BAB II

SISTEM VAKUM

II.1 Pengertian Sistem Vakum

Vakum berasal dari kata latin, Vacuus, berarti Kosong. Kata dasar dari

kata vacuum tersebut merupakan Vakum yang ideal atau Vakum yang sempurna

(Vacuum perfect), tekanan mutlak ini seperti temperatur mutlak, dalam dunia

nyata Sistem Vakum tidak dapat dinyatakan, tetapi merupakan suatu acuan dalam

pengukuran tekanan.

Vakum merupakan suatu kondisi dari udara / gas sekitar lingkungan

tertentu dimana tekanan udara dibawah tekanan atmosfir. Untuk menghasilkan

vakum perlu untuk mengeluarkan udara dari sistem, ini merupakan prinsip dasar

dari cara kerja vakum.

Prinsip dasar dari vakum distilasi, dimana proses tetap pada ruang hampa,

aliran cairan dan uap air sangat diperlukan pada langkah-langkah untuk mencapai

keseimbangan dimana pada proses tersebut untuk menguapkan komponen yang

mudah menguap dan uap air diperkaya pada destilasi dalam vakum,

bagaimanapun Tanki tidaklah terhubung ke atmosfir, tetapi pompa vakum

memelihara sistem tekanan agar tetap di bawah tekanan atmosfir.

Dalam sistem Internasional satuan dalam pengukuran ruang hampa adalah

Torr, sesuai dengan Evangelista Torricelli (1608-1647). Evangelista Torricelli

membuat suatu metode untuk mengukur tekanan atmosfer dengan diciptakan

olehnya barometer air raksa pada tahun 1643. barometer air raksa tersebut adalah

sebuah tabung gelas yang panjang telah diisi dengan air raksa dan dibalikkan

didalam sepiring air raksa, seperti pada

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Ruang diatas kolom air raksa hanya mengandung uap air raksa, yang

tekanan tersebut dapat diabaikan besarnya, dapat dilihat bahwa tekanan atmosfer

P0 dapat dirumuskan seperti pada persamaan (12).(Tekanan head dalam fluida)

kebanyakan alat pengukur tekanan menggunakan tekanan atmosfer, yang

dinamakan tekanan tolok (gauge pressure). Tekanan sesungguhnya disebuah titik

didalam suatu fluida dinamakan tekanan absolut ( absolute pressure). Tekanan

tolok diberikan baik diatas maupun dibawah tekanan atmosfer.

Gambar 2.1 Barometer Torricelli

Tekanan atmosfer disuatu titik secara numerik adalah sama dengan berat

kolom udara sebanyak satu satuan luas penampang yang membentang dari titik

tersebut ke puncak atmosfer. Maka, tekanan atmosfer disuatu titik, akan berkurang

dengan ketinggian. Keadaan atmosfer tersebut akan mengalami bentuk variasi

karena atmosfer tersebut tidaklah statik. Kolom air raksa didalam barometer

Universitas Sumatera Utara

tersebut akan mempunyai tinggi sebesar kira – kira 76 cm di permukaan laut yang

berubah karena tekanan atmosfer. Suatu tekanan yang dikerahkan oleh persis 76

cm air raksa pada 0 0 C dibawah gravitasi standart, g = 9,80 m/s2, dinamakan satu

atmosfer (1 atm). Massa jenis air raksa pada temperatur ini adalah 13,6 x 103

Kg/m3.

Dapat juga dicontohkan mengenai variasi tekanan dengan ketinggian

didalam atmosfir bumi jika massa jenis adalah sebanding dengan P, jika

temperatur udara sama di semua ketinggian. Dengan menggunakan anggapan ini,

dan juga mengangap variasi g dengan ketinggian dapat diabaikan, maka dapat

dicari tekanan P diatas suatu ketinggian y diatas permukaan laut, maka didapat

persamaan (1).

