Pengertian Saturated Steam

Pengertian Saturated Steam -- Saturated steam (uap saturasi) adalah sebuah kondisi dimana uap air berada pada ekuilibrium tekanan dan temperatur yang sama dengan air fase cair (liquid). Uap saturasi menjadi fase transisi antara air fase cair dengan air fase gas murni, atau yang biasa kita kenal dengan uap panas lanjut (superheated steam). Pada saat air berada dalam fase transisi ini, terjadi pencampuran antara air fase cair (kita kenal dengan istilah saturated water) dengan air fase gas (kita kenal dengan istilah saturated steam) dalam proporsi yang sesuai dengan jumlah panas laten yang diserap fluida.

Uap saturasi ini mulai terbentuk tepat pada saat air mencapai titik didihