LAPORAN RBL KAPAL UAP

RESEARCH BASED LEARNING

MATA KULIAH FISIKA DASAR IA (FI1101) SEMESTER I, 2015/2016

PEMBUATAN KAPAL UAP SEDERHANA UNTUK MENGETAHUI EFISIENSI DARI KONVERSI ENERGI KALOR MENJADI ENERGI MEKANIK

OLEH :

KELOMPOK IV KELAS-08

NUR YESINTA LAILATUL ALFISSA (16315099) DESSY SAFIRA SARI SIREGAR (16315103) RIFATA HIDAYAT AGNA (16315107)

SABIL FAYDI (16315111) MILGIANISA SARA (16315115) RIZAL ADI PRABOWO (16315119)

IRFANS MAULANA FIRDAUS (16315123) PATRIO KRISMONADI (16315127)

FAKULTAS ILMU DAN TEKNOLOGI KEBUMIAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

BANDUNG 2015

ABSTRAK

Kapal uap merupakan salah satu dari sekian banyak aplikasi mengenai konsep fisika. Dalam percobaan ini kami menggunakan kapal uap sederhana untuk memahami cara mengukur dan menentukan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menghasilkan usaha yang akan digunakan untuk mengerakkan kapal uap tersebut serta untuk menentukan efisiensi dari kapal uap tersebut.

Metode dalam percobaan ini menggunakan konsep mesin kalor dan hukum termodinamika. Dari percobaan ini dapat disimpulkan bahwa besarnya usaha yang dihasilkan dapat ditentukan dengan cara menambahkan kalor. Semakin banyak jumlah kalor yang diterima, semakin besar usaha yang dihasilkan. Untuk menghitung efisiensi dari kapal uap sederhana ini dapat dilakukan dengan menerapkan konsep mesin Carnot.

Efisiensi kapal uap sederhana yang kami dapatkan dalam percobaan ini jauh dari efisiensi mesin Carnot. Hal ini disebabkan keterbatasan mesin buatan tangan (manual) untuk memiliki efisiensi tinggi. Selain itu, kenyataannya adalah tidak ada mesin yang efisiensinya dapat melebihi mesin Carnot.

PENDAHULUAN

LATAR BELAKANG

Kapal layar dahulunya menjadi alat transportasi dalam kehidupan. Seiring berjalannya waktu, kebutuhan berlayar lebih cepat mulai dirasakan. Akan tetapi, hal tersebut tidak didukung dengan kemampuan kapal layar yang mempunyai keterbatasan. Kemampuan kapal layar bergerak sesuai dengan arah angin dan arus laut yang kondusif. Keterbatasan ini membuat para ilmuwan mengembangkan inovasi kapal baru, yakni kapal uap (steamer).

Kapal uap mulai digunakan setelah ditemukannya mesin uap di Inggris oleh James Watt yang memunculkan Revolusi Industri dan juga merupakan revolusi bahan bakar sebab pada masa itu mulai digunakan batubara dengan skala yang lebih luas menggantikan kayu bakar. Mesin

uap menjadi penggerak dari kapal itu sendiri. Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dalam uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis.

Terdapat fenomena fisika di dalam penggunaan mesin uap sebagai penggerak kapal uap. Oleh karena itu, kami mencoba mengetahui bagaimana konsep fisika dapat menjelaskan hal tersebut.

TUJUAN

1. Menjelaskan prinsip kerja kapal uap dengan menggunakan lilin dan kaleng bekas 2. Membuktikan adanya konversi dari energi panas ke energi uap

3. Mengetahui efisiensi dari konversi energi panas menjadi energi gerak.

DASAR TEORI

PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah salah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energi yang lain. Istilah ini diturunkan dari bahasa Yunani therme (panas) dan dynamis (gaya). Cabang ilmu ini didasarkan pada dua prinsip dasar yang aslinya diturunkan dari eksperimen, tetapi kini dianggap sebagai aksiom. Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi yang mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja. Prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan di kedua benda tersebut.

Salah satu penerapan dari prinsip termodinamika adalah kapal uap. Kapal uap pada percobaan kali ini menggunakan konsep Hukum III Newton dan Hukum 1 Termodinamika. Mesin kapal uap memberikan gaya aksi dengan menyemburkan gas keluar lewat lubang pada kaleng bagian belakang dan gas tersebut memberikan gaya reaksi dengan mendorong kapal ke depan.