...................(1) gdy

dp

dapat dijelaskan bahwa tekanan berubah dengan elevasi diatas suatu permukaan

referensi didalam suatu fluida yang berada didalam kesetimbangan statik. Jika

elevasi bertambah (dy positif), maka tekanan berkurang (dp negatif). Penyebab

variasi tekanan ini adalah berat persatuan luas penampang lapisan – lapisan fluida

yang terletak diantara titik – titik yang perbedaan tekanannya sedang diukur.

Karena adalah sebanding dengan P,

Maka;

…………...(2) 00

Universitas Sumatera Utara

dimana 0 dan p0 adalah nilai massa jenis dan nilai tekanan yang diketahui

dipermukaan laut. Maka,

…………...(3) 0

0 p

pg

dy

dp

sehingga

...................(4) dy

p

pg

p

dp

0

0.

dengan mengintegralkan persamaan ini dari nilai p0 dititik y = 0 (permukaan laut)

ke nilai p dititik y (diatas permukaan laut), maka kita mendapatkan,

...................(5) yp

g

p

p

0

0.ln

atau

...................(6)

yp00 /

0

gepp 0

akan tetapi,

g = 9,80 m/s2,

0 = 1,20 kg/m3 (pada 20 0C),

p0 = 1,01 x 105 N/m2 = 1,01 x 105 Pa.

sehingga

1

13414

25

32

0

0

116,0

101016,11016,1

.1001,1

20,180,9.

km

kmxxmx

Sm

kgx

m

kgx

S

m

p

g

maka

...................(7) ygepp .0

Universitas Sumatera Utara

Dapat diambil kesimpulan bahwa cairan hampir tak termampatkan maka

lapisan – lapisan yang sebelah bawah tidak terlihat dikompresikan oleh berat

lapisan – lapisan atas yang dilapiskan diatas lapisan – lapisan bawah tersebut dan

massa jenis praktis konstan disemua permukaan. Untuk gas yang

temperaturnya umum maka massa jenis dari setiap lapisan adalah sebanding

dengan tekanan p dilapisan tersebut. Variasi tekanan dengan jarak diatas alas

fluida untuk suatu gas adalah berbeda dari variasi tekanan dengan jarak untuk

suatu cairan. Dapat dimisalkan pada Gambar 2.2 distribusi tekanan didalam udara

dan air.

Gambar 2.2 Distribusi tekanan didalam udara dan air

Telah diketahui bahwa udara di atmosfir ini mempunyai berat. Karenanya

maka udara tersebut bisa menimbulkan tekanan pada permukaan bumi. Rapat

massa udara tidak konstan, yang tergantung pada ketinggian, temperatur dan

kelembaban. Oleh karena itu tekanan atmosfir, yang disebabkan oleh berat

Universitas Sumatera Utara

atmosfir atau udara diatas permukaan bumi, sulit atau tidak dapat dihitung.

Tekanan atmosfir dapat diukur berdasarkan tinggi kolom zat cair yang bisa

ditahan. Di permukaan laut, tekanan yang ditimbulkan oleh kolom udara seluas

1 cm2

dan setinggi atmosfir adalah 1,03 kg. Dengan demikian tekanan atmosfir

pada permukaan air laut adalah 1,03 kg/cm2

atau setara dengan 10,3 m air atau

76 cm air raksa (Hg). Tekanan atmosfir akan berkurang dengan elevasi atau

ketinggian tempat.

Tekanan terukur atau tekanan relatif adalah tekanan yang diukur

berdasarkan tekanan atmosfir. Tekanan ini bisa lebih besar (tekanan positif) atau

lebih kecil (tekanan negatif atau vakum) dari tekanan atmosfir. Sedangkan

tekanan absolut atau tekanan mutlak atau tekanan sebenarnya adalah merupakan

jumlah dari tekanan atmosfir dan tekanan terukur. Apabila tekanan terukur negatif

maka tekanan mutlak adalah tekanan atmosfir dikurangi tekanan terukur, hal ini

dapat dilihat melalui Gambar 2.3 pembagian tekanan atmosfir, terukur, dan

absolut.

Gambar.2.3 Tekanan atmosfir, terukur dan absolut

Universitas Sumatera Utara

Dari Gambar 2.3 diatas dapat diberi pengertian bahwa sistem vakum

berada dibawah tekanan atmosfir yaitu 1 atm. Satu standart atmosfir berlaku yaitu

760 torr.

Sistem Vakum merupakan suatu bentuk perubahan dari Tekanan dan

Volume yang ditentukan .Tekanan dan Volume dihubungkan oleh hukum Boyle.

Pada Gambar 2.4 Volume gas V1 pada tekanan P1 (dalam satuan Absolut).

Gambar 2.4 Hukum Boyle.

Gas ini dikompresi ke Volume V2, sehingga menghasilkan kenaikkan tekanan

sampai sebesar P2, apabila piston ditekan tekanan P2 akan naik dan V2 akan

berkurang, maka didapat; V2 < V1 dan P2 > P1

P1 . V1 = P2 . V2 …...………(8)

Apabila temperatur gas tidak berubah selama kompresi, suatu reduksi tekanan

dengan cara sama menghasilkan kenaikkan Volume.

Maka dengan demikian kompresi gas selalu diikuti dengan kenaikkan

temperatur, agar persamaan diatas berguna, maka gas harus kembali ke temperatur

semula.

Sebaliknya, pada Gambar 2.5 temperatur suatu gas bervolume tetap

dikendalikan oleh sebuah panas.

Universitas Sumatera Utara

Dipanaskan

T1

V1

T2

V2

Gambar 2.5 Perubahan Volume sebagai Fungsi dari Temperatur

Udara mengembang dengan 1/273 dari volumenya ketika dipanaskan

dengan 1 Kelvin dari temperatur 273 K dibawah tekanan konstan, hal ini

ditunjukkan oleh Hukum Gay Lussac yang menyatakan bahwa terjadi perubahan

keadaan dengan proses tekanan konstan, dimana;

2

1

2

1

T

T

V

V …….……..(9)

Maka dapat diartikan bahwa tekanan dan temperatur adalah besaran

absolut.. Persamaan (8). dan persamaan (9). digabungkan untuk menghasilkan

hukum gas umum :

tan..

2

22

1

11 KonsT

VP

T

VP .............…(10)

Persamaan ini disebut persamaan BOYLE – GAY LUSSAC

Keterangan P = Tekanan (N/m2) , V = Volume (m3) dan,

T = Temperatur (0 C)

II.2 Tekanan

Tekanan terjadi dalam suatu Fluida bila fluida tersebut dikenai suatu gaya.

Pada Gambar 2.6 sebuah gaya F diberikan pada fluida tertutup lewat sebuah

piston dengan luas A, ini menghasilkan tekanan P dalam Fluida, dengan demikian

pada saat Gaya dinaikkan / diperbesar, tekanan akan naik secara Proporsional.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.6. Tekanan dalam Fluida yang diberi Gaya.

Tekanan dalam Fluida dengan demikian dapat dirumuskan sebagai gaya

yang bekerja per satuan luas, atau dapat dilihat pada persamaan (11) berikut;

A

FP …..…….(11)

Keterangan;

P = Tekanan (N/m2)

F = Gaya Tekan (Newton)

A = Luas Penampang (m2)

Tekanan juga dapat muncul dalam suatu fluida akibat berat fluida itu

sendiri. Tekanan ini biasanya dikenal sebagai tekanan Head dan bergantung pada

ketinggian fluida. Dalam Gambar 2.7 Tekanan didasar Fluida sebanding dengan

ketinggian h.

