kajian thermodinamika ekspansivitas, kompresibilitas ... · program studi fisika, fakultas...
TRANSCRIPT
i
KAJIAN THERMODINAMIKA EKSPANSIVITAS, KOMPRESIBILITAS,
PERSAMAAN KEADAAN DAN TITIK KRITIS PADA PROSES
PEMBUATAN BIOGAS CAIR KOTORAN SAPI BOS TAURUS
DI BOYOLALI
Disusun oleh:
LUQMAN BUDI WICAKSONO
M02110049
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
Juni. 2016
ii
iii
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual Skripsi saya yang berjudul
“Kajian Thermodinamika Ekspansivitas, Kompresibilitas dan Persamaan Keadaan
pada Proses Pembuatan Biogas Cair Kotoran Sapi Bos Taurus di Boyolali” adalah
hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini skripsi tidak berisi materi
yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah
diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau
di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka. Skripsi ini
dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan
terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus
memberitahu penulis.
Surakarta, Juni 2016
Luqman Budi Wicaksono
v
MOTTO
Tatkala waktuku habis tanpa karya dan pengetahuan, lantas apa makna umurku
ini? (KH. Wahid Hasyim).
Sesungguhnya akan datang kepada manusia beberapa hal-hal yang penting di
dalam akhir sebuah pencarianya (berupa ilmu, inspirasi, dan kesaksian yang
penuh hikmah). Maka, sebaiknya apa yang dia temukan tersebut, harus dijaganya
(dengan cara dihafal dan atau dituliskanya), karena manusia akan membutuhkan
perkara-perkara yang ditemukan tersebut, di kemudian hari nanti (al-Habib
Abdullah Alwi al-Haddad)
Seseorang jika menyakini suatu perkara dan (akan tetapi) perkara itu tidak seperti
yang dia sangkakan, maka dia tidak rugi karena Allah-lah yang akan memberinya
sesuatu yang dia yakini (al-Syaikh Abdullah bin Ahmad Basudan)
Aku diminta untuk membuat karyaku ini oleh beberapa sahabat dekat, yang bisa
memahami ucapanku dengan kemantapan yang kuat. Karena kemuliaan anak
muda itu diukur dari keyakinanya, barangsiapa tidak mempunyai keyakinan maka
tidak akan mendapat kemanfaatan dari apa yang semestinya ia yakini (Syeikh
Syarafuddin Yahya Al-Imrithi)
vi
PERSEMBAHAN
Skripsi ini saya persembahkan kepada:
Guru kami Bapak Ahmad Marzuki sebagai wujud terima kasih kami sebagai
seseorang yang selalu mengemis agar dianggap dan dijadikan bagian dari murid
beliau
Kedua orang tua kami, ayahanda kami Bapak Budiyono, ibunda kami Ibu Sri
Wahyuni yang telah benar-benar mendampingi hidup kami hingga detik ini,
menjadi saksi, pelipur, dan solusi dari setiap masalah kehidupan sampai pada
akhir kami menyelesaikan Skripsi
Tidak lupa , teruntuk adek tercinta, Sitta Murti atas kesabaranya dan perjuanganya
menemani kami untuk memberikan motivasi-motivasi sampai terselesainya
skripsi ini, semoga kami menjadi hamba Allah SWT yang shaleh dan tidak
mempermalukan Rasulullah SAW, guru-guru dan kedua orang tua kami dunia
maupun akhirat
vii
Kajian Thermodinamika Ekspansivitas, Kompresibilitas, Persamaan
Keadaan dan Titik kritis pada Proses Pembuatan Biogas Cair Kotoran Sapi
Bos Taurus di Boyolali
Luqman Budi Wicaksono
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
kompresibilitas, persamaan keadaan biogas dan kondisi kritis biogas. Ekspansivitas
merupakan fraksi perubahan volume perderajat perubahan suhu apabila tekanan dijaga
konstan. Kompressibilitas merupakan fraksi pengurangan volum persatuan kenaikan
perubahan tekanan. Persamaan keadaan biogas diperoleh dari hubungan persamaan
ekspansivitas dan kompresibilitas. Nilai ekspansivitas pada biogas kotora sapi β1 sebesar
7,48 x 1013
, nilai β2 sebesar 6,45 x 1013
, dan nilai β3 sebesar 12,01 x 10
13. Nilai
kompresibilitas pada biogas kotoran sapi adalah κ1 0,0027, κ2 0,0034, dan κ3 0,0017.
Kondisi kritis adalah kondisi dimana pada saat suhu kritis, tekanan kritis dan volum
kritis. Suhu kritis yang didapatkan adalah 301,26 K, 301,95 K dan 300,42K. Tekanan
kritis yang dihasilkan 7261,62 atm, 7205,48 atm, dan 7207,25 atm. Volum kritis yang
didapatkan adalah 1,03 × 103 liter/kg, 1,90 x 10
3 liter/kg, 1,53 x 10
3 liter/kg
Kata Kunci: ekspansivitas, kompresibilitas, persamaan keadaan, titik kritis
viii
Thermodynamic Studies Expansivity, Compressibilty, Equation state, and
Biogas Critical Point for Cow Dung Bos Taurus In Boyolali
Luqman Budi Wicaksono
Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,
Sebelas Maret University
ABSTRACT
Thermodynamic studies have been done on this research which includes expansivity
value, compressibility value, biogas state equation and biogas critical point. Expansivity
is the changes of volume as the changes of temperature fraction while the pressure is kept
constant. Compressibility is the reduction of volume as the increase of pressure fraction.