Bunyi hukum Newton III : “Jika suatu benda mengerjakan gaya pada benda kedua, maka benda kedua tersebut mengerjakan juga gaya pada benda pertama, yang besar gayanya sama

dengan gaya yang diterima tetapi berlawanan arah”. Perlu diperhatikan bahwa kedua gaya tersebut harus bekerja pada dua benda yang berlainan.

F aksi = - F reaksi

Massa jenis adalah pengukur massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Rumus untuk menentukan massa jenis adalah

ρ=m V dengan : ρ = massa jenis, m = massa, dan V = volume.

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi : “Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya”. Dengan kata lain, energi dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lainnya serta tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan (Hukum Termodinamika I).

Berdasarkan hukum kekekalan energi, maka hukum termodinamika 1 dirumuskan : Q = ∆U + W

dengan ∆U = U2-U1

Jadi, hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang dihasilkan pada kalor, usaha, dan energi dalam. Hukum 1 Termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi perubahan energi dalam dan usaha.

Sebagai gagasan dasar, dapat dinyatakan bahwa energi dapat disimpan di dalam suatu sistem dalam berbagai bentuk makroskopik. Energi juga dapat dikonversi dari satu bentuk ke bentuk lain dan dipindahkan antarsistem.

Perpindahan kalor pada kapal uap termasuk jenis perpindahan kalor secara konveksi. Perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada zat cair dan gas. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan massa jenis dalam zat tersebut.

Rumus perpindahan kalor : Q=m . c . ∆ T

dengan ketentuan :

Q = kalor yang diterima suatu zat (joule, kilojoule, kalori, atau kilokalori) m = massa zat (gram atau kilogram)

c = kalor jenis (joule/kilogram°C, joule/gram°C, atau kalori/gram°C)

∆ T _{= perubahan suhu (°C) → (t}

2 - t1)

Berikut ini akan diterangkan lebih mendetail mengenai perpindahan kalor yang terjadi secara konveksi.

Perpindahan kalor sesuai dengan keadaan sebenarnya di kehidupan sehari-hari terbagi menjadi tiga jenis, yaitu perpindahan kalor secara radiasi (pancaran), perpindahan kalor secara konduksi (hantaran), dan perpindahan kalor secara konveksi (aliran). Pada artikel ini hanya akan dibahas perpindahan kalor secara konveksi. Perpindahan kalor secara konveksi ialah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan molekul-molekul zat perantaranya. Umumnya peristiwa perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada fluida cair dan gas. Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi paksa dan konveksi alami. Konveksi paksa ialah proses perpindahan kalor yang langsung diarahkan ke tujuan. Konveksi paksa menggunakan pompa atau blower. Peristiwa konveksi paksa terjadi pada radiator mobil dan proses pertukaran udara pada lemari pendingin; sedangkan konveksi alami ialah perpindahan kalor yang terjadi secara alami akibat perbedaan massa jenis antara dua benda. Molekul zat yang menerima kalor akan memuai dan massa jenisnya menjadi lebih ringan sehingga akan bergerak ke atas dan akan digantikan oleh molekul zat yang ada di atasnya. Peristiwa

konveksi alami terjadi pada saat merebus air. Air yang letaknya dekat dengan api akan mendapat panas sehingga molekul air akan saling bertumbukan dan massa jenisnya lebih ringan, kemudian air akan bergerak ke atas dan digantikan oleh air yang ada di atasnya. Perpindahan kalor secara konveksi juga mengakibatkan terjadinya angin darat dan angin laut. Angin ialah udara yang mengalir atau udara yang bergerak dan berpindah tempat. Angin darat ialah angin yang bertiup dari darat menuju laut. Angin darat terjadi pada malam hari. Angin darat terjadi karena udara di darat lebih cepat mendingin daripada udara di laut, sehingga udara yang berada di atas laut akan naik dan udara dari darat akan menggantikan posisi udara yang naik tadi. Angin darat dimanfaatkan oleh nelayan untuk pergi mencari ikan di laut. Sementara itu, angin laut ialah angin yang bertiup dari laut ke darat. Angin laut terjadi pada siang hari. Angin laut terjadi karena pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada lautan sehingga udara di darat akan naik dan udara di laut akan mengalir ke darat untuk menggantikan tempat udara yang naik tadi. Angin laut dimanfaatkan oleh nelayan utuk pulang ke darat setelah mencari ikan. Itulah mengapa nelayan pergi melaut pada malam hari dan pulang di siang hari.

Contoh peristiwa konveksi yang lain ialah penggunaan cerobong asap pada pabrik dan pemanfaatan ventilasi sebagai sirkulasi udara di dalam rumah.

Besar kecilnya kalor yang merambat secara konveksi dapat dihitung menggunakan persamaan :

Q : kalor (joule)

∆t : selang waktu yang diperlukan (s) H : koefisien konveksi

A : luas penampang (m2₎

Proses percobaan kali ini menggunakan suatu mesin uap sederhana yang terbuat dari kaleng dan diberi panas (kalor) oleh lilin-lilin yang diletakkan di bawahnya. Untuk penjelasan lebih detail mengenai mesin uap, terdapat deskripsi mengenai hal tersebut dalam bahasan paragraf selanjutnya.

Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dari uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis. Mesin uap digunakan dalam pompa, lokomotif, dan kapal laut, serta sangat penting dalam

Revolusi Industri. Mesin uap merupakan mesin pembakaran eksternal, dengan cairan yang terpisah dari hasil pembakaran. Sumber panas yang dapat digunakan yaitu tenaga surya, tenaga nuklir, atau tenaga panas bumi. Uap yang berkembang melalui piston atau turbin akan menyebabkan kerja mekanik.

Mesin uap pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria. Mesin tersebut berupa sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prinsip aksi-reaksi di mana turbin ini terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air, dan pipa tegak yang menyangga bola di mana pada bola terdapat dua nosel uap. Proses kerjanya adalah sebagai berikut : sumber kalor akan memanasi air di dalam bejana sampai air menguap, lalu uap tersebut mengalir melewati pipa tegak masuk ke bola. Uap tersebut terkumpul di dalam bola, kemudian melalui nosel menyembur ke luar. Karena semburan tersebut, bola mejadi berputar.

Selanjutnya setelah penemuan Hero, beberapa abad kemudian dikembangkan turbin uap oleh beberapa orang yang berusaha memanfaatkan uap sebagai sumber energi untuk peralatan mereka. Thomas Savery (1650-1715) adalah orang Inggris yang membuat mesin uap bolak-balik pertama. Mesin ini tidak populer karena mesin sering meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki kinerja dari mesin Savery, Denis Papin (1647-1712) membuat katup-katup pengaman dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan uap air dan air dengan menggunakan torak.

Gagasan Papin direspon oleh Thomas Newcomen (1663-1729) yang merancang dan membangun mesin menggunakan torak. Prinsip kerjanya yaitu uap tekanan rendah dimasukan ke silinder dan menekan torak sehingga bergerak ke atas. Selanjutnya, silinder

disemprot air sehingga terjadi kondensasi uap, tekanan menjadi turun dan vakum. Karena tekanan atmosfer dari luar torak turun, maka terjadilah kerja.

Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan oleh James Watt. Selama kurang lebih 20 tahun, ia mengembangkan dan memperbaiki kinerja dari mesin Newcomen. Gagasan James Watt yang paling penting adalah mengkonversi gerak bolak-balik menjadi gerakan putar (1781). Mesin tersebut kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss (1817-1888), yaitu dengan mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu bara separuh dari batu bara yang digunakan mesin uap James Watt.

Kemudian, Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18 yang menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak ada lagi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang besar, dibuat banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih efisien dan juga berdaya besar.

Mesin uap bolak-balik memiliki banyak keterbatasan, antara lain mekanismenya terlalu rumit karena banyak penggunaan katup-katup dan juga mekanisme pengubah gerak bolak-balik menjadi putaran. Maka, untuk memenuhi tuntutan kepraktisan mesin uap dengan efisiensi berdaya lebih besar, dikembangkanlah mesin uap rotari. Komponen utamanya berupa poros yang bergerak memutar. Model konversi energi potensial uap tidak menggunakan torak lagi, tetapi menggunakan sudu-sudu turbin.

Gustav de Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De Laval pada mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal. Namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De Laval, Parson mengembangkan turbin rekasi tingkat banyak. Turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut.

Di samping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateau dari Prancis mengembangkan turbin impuls

tingkat banyak dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan turbin impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas dan praktis menggantikan mesin uap bolak-balik, pastinya dengan banyak keuntungan. Penggunaan uap panas lebih lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap berdaya besar (1000 MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun. Dari sejarah tentang mesin uap yang telah dijelaskan tadi, jelas terbukti bahwa penggunaan uap sebagai alat gerak suatu benda dapat dilaksanakan.

Ada berbagai implementasi yang menggunakan prinsip hukum termodinamika I. Beberapa di antaranya digunakan dalam kehidupan sehari-hari, yaitu :

1. Mesin kendaraan bermotor.

Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka di mana ruang di dalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder dan gas buangan keluar sistem melalui knalpot.

2. Kereta api dengan tenaga uap.

Pada kereta uap terdapat prinsip hukum termodinamika I. Kereta uap bergerak dengan prinsip perubahan energi dari energi panas yang dihasilkan oleh batu bara/kayu bakar menjadi energi gerak (kinetik) yang menyebabkan kereta api bergerak.

3. Termos

Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum termodinamika I dengan sistem terisolasi di mana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar.

BAHAN-BAHAN YANG DIGUNAKAN Biaya RBL Fisika Kelompok 4 No

. Alat Satuan Harga

1 Kaleng 1 buah Rp -2 Styrofoam 60 cm x 90 cm Rp9000,00

3 Kawat 3 m Rp4500,00 4 Lilin 4 buah Rp6000,00 5 Termometer 1 buah Rp20000,00

Total Rp39500,00

DESAIN/RANCANG BANGUN ALAT DAN PROSEDUR PEMBUATAN ALAT

1. Potong gabus dengan ukuran 38 x 16 cm menggunakan cutter dengan bentuk meruncing di salah satu sisi

3. Pada tengah cekungan, buat lagi lubang berbentuk lingkaran seluas uang koing sebanyak 4 buah

4. Selanjutnya, lubangi bagian bawah kaleng dengan paku ukuran sedang sebanyak 2 buah, lalu buanglah isi dalam kaleng

5. Isi kaleng dengan air sekitar 2/3 volume kaleng

6. Potong kawat sepanjang 35 cm sebanyak 2 buah untuk penyangga kaleng. Lilitkan dengan tang ke ujung atas dan bawah kaleng.

7. Potong lilin sama panjang sekitar 4 cm sebanyak 4 buah dan rekatkan pada lubang yang berbentuk lingkaran pada tengah gabus

8. Letakkan kaleng berisi air (sudah dirakit dengan kawat) dan tusukkan kawat ke tepi cekungan

9. Nyalakan lilin dengan korek api

10. Letakkan kapal uap sederhana hasil perakitan gabus dan kaleng di atas wadah berisi air dan tunggu hingga air dalam kaleng mendidih

11. Jika air sudah mendidih, uap akan keluar dari kedua lubang dan kapal uap pun akan bergerak di air.

CARA KERJA ALAT

Lilin akan memanaskan air (memberikan kalor pada air) dalam kaleng hingga mendidih. Ketika mendidih, uap air dalam kaleng akan memiliki sejumlah tekanan sehingga menghasilkan gaya dorong yang membuat kapal uap bergerak maju ke depan. Kapal uap akan melakukan kerja/usaha ketika menempuh jarak tertentu. Oleh karena itu, efisiensi kerja kapal uap sederhana ini dapat dihitung dengan membandingkan usaha yang dapat dilakukan kapal uap dengan kalor yang diberikan lilin pada air.

DATA PERCOBAAN

Massa kaleng = 20 gram

Massa kaleng + air = 160 gram → Massa air = 140 gram Massa air akhir = 120 gram → Massa uap air = 20 gram Suhu air awal = 26 ℃ = 299K

Suhu udara awal = 24 ℃ = 297K Waktu tempuh = 36s

Luas @lubang = 1₄π d2=1₄π (0,3 x 10−2)2 m2 Volume kaleng = 1₄π

(

5 x 10−2

)

2 x (13,4 x 10−2_{) m}3 Volume air = m_air ρair

Volume udara = Volume kaleng – Volume air ρ_udara=massauap air

Vudara

PERHITUNGAN EFISIENSI KAPAL UAP

Efisiensi adalah perbandingan antara usaha (kerja) yang dilakukan dengan kalor yang dibutuhkan. Perumusan efisiensi :