Gambar 2.7 Tekanan head dalam fluida

Universitas Sumatera Utara

Dalam Sistem imperial dan sistem metrik dirumuskan ;

P = .h ………..(12)

Dengan ;

(Rho) = Densitas (Kg/m3) dan,

h = Ketinggian (m)

Dalam sistem SI persamaan (11). diatas dapat dirumuskan ;

P = .g.h ...………(13)

Dengan g adalah percepatan yang disebabkan gravitasi (9,81 ms-2 ) sehingga

dihasilkan tekanan dalam pascal.

Bagaimanapun juga, tekanan dalam fluida dapat didefenisikan lewat

tekanan head ekuivalen. Satuan umumnya adalah millimeter air raksa dan

centimeter, inci, atau meter air. Imbuhan wg ( dari water gauge = tinggi air)

seringkali digunakan bila tekanan didefinisikan lewat head ekuivalen air.

Hampir semua transmitter atau transducer tekanan mengukur beda tekanan

antara dua port masukan. Ini dikenal sebagai tekanan diffrensial, dan transmitter

tekanan pada Gambar 2.8 ditunjukkan tekanan sebesar P1 – P2.

Gambar 2.8 Tekanan Differensial

Pada Gambar 2.9 Port masukan tekanan rendah terbuka ke atmosfer,

sehingga transmitter tekanan menunjukkan tekanan diatas tekanan atmosfer.

Universitas Sumatera Utara

Tekanan ini dikenal sebagai tekanan gauge, dan biasanya dinyatakan dengan

imbuhan g (misalnya psig).

Gambar 2.9 Tekanan Gauge

Pada Gambar 2.10 menunjukkan transmitter tekanan yang mengukur

tekanan yang mengacu ke vakum. Ini dikenal sebagai tekanan absolut dan tekanan

ini penting bila kompresi gas dipersoalkan

Gambar 2.10 Tekanan Vakum

Tekanan diffrensial, tekanan Gauge dan tekanan Vakum merupakan suatu

cara dalam mengukur tekanan.

II.3 Bahan Pendukung Sistem Vakum

Didalam sistem vakum terdapat pendukung dalam berjalannya sistem

vakum tersebut, ditinjau dari zatnya diantaranya yaitu ;

Steam (Uap) Sebuah molekul merupakan jumlah terkecil unsur atau

senyawa suatu bahan yang masih memiliki semua sifat-sifat kimia bahan tersebut.

Molekul-molekul bahkan dapat tersusun dari partikel-patikel yang lebih kecil

yang disebut atom, yang merupakan elemen dasar seperti hidrogen dan oksigen.

Universitas Sumatera Utara

Kombinasi spesifik unsur- unsur atom tersebut membentuk senyawa. Salah satu

senyawa tersebut dinyatakan dengan rumus kimia H2O, yang memiliki molekul

yang tersusun dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Air jumlahnya

sangat melimpah di muka bumi adalah karena hidrogen dan oksigen merupakan

unsur yang paling melimpah di jagat raya ini. Karbon merupakan unsur lain yang

juga cukup signifikan, dan merupakan unsur kunci seluruh bahan organik. Hampir

seluruh unsur mineral dapat berada pada tiga keadaan fisiknya (padat, cair dan

uap) yang merupakan fasenya. Dalam hal H2O, istilah es, air dan steam digunakan

untuk menunjukan ketiga fase masing-masing.

Dalam fase cair, molekul- molekulnya bebas bergerak, namun jaraknya

masih lebih kecil dari satu diameter molekul karena seringnya terjadi tarik-

menarik dan tumbukan. Penambahan panas yang lebih banyak akan meningkatkan

pengadukan dan tumbukan, naiknya suhu cairan sampai suhu didihnya.