State equation of biogas was obtained from the relation between ekspansivity and
compressibility equation. The expansivity values of biogas for cow dung are β1 for 7.48 x
1013
, β2 for 6.45 x 1013
, and β3 for 12.01 x 1013
. The compressibility values of biogas for
cow dung are κ1 for 0.0027, κ2 for 0.0034, and κ3 for 0.0017. Critical point is the moment
where the temperature, the pressure, and the volume are critical. Critical temperatures
obtained are 301.26 K, 301.95 K and 300,42 K. Critical pressures obtained are 7261.62
atm, 7205.48 atm, and 7207.25 atm. Critical volumes obtained are 1,03 × 103 liter/kg,
1,90 x 103 liter/kg, and 1,53 x 10
3 liter/kg.
Keywords: Expansivity, compressibility, state equation, critical point
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah S.W.T atas segala-Nya sehingga penulis dapat
menyelesaikan penulisan Skripsi ini. Teguran, hidayah, anugrah dan beragam
kenikmatan mewarnai penyelesaian tugas akhir ini.
Skripsi yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar
Sarjana Sains ini berjudul “Kajian Thermodinamika Ekspansivitas,
Kompresibilitas, Persamaan Keadaan dan Titik kritis pada Proses Pembuatan
Biogas Cair Kotoran Sapi Bos Taurus di Boyolali” Penyelesaian tugas akhir ini
tidak serta merta namun turut tersumbang keringat, buah fikir dan kesabaran yang
dipersembahkan oleh beberapa pihak. Oleh karena itu dengan merendahkan diri
serendah-rendahnya, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. selaku pembimbing I terimakasih atas
kebaikan dan senantiasa dengan kesabaran membimbing sejak awal
persiapan hingga skripsi ini dapat selesai.
2. Dr. Agus Supriyanto, S.Si., M.Si. selaku pembimbing II yang senantiasa
membimbing hingga penyelesaian skripsi ini.
3. Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si. selaku pembimbing akademik yang
telah memberikan motivasi disetiap semester.
4. Bapak dan ibu dosen serta staff Fisika FMIPA UNS atas
pembelajarannya selama proses awal kuliah hingga selesai.
5. Bapak, Ibu dan keluarga besar, atas doa dan segala bantuannya sejak penulis
menjadi mahasiswa hingga akhirnya bisa menyelesaikan skripsi ini.
6. Maya Agustin, Beta Nur Pratiwi, Sendro Wahono, M Syifa Ma’ruf, Fitra
Kusuma, Adi Maulana, Abdul Majid, Uswatun Chasanah, Aufa Assihabi
atas dukungan, motivasi, dan bantuan moril yang diberikan selama menjadi
mahasiswa baru hingga tugas akhir ini selesai.
7. DIKTI dalam proses penelitian hingga selesainya skripsi ini ditulis dalam
pembiayaan penelitian.
8. Seluruh teman-teman Fisika FMIPA UNS angkatan 2011.
9. Adek tercinta Sitta Murti yang selalu membantu dan memberikan motivasi
10. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu.
x
Semoga Allah S.W.T membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah
diberikan dengan balasan yang lebih baik. Penulis berharap semoga karya kecil ini
bermanfaat.
Surakarta, Juni 2016
Luqman Budi Wicaksono
xi
HALAMAN PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul "Kajian Thermodinamika Ekspansivitas,
Kompresibilitas, Persamaan Keadaan dan Titik kritis pada Proses Pembuatan
Biogas Cair Kotoran Sapi Bos Taurus di Boyolali” dipublikasikan di Jurnal Fisika
dan Aplikasinya Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Surabaya.
