, seperti

hidrogen sulfida. Pada tabel periodik terlihat bahwa unsur-unsur yang

mengelilingi oksigen adalah nitrogen, flor, fosfor, sulfur, dan klor. Semua

elemen tersebut jika berikatan dengan hidrogen akan menghasilkan gas pada

28

temperatur dan tekanan yang normal. Maka hidrogen yang berikatan

dengan oksigen membentuk fasa cair. Ini disebabkan oksigen lebih bersifat

elektronegatif dibandingkan dengan elemen-elemen lain, kecuali flor.

Daya tarik atom oksigen pada elektron-elektron yang berikatan, jauh

lebih kuat daripada yang dilakukan oleh atom hidrogen. Hal ini dapat

meningkatkan jumlah muatan positif di kedua atom hidrogen dan

meningkatkan jumlah muatan negatif pada atom oksigen.

Adanya peningkatan muatan pada tiap-tiap atom tersebut membuat

molekul air mempunyai sejumlah momen dipol. Gaya tarik-menarik listrik

antar molekul air akibat adanya momen dipol ini membuat masing-masing

molekul saling berdekatan, sehingga akan sulit dipisahkan dan akhirnya

meningkatkan titik didih air. Gaya tarik-menarik inilah yang disebut sebagai

ikatan hidrogen. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair

dan padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air

dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H+) yang berikatan

dengan sebuah ion hidroksida (OH-).

2.3.2 Kelarutan (Solvasi) Dan Pelarut

Air sering disebut sebagai pelarut universal dan termasuk pelarut

yang kuat, karena dapat melarutkan banyak zat kimia. Zat yang bercampur

dan larut dengan baik dalam air (misalnya garam) disebut sebagai zat-zat

hidrofilik. Sedangkan zat yang tidak mudah bercampur dengan air (misalnya

lemak dan minyak) disebut sebagai zat hidrofobik. Kelarutan suatu zat

29

dalam air ditentukan oleh dapat tidaknya zat tersebut menandingi kekuatan

gaya tarik-menarik listrik anatara molekul-molekul air. Jika suatu zat tidak

mampu menadingi gaya tarik-menarik antarmolekul air, zat tersebut tidak

dapat larut dan akan mengendap dalam air.

Beberapa contoh air sebagai pelarut yang digunakan sehari-hari

adalah keperluan mandi atau mencuci. Selain itu, limbah rumah tangga dan

industri juga dibawa dan dilarutkan oleh air melalui saluran pembuangan.

Air dapat berfungsi sebagai fasilitator proses biologi dengan bantuan

mikrooraganisme yang terdapat dalam air, sehingga mampu melarutkan dan

memecah limbah menjadi zat-zat dengan tingkat polusi yang lebih rendah.

2.3.3 Kohesi Dan Adhesi

Selain mempunyai sifat kelarutan dan sebagai zat pelarut, air juga

mempunyai sifat kohesi dan adhesi. Air menempel pada sesamanya (kohesi)

karena air bersifat polar. Air terdiri atas sejumlah muatan parsial negatif (σ-)

dekat atom oksigen dan sejumlah muatan parsial positif (σ+) dekat atom

hidrogen. Karena atom oksigen bersifat lebih elektronegatif dan memiliki

kekuatan tarik lebih kuat dibandingkan atom hidrogen, sehingga mampu

menarik elektron-elektronnya lebih dekat. Ini berarti menarik muatan

elektron-elektron negatif dan membuat daerah disekitar atom oksigen

bermuatan lebih negatif dibandingkan daerah-daerah di sekitar kedua atom

hidrogen. Selain sifat kohesi, air juga mempunyai sifat adhesi, yaitu gaya

tarik-menarik antar molekul yang terjadi antara benda-benda yang

30

bersentuhan dengan air. Sifat adhesi air cukup tinggi, disebabkan oleh sifat

alami kepolarannya.

2.4 Sifat Oksigen

Oksigen (O) mempunyai berat atom 16, dan oksigen tidak berdiri sendiri

dalam bentuk mono-atomik, sehingga oksigen sering bergabung dengan oksigen

yang lain dalam bentuk molekul di-atomik (O2). Sehingga berat atomnya menjadi

32 Kekuatan ikatan molekuler dari diatomik oksigen (O2) sangat tinggi 118 Kcal

per molekul, kekuatan ikatan oksigen biasanya sekitar 32 Kcal bila oksigen dalam

bentuk senyawa. Oksigen adalah unsur no tiga yang paling penting setelah

hydrogen dan Helium. di muka bumi ini oksigen merupakan gas yang sangat

penting, sebab perbedaan dalam ikatan energy inilah yang menjadi sumber tenaga

bagi kebutuhan di hampir sebagian besar peradaban manusia dimuka bumi. Ozon

(O3) adalah oksigen dalam bentuk 3 atom,tetapi bentuk ini tidak stabil dan mudah

terurai. Ada isotop Oksigen yang mempunyai berat atom yang berbeda beda

bukan 16, Oksigen dengan isotop 17 dan 18 telah ditemukan, sehubungan dengan

adanya ekstra neutron yang berhubungan dengan proton di inti atom. Oksigen

juga tidak berwarna, tidak berasa dan tidak mempunyai bau,namun sangat reaktif

dan mempunyai kemampuan untuk bergabung dengan hampir semua unsur yang

ada.

Suhu Kritis oksigen adalah -118 °C, di atas dari suhu ini oksigen tidak bisa

dalam bentuk cair namun dalam bentuk gas. Satu liter volume air akan

menghasilkan 862 liter volume gas oksigen pada suhu dan tekanan atmosfir

31

standar (70 F, 14,7 psia). Kepadatan gas oksigen pada suhu (celcius) adalah 1,429

gram per liter (0,0892 pond per kaki kubik). Oksigen mempunyai densitas

0,001429 gram per mililiter pada suhu 25°C 31 ml O2 akan larut dalam 1 liter air,

berlawanan dengan 2 ml H2, hal ini sangat penting sebab dari sinilah di mulai

membangun ratio stochiometri sebelum mendapatkan Hidroxy gas keluar dari

elektrolyser.

Oksigen berbentuk para magnetik,yang artinya dapat tertarik ke arah

magnet,jadi medan magnet dari elektrolyser dapat membuat campuran Hidroxy

gas secara homogen,ini termasuk medan magnet yang dihasilkan disekitar kabel

dimana elektron mengalir didalamnya.

2.5 Sifat Hidrogen

Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air,

genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol

H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna,

tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik

yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah

unsur teringan di dunia. Hidrogen juga adalah unsur paling melimpah dengan

persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Kebanyakan

bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma. Senyawa hidrogen relatif

langka dan jarang dijumpai secara alami di bumi, dan biasanya dihasilkan secara

industri dari berbagai senyawa hidrokarbon seperti metana. Hidrogen juga dapat

dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, namun proses ini secara komersial

32

lebih mahal daripada produksi hidrogen dari gas alam. Isotop hidrogen yang

paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya

mempunyai proton tunggal dan tanpa neutron

Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif

(anion). Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat

dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Hidrogen sangat penting dalam

reaksi asam basa yang mana banyak reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar

molekul terlarut. Oleh karena hidrogen merupakan satu-satunya atom netral yang

persamaan Schrödinger nya dapat diselesaikan secara analitik,kajian pada

energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam

perkembangan mekanika kuantum. Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan

terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran

hidrogen adalah -286 kJ/mo.

Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen

meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur

560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan

gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh

karena itu sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual.

2.6 Elektrolisis

Elektolisis air ialah proses penguraian unsur-unsur pembentuk air hingga

berupa gas dan dapat digunakan sebagai campuran bahan bakar. Dengan

menggunakan arus listrik DC, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua

33

elektron pada katoda yang tereduksi menjadi gas H2 dan ion hidroksida (OH-).

Pada kutub anoda dua molekul air lainnya akan terurai menjadi gas oksigen (O2)

dengan melepaskan ion H+ serta mengalirkan electron ke katoda. Akibat reaksi

tersebut, ion H+ dan OH- akan mengalami netralisasi dan membentuk molekul air

kembali. Reaksi elektrolisis air dapat dituliskan sebagai berikut.

2H2O(l) + Electrical Energi –> 2H2(g)+O2(g)

Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan oleh reaksi tersebut

membentuk gelembung dan mengumpul di sekitar elektroda. Prinsip ini kemudian

dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida (H2O2).

Komponen terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektroda. Pada proses

elektrolisis diperlukan dua buah kutub, yaitu katoda sebagai kutub negatif dan

anoda sebagai kutub positif serta KOH sebagai larutan elektrolitnya.

Reaksi elektrolisis KOH dalam air:

Katoda : 2 H2O + 2e- –> H2 + 2OH-

Anoda : 2 OH –> 1/2 O2 + H2O + 2e-

Alat yang digunakan untuk menguraikan air tersebut dengan elektroliser

(electrolyzer). Di dalam elektroliser, air (H2O) dipecah menjadi gas hydrogen dan

oksigen yang biasa disebut sebagai brown gas atau Hydroxy. Elekroliser juga

merupakan istilah lain untuk menyebut generator hidrogen. Elektroliser

menghasilkan hidrogen dengan cara mengalirkan arus listrik pada media air yang

mengandung larutan elektrolit sebagaii penghantar. Medan magnet akan

mengubah struktur atom hydrogen (H2) dan oksigen (O) pada air dari bentuk

34

diatomik menjadi monoatomik. Selain itu ikatan neutron yang mengikat partikel

H dan O akan terlepas, sehingga partikel H akan tertarik ke kutub positif dan

patikel O akan tertarik ke kutub negatif elektroliser. Inilah yang disebut sebagai

disosiasi. Saat gelembung gas hydrogen dan oksigen monoatomik terlepas dari

permukaan air, partikel gas tersebut akan berikatan kembali di ruang udara

sebagai brown gas

Hidroxy merupakan bahan bakar yang kuat (powerfull), bersih, mampu

meningkatkan jarak tempuh, dan mengurangi emisi gas buang secara signifikan.

Hidroxy gas yang diproduksi oleh elektroliser ditarik ke dalam intake manifold,

sehingga bercampur dan berikatan dengan rantai karbon dari bahan bakar. Melalui

reaksi katalitik Hidroxy gas mampu meningkatkan daya bahan bakar hingga 3,8

kali.

2.6.1 Sifat Kimia dari elektrolisis

Atom adalah blok bangunan yang terkecil dan stabil dalam kimia.

Atom mempunyai satu atau lebih elektron (muatan negatif) yang berputar

disekitar inti atom (nukleus) yang terdiri dari minimal satu proton (muatan

positif) dan biasanya beberapa netron (tak bermuatan), Atom hydrogen

mempunyai satu elektron dan satu proton, sedang atom oksigen

mempunyai 8 elektron (6 dilingkaran terluar) 8 proton dan 8 netron. Satu

molekul adalah komposisi lebih dari satu atom . Molekul yang terdiri dari

bentuk atom yang sama disebut unsur, sedang Senyawa adalah kumpulan

dari molekul yang lebih satu bentuk atom Dalam ilmu kimia. Mole adalah

35

bilangan khusus (specific number) dari atom , molekul atau unit senyawa.

Bilangan khusus tersebut dinamakan bilangan Avogadro yaitu 6,022 x 10

23.

2.6.2 Reduksi dan Oksidasi

Reduksi adalah proses yang melibatkan perolehan atau

penambahan elektron,ini berarti atom-atom yang tereduksi akan

mendapatkan elektron tambahan pada sel terluarnya dan atom-atom

tersebut menjadi bermuatan negatif.

Oksidasi adalah suatu proses yang terjadi dimana elektron-

elektronnya berkurang (kehilangan elektron). Ini berarti bahwa atom-atom

yang teroksidasi mengalami kelebihan muatan positif sebab elektron

negatif di lingkaran paling luar tidak seimbang lagi (elektron sel) dengan

proton positif di dalam intinya

Redoks (reduksi-oksidasi) berarti keseimbangan reaksi dalam

larutan dan biasanya menghasilkan muatan yang netral. Dalam elektrolisis

Redoks adalah suatu proses yang meliputi mengalirnya elektron-elektron

dari katoda ke anoda (dari negatif ke positif), karena berbagai macam

senyawa akan terurai dan mendapatkan molekul dan bentuk senyawa baru,

akibat berbagai macam proses reduksi dan oksidasi terjadi.

36

Hukum Faraday yang berlaku pada elektrolisis :

1) Berat unsur yang diberikan akan berpindah pada elektroda

saat terjadi proses elektrolysis berbanding langsung dengan jumlah

listrik yang melewati larutan .

2) Jika kuantitas Listrik yang sama melewati larutan

elektrolysis yang berbeda,maka berat substansi yang berpindah tsb

pada elektroda berbanding langsung dengan berat equivalennya.