Dengan meningkatnya suhu dan air mendekati kondisi didihnya, beberapa

molekul mendapatkan energi kinetik yang cukup untuk mencapai kecepatan yang

membuatnya sewaktu-waktu lepas dari cairan ke ruang diatas permukaan,

sebelum jatuh kembali ke cairan. Pemanasan lebih lanjut menyebabkan eksitasi

lebih besar dan sejumlah molekul dengan energi cukup untuk meninggalkan

cairan jadi meningkat. Dengan mempertimbangkan struktur molekul cairan dan

uap, masuk akal bahwa densitas steam lebih kecil dari air, sebab molekul steam

terpisah jauh satu dengan yang lainnya. Ruang yang secara tiba-tiba terjadi diatas

permukaan air menjadi terisi dengan molekul steam yang kurang padat. Jika

jumlah molekul yang meninggalkan permukaan cairan lebih besar dari yang

masuk kembali, maka air menguap dengan bebasnya. Pada titik ini air telah

Universitas Sumatera Utara

mencapai titik didihnya atau suhu jenuhnya, yang dijenuhkan oleh energi panas.

Jika tekananya tetap, penambahan lebih banyak panas tidak mengakibatkan

kenaikan suhu lebih lanjut namun menyebabkan air membentuk steam jenuh.

Suhu air mendidih dengan steam jenuh dalam sistem yang sama adalah sama,

akan tetapi energi panas per satuan massa nya lebih besar pada steam.

Pada tekanan atmosfir suhu jenuhnya adalah 100°C. Tetapi, jika

tekanannya bertambah, maka akan ada penambahan lebih banyak panas yang

peningkatan suhu tanpa perubahan fase. Oleh karena itu, kenaikan tekanan secara

efektif akan meningkatkan entalpi air dan suhu jenuh. Hubungan antara suhu

jenuh dan tekanan dikenal sebagai kurva uap jenuh (Gambar 2.11).

Gambar 2.11 Kurva uap Jenuh

II.4 Sistem Kontrol

Sistem kontrol adalah proses pengaturan / pengendalian terhadap satu atau

beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau

dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu.

Tujuan utama dari suatu sistem pengontrolan adalah untuk mendapatkan

optimisasi dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan fungsi daripada system

kontrol itu sendiri, yaitu pengukuran (measurement), membandingkan

Universitas Sumatera Utara

(comparison), pencatatan dan perhitungan (computation) dan perbaikan

(correction).

Hal yang paling banyak dijumpai dalam dunia industri yaitu pengontrolan

secara elektris dan pneumatik, ini dikarenakan beberapa kelebihan yang

diberikannya yaitu pemakaian daya yang lebih kecil, kemampuan untuk

pengontrolan jarak jauh, lebih mudah diperoleh dan responnya lebih cepat,

disamping itu dimensi peralatan dapat dibuat lebih kecil.

II.4.1 Jaringan terbuka dan tertutup

Sistem kontrol dengan jaringan tertutup adalah sistem pengontrolan

dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga

besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan,

diagram dapat dilihat pada Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian

Tertutup.

Gambar 2.12 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup

Sistem kontrol dengan jaringan terbuka merupakan sistem kontrol dimana

keluaran tidak memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga variabel

yang dikontrol tidak dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan, diagram

dapat dilihat pada Gambar 2.13 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian

Terbuka.

Universitas Sumatera Utara

21

Gambar 2.13 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka

Aplikasi sistem jaringan terbuka dan tertutup juga ditemui dalam proses –

proses lain. Salah satu contoh dalam kehidupan sehari – hari adalah sebagai

berikut, jika seseorang mengendarai mobil, maka jalur kecepatan beserta

percepatan kendaraan tersebut dapat ditentukan dan dikontrol oleh pengendara

dengan cara mengamati kondisi lalu lintas dan mengendalikan setir, rem, dan alat

– alat pengontrol lainnya. Jika dia ingin memelihara kecepatan pada suatu harga

yang konstan (sebagai keluaran) maka dia dapat mengaturnya melalui pedal

percepatan (gas) dan harga ini secara tepat dapat diperoleh dengan mengamati

penunjukkan speedometer (alat penunjuk kecepatan). Dengan mengamati

besarnya keluaran tersebut setiap saat berarti kita memberikan informasi / efek

terhadap masukan (dalam hal ini adalah pengendara dan pedal gas), sehingga jika

terjadi penyimpangan terhadap kecepatan, pengendara dapat mengendalikannya

kembali keharga yang seharusnya.