η=W Q¿

.100

Batasan-batasan dalam perhitungan : 1. Volume udara di dalam kaleng tetap 2. Udara hanya terdiri dari N2danO2

3. Volume uap air yang dihasilkan sama dengan volume uap air yang keluar melalui lubang

4. Suhu air mendidih adalah 100 ℃(373 K ) 5. Air di dalam kaleng diasumsikan air murni.

a. Perhitungan Usaha atau Kerja ( W )

Kerja yang dilakukan oleh kapal menghasilkan perpindahan. Maka, W=

∫

s1 s2 F ds Karena s1 _{= 0 m, maka} W=F . s

Gaya pada persamaan di atas disebabkan oleh gaya dorong dari tekanan yang dihasilkan oleh pemanasan air dan udara di dalam kaleng.

P=F A F=P. A sehingga, W=P . A . s b. Perhitungan Tekanan

Gaya dorong kapal diakibatkan oleh tekanan gas bersuhu 100 ℃ (373 K ) . Tekanan tersebut berasal dari tekanan uap air dan tekanan udara yang bersuhu 100 ℃ (373 K ) . Pada saat suhu 100 ℃(373 K ) , uap air tepat akan terbentuk sedangkan udara sudah terpanaskan hingga suhunya 100 ℃(373 K ) .

1. Tekanan Uap Air P_x=X . P₀ dengan

P_{x = tekanan uap air (atm)}

X _{= fraksi mol}

P_{0 = tekanan uap air pada suhu T Cᵒ}

Karena pengukuran di Bandung yang memiliki ketinggian kurang lebih 700 mdpl, maka nilai P0 _{lebih kecil dari 1 atm (76 cmHg).}

P0=

(

76−

h

100

)

cmHg

Didapat P0=69 cmHg atau sekitar 0,9079 atm (0,91697 x105Pa) . Saat tekanan

menunjukkan angka tersebut, titik didih air menunjukkan 97 C.ᵒ 2. Tekanan Udara

Volume udara di dalam kaleng dianggap tetap (isokhorik), sehingga P₁

T1

=P2 T2

P₂=P1 T1

T₂ di mana

P_{1 = tekanan atmosfer udara}

c. Perhitungan Kalor yang Dibutuhkan ( Q¿ ₎

Kalor yang dibutuhkan berasal dari

1. Kalor untuk menaikkan suhu air dari Tawal _hingga 100℃(373 K ) _. Q=m . c_air. ∆ T

di mana

m _{= massa air (kg)}

c_{air = kalor jenis air (J/kg.K)} ∆ T = perubahan suhu

2. Kalor untuk mengubah fasa air menjadi gas. Q=m_uap. L_b

di mana

m_{uap = massa uap air yang terbentuk (kg)} L_{b = kalor jenis uap air (J/kg)}

3. Kalor untuk menaikkan suhu udara menjadi 100℃(373 K ) .

Karena volume udara tetap (isokhorik) dan udara terdiri dari gas diatomik ( Cv= 5 2 ) , maka Q=∆ H =

_∫

n . C_vdT Q=∆ H =5 2nR ∆ T ¿ 5 m 2 Mr R ∆ T ¿5 ρudaraVudara 2 Mr R ∆ T V

5 ρ_udara(¿¿kaleng−Vair) 2 Mr R ∆ T

di mana

Mr = massa molar nitrogen dan oksigen

R _{= konstanta gas = 8,31 J/mol.K}

∆ T = perubahan suhu

Dari persamaan-persamaan di atas, didapatkan η=W Q¿ .100 η= P . A . s Q₁+Q₂+Q₃. 100 η=(P1+P2). A . s Q₁+Q₂+Q₃ . 100 V

5 ρ_udara(¿¿kaleng−Vair) 2 Mr R ∆ T

¿

(

m_air. c_air. ∆T

)

+

₍

m_uap. L_b

)

+(_¿]

¿ ¿ η=

[

(

X . P₀

)

+

(

P1 T₁T2

)

]

. A . s ¿

Fraksi mol (X) = 1, karena larutan yang digunakan adalah air murni, maka V

5 ρ_udara(¿¿kaleng−Vair) 2 Mr R ∆ T

¿

(

mair. cair. ∆T

)

+

(

muap. Lb

)

+(¿]

¿ ¿ η=

[

(

P₀

)

+

(

P1 T₁T2

)

]

. A . s ¿

¿

{

[

(

0,91697 . 105

₎

+

(

0,91697. 10 5 297 370

)

]

.