xii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ................................................................................... i
HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... ii
HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... iii
HALAMAN PERNYATAAN..................................................................... iv
HALAMAN MOTTO .................................................................................. v
HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................. vi
HALAMAN ABSTRAK ............................................................................ vii
HALAMAN ABSTRACT ......................................................................... viii
KATA PENGANTAR .................................................................................. x
HALAMAN PUBLIKASI ......................................................................... xi
DAFTAR ISI .............................................................................................. xiii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiv
DAFTAR TABEL ...................................................................................... xv
DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xvi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................ xvii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1
1.1. Latar Belakang .............................................................................. 1
1.2. Perumusan Masalah ....................................................................... 3
1.3. Batasan Masalah ........................................................................... 3
1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................... 3
1.5. Manfaat Penelitian ......................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................ 5
2.1. Sistem Thermodinamika ................................................................ 6
2.1.1. Tekanan ............................................................................... 6
2.1.2. Volum .................................................................................. 7
2.1.3. Temperatur .......................................................................... 7
2.2. Hubungan Variabel P, v, dan T ...................................................... 7
2.2.1. Isothermal ............................................................................ 8
2.2.2. Isometrik .............................................................................. 9
xiii
2.2.3. Isobarik .............................................................................. 10
2.3. Diagram Fase P, v, dan T ............................................................. 11
2.3.1. Diagram Fase P-T .............................................................. 12
2.3.2. Diagram Fase P-v .............................................................. 12
2.3.3. Diagram Fase T-v .............................................................. 13
2.4. Karakteristik Gas Ideal ................................................................ 14
2.5. Persamaan Keadaan ..................................................................... 15
2.5.1. Koefisien Ekspansivitas..................................................... 15
2.5.2. Koefisien Kompressibilitas ............................................... 16
2.5.3. Hubungan Ekspansivitas dan Kompressibilitas................. 17
2.5.4. Titik Kritis pada Gas Van der Waals ................................. 18
2.2. Biogas .......................................................................................... 20
BAB III METODE PENELITIAN ....................................................... 21
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian.......................................... ............ 21
3.2. Alat dan Bahan Penelitian ........................................................... 21
3.2.1. Alat-alat Penelitian .............................................................. 21
3.2.2. Bahan-bahan Penelitian ...................................................... 22
3.3. Prosedur Penelitian .................................................................... 22
3.3.1. Kajian Kompressibilitas ...................................................... 23
3.3.2. Kajian Ekspansivitas ........................................................... 24
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................. 25
4.1. Ekspansivitas.......................................... ...................................... 25
4.2. Kompressibilitas ......................................................................... 30
4.3. Persamaan Keadaan Biogas ......................................................... 34
4.4. Titik Kritis Biogas ........................................................................ 35
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................ 39
5.1. Kesimpulan .......................................... ....................................... 39
5.1. Saran.......................................... .................................................. 39
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 40
DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. 42
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Skema Termodinamika ............................................................. 5
Gambar 2.2 Perubahan Sistem Thermodinamika .......................................... 6
Gambar 2.3. Diagram P-v Proses Isothermal ................................................. 8
Gambar 2.4. Diagram P-v Proses Isometric ................................................. 10
Gambar 2.5. Diagram P-v Proses Isobaric ................................................... 11
Gambar 2.6. Diagram P-T .......................................................................... 12
Gambar 2.7 Diagram P-v ........................................................................... 13
Gambar 2.8. Diagram T-v ............................................................................ 13
Gambar 3.1. Alat-alat Penelitian (a) Waterbath, (b) Syringe,
(c) Neraca Ohaus, (d) Sphere Glass dan (d) Termometer....... 21
Gambar 3.2. Bahan Penelitian (a) Sapi Simental, (b) Kotoran Sapi
dan (c) Hasil Biogas ................................................................ 22
Gambar 3.3. Diagram Penelitian Kajian Thermodinamika pada Biogas ..... 23
Gambar 3.4. Diagram Pengambilan Data Ekspansivitas ............................. 24
Gambar 3.5. Diagram Pengambilan Data Kompresibilitas .......................... 24
Gambar 4.1. Proses Pengambilan Biogas .................................................... 25
Gambar 4.2. Proses Pengambilan (a) Nilai Ekspansivitas dan (b) Nilai
Kompresibilitas ....................................................................... 26
Gambar 4.3. Grafik Hubungan T terhadap v Biogas pada Volum (a) ke-1,
(b) ke-2 dan (c) ke-3 ............................................................... 29
Gambar 4.4. Grafik Hubungan p terhadap v Biogas pada Volum (a) ke-1,
(b) ke-2 dan (c) ke-3 .............................................................. 33
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Nilai Perubahan Volum per Derajat kelvin ................................. 27
Tabel 4.2. Nilai Koefisien a, b dan k pada Grafik 4.3 ................................. 29
Tabel 4.3 Nilai Perubahan Volum per Tekanan atm ................................... 31
Tabel 4.4. Nilai Koefisien c, d, e dan f Kompresibilitas ............................. 33
xvi
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
P Tekanan atm
V Volum liter
T Suhu K
ρ Massa jenis kg/m3
m Massa kg
v Volum jenis liter//kg
pi Tekanan awal atm
pf Tekanan akhir atm
Vi Volum awal liter
Vf Volum akhir liter
Ti Suhu awal K
Tf Suhu akhir K
n Jumlah mol gas kgm/mol
κ Kompresibilitas -
β Ekspansivitas -
V Diferensial volum liter/kg
P Diferensial tekanan atm
T Diferensial suhu K
dV Turunan volum liter/kg
dP Turunan tekanan atm
dT Turunan suhu K
Tc Suhu kritis K
Pc Tekanan kritis atm
Vc Volum kritis liter/kg
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Perhitungan Suhu kritis ........................................................... 42
Lampiran 2. Perhitungan Tekanan Kritis ..................................................... 43
Lampiran 3. Perhitungan Nilai Ekspansivitas .............................................. 44
Lampiran 4. Perhitungan Nilai Kompresibilitas .......................................... 45
Lampiran 5. Perhitungan Nilai Volum Kritis .............................................. 46
1