Salah satu aplikasi diatas merupakan sistem kontrol dengan jaringan

tertutup, dan akan berubah menjadi sistem terbuka jika kendaraan tersebut tidak

dilengkapi dengan speedometer. Tanpa adanya alat penunjuk kecepatan ini maka

pengendara tidak dapat mengetahui berapa kecepatan sebenarnya dari kendaraan

tersebut setiap saat; yang berarti juga bahwa tidak dapat mengendalikan

(membuat) kecepatan pada suatu harga yang diinginkan.

Universitas Sumatera Utara

Dari contoh diatas dapat dibuat secara blok diagram pada Gambar 2.14a

dan 2.14b. pada Gambar 2.14a. ditunjukkan sistem tertutup, sedang pada Gambar

2.14b. dimana tanpa speedometer diagram merupakan sistem terbuka.

Pengendara KakiPedal Gas Hubungan ke mesin Karburator

KendaraanA

B

C

Speedometer

Gambar 2.14a diagram sistem kontrol loop tertutup

aPengendara

b

Kendaraanc

Pedal gas hubungan ke

mesin karburatorKaki

Gambar 2.14b diagram sistem kontrol loop terbuka

II.4.2 Kontinu (analog)

Pengontrolan jenis ini dapat dibagi ;

Kesebandingan (proporsional), P-(Control); dimana keluaran sebanding dengan

penyimpangan. Pengontrolan uap melalui katup, transmitter tekanan, dan lain-

lain.

a. Integral (I) ; keluaran selalu berubah selama terjadi deviasi, dan kecepatan

perubahan keluaran tersebut sebanding dengan penyimpangan. Sistem

tekanan gas.

b. Diffrensial

c. Kombinasi P, I dan D.

Universitas Sumatera Utara

Pengontrolan tipe integral dan diffrensial jarang dipakai tersendiri, tetapi

digabungkan dengan jenis proporsional untuk menghilangkan keragu –

raguan jika jenis proporsional ini memerlukan karakteristik yang stabil.

Penggabungan ini akan diperoleh suatu sistem kontrol yang lebih stabil

sehingga sensitivitas atau kecepatan responnnya akan menjadi lebih besar.

II.5 Pengontrolan Tekanan pada Tanki

Pengontrolan tekanan pada tanki secara sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.15

P1

F1 R1

F0R2

P2

P3

PT

Gambar 2.15 Pengontrolan tekanan dalam tanki

Dari Gambar 2.15 diatas maka dapat diambil suatu analogi, keadaan

pertama apabila aliran (Flow) dari F1 mengalir masuk kedalam tanki kemudian

dari sisi aliran F0 mengalir keluar tanki dan sehingga menyebabkan F1 = F0 maka

tekanan didalam tanki (tanki keadaan tertutup penuh) sama dengan konstan,

dimana tekanan aliran sama dari kedua sisi baik F1 atau F0.

Keadaan kedua apabila aliran dan tekanan dari F1 lebih besar dikarenakan

bukaan valve yaitu R1 lebih besar dari bukaan R2 akan menyebabkan aliran dari

Universitas Sumatera Utara

F0 lebih kecil maka akan terjadi tekanan yang tinggi pada tanki, begitu juga

sebaliknya apabila F1 < F0 keadaan tekanan didalam tanki akan rendah dan

menyebabkan suatu keadaan vakum apabila terus menerus terjadi penurunan

tekanan. Dibawah dapat dilihat secara sederhana bentuk pengontrolan tekanan

pada tanki.

F1 = F0 P2 Konstan (1 atm)

F1 < F0 P2 akan turun (apabila makin mengecil bukaan valve akan

mengarah ke keadaan vakum ).

F1 > F0 P2 akan tinggi.

Universitas Sumatera Utara