(

2. 1 4π (0,3 .10 −2 )2

)

.1

[

[

140 .(4,184).(71)

]

+

[

0,02.(2260000)

]

+

(

5 (1,25)

(

183.10 −6

₎

2(0,028+0,032) (8,31)(73)

)

]

}

x 100 η=

{

[

91697+114235,32

]

.(0,1413. 10 −4

₎

_.1

[

41588,96+45200+5,78

]

}

x 100 η=

{

2,91 86794,74

}

x 100 η=0,00335 KESIMPULAN

Berdasarkan eksperimen pembuatan kapal uap sederhana di atas, dapat kita ketahui adanya konversi dari energi kalor menjadi energi mekanik yang mekanismenya sebagai berikut. Lilin akan memanaskan air (memberikan kalor pada air) dalam kaleng hingga mendidih. Ketika mendidih, uap air dalam kaleng akan memiliki sejumlah tekanan sehingga menghasilkan gaya dorong yang membuat kapal uap bergerak maju ke depan. Kapal uap akan melakukan kerja/usaha ketika menempuh jarak tertentu. Oleh karena itu, efisiensi kerja kapal uap sederhana ini dapat kita hitung dengan membandingkan usaha yang dapat dilakukan kapal uap dengan kalor yang diberikan lilin pada air.

Efisiensi kapal uap sederhana yang kami dapatkan dalam proyek RBL kali ini adalah sebesar 0,00335%. Nilai efisiensi tersebut sangat kecil dan jauh dari efisiensi yang diharapkan. Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi kecilnya efisiensi tersebut antara lain :

1. Mesin merupakan buatan tangan (handmade) sehingga efisiensinya tidak akan seperti efisiensi mesin buatan pabrik,

2. Adanya faktor-faktor luar seperti laju dan arah angin yang mempengaruhi gerak kapal uap sehingga tidak dapat diperoleh hasil pengukuran yang presisi,

3. serta adanya gaya hambat air yang juga mempengaruhi ketidakpresisian pengukuran. Kita juga tahu bahwa mesin Carnot yang memiliki efisiensi paling besar daripada mesin-mesin lainnya hanya memiliki efisiensi sebesar 30%, jadi tidaklah heran jika efisiensi kapal uap sederhana yang kami buat hanya sebesar 0,00335%.

REFERENSI

Fajriadi, Dadang. 2014. “Kapal Uap Sederhana”. https://www.youtube.com/watch? v=aIKVxoMdsU0

(http://termodinamik4.blogspot.de/2014/01/materi-termodinamika.html)

(http://seputarpendidikan003.blogspot.de/2015/02/perpindahan-kalor-secara-konveksi.html) (http://kumpulancerpw.blogspot.de/2014/12/konsep-usaha-atau-kerja-protoype-kapal.html) DAFTAR SIMBOL

Kuantitas Satuan (SI) Simbo

l Nilai massa jenis kg /m3 ρ _— massa kg m — volume m3 V —

kalor N .m atau joule(J ) Q —

perubahan energi dalam N .m atau joule(J ) ∆ U _— usaha/kerj a N .m atau joule(J ) W _— kalor jenis air J kg . K cair 4200 J kg . Katau 4,2 J g . K perubahan suhu ℃ atau K ∆ T _— efisiensi η — tekanan N

m2atau pascal(Pa) P 1 atm=1,01 x 10

5 Pa=76 cmHg=760 mmHg=760 torr gaya kg . m s2atau newton(N ) F — luas penampan g m2 A _—

jarak tempuh m s _— fraksi mol — X — kalor jenis uap air (kalor uap) J kg L 2,26 x 10 6 J kg konstanta gas ideal J

mol . K atau L .atm mol . K R 8,314 J mol . Katau 0,082 L . atm mol . K panas jenis molar pada volume konstan — Cv

Pada gas monoatomik , Cv=3 2R Pada gas diatomik , Cv=5

2R

massa molar