Satu Faraday adalah arus yang sama dengan 96.500 coulomb. Satu

Coulomb adalah mengalirnya muatan listrik sebesar satu amper per detik.

Satu faraday adalah sama dengan 26,8 Amper/jam (96.500/3600) dengan

mengabaikan tegangannya. Tegangan teoritis yang ideal untuk suatu

proses elektrolysis adalah 1,23 volt

Ion adalah molekul (atom) yang mempunyai elektron yang berlebih

atau lebih banyak dari normalnya, ion positip (kation) mempunyai elektron

sedikit dan ion negatip (anion) mempunyai elektron lebih banyak dari

normalnya. Air Murni atau air de-ionisasi memiliki beberapa ion-ion

sehingga tidak menghantarkan listrik dengan baik.

Reaksi endothermik berarti bahwa kita memberikan energy kepada

suatu reaksi. Pengukur suhu akan memperlihatkan rendahnya suhu larutan.

Dalam perhitungan kimia hal ini menunjukkan adanya tanda positip (+)

dan berarti bahwa panas akan diserap. Jika molekul-molekulnya terbelah,

37

maka energy tersebut akan dipakai untuk memecahkan ikatan atom,dan

biasanya berupa aksi endotermik.

Reaksi eksotermik berarti bahwa setelah terjadinya reaksi akan

memperoleh energy yang tersimpan,dan menyebakan meningkatnya suhu

dalam larutan. Dalam perhitungan kimia hal ini dapat ditunjukkan adanya

tanda (-) yang berarti bahwa panas dikeluarkan, jika dua molekul di

gabungkan,akan menghasilkan nilai energi yang sama yang digunakan

untuk memisahkannya, maka energi yang tersimpan ini disebut energi

eksotermik.

2.6.3 Elektrolit

Dalam elektrolisis dibutuhkan elektrolit sebagai katalis sebagai

penghantar arus listrik dari elektroda. Dalam hal ini elektrolit harus

mampu dengan cepat mengurangi jumlah tenaga yang dibutuhkan untuk

memisahkan air. Larutan yang di gunakan sebagai katalis seperti,sodium

hydroksida (NaOH), sodium hydroksida sering disebut kaustik soda

sebagai larutan dasar. Begitu juga dengan kalium hidroksida (KOH),

namun berbagai larutan asam sebagai elektrolit dapat bekerja juga.

Elektrolit yang di butuhkan adalah tidak menghasilkan gas beracun

,dan efektif mengurangi penggunaan komsumsi daya juga menghasilkan

hasil yang tidak merubah larutan dan tidak ikut dalam reaksi. Elektrolit ini

mengoksidasi anoda dan mereduksi katoda dengan lebih mudah dibanding

hanya menggunakan air murni,begitu terjadi pemisahan, senyawa

38

elektrolite ini baik langsung atau tidak langsung akan menyerang air

sehingga terjadi pemisahan ikatan.

Air murni memerlukan tegangan yang tinggi untuk memecahkan

ikatan molekul,dengan menambahkan larutan elektrolit sebagai katalis

akan dapat dengan cepat mengurangi tagangan yang diperlukan untuk

memecahkan ikatan molekul air.

2.7 Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse Width Modulation adalah suatu alat yang terdiri dari komponen

elektronik yang berfungsi untuk mengatur atau merubah tegangan yang masuk

untuk proses elektrolisis yang awalnya Direct (karna bersumber dari Accu)

menjadi Pulse (denyut). Sehingga tegangan yang di gunakan dapat diturunkan

hingga 12 volt DC.

Dengan menggunakan PWM penggunaan energi listrik untuk

mengaktifkan proses elektrolisis dapat di kurangi,karna energi yang masuk

dengan kontinu akan di rubah menjadi pulse atau berdenyut. Jadi dengan daya

yang relatif kecil sudah bisa digunakan untuk proses elektrolisis, karna proses

elektrolisis sendiri hanya membutuhkan tegangan 2 volt pada setiap cell.dengan

PWM yang diaplikasi di dapat frekuensi sebesar 100-500Hz tergantung pada

RPM mesin. Semakin tinggi frekuensi di dapat maka semakin baik proses

pemecahan molekul pada air.

39

Gambar 2.9 komponen elektronik pada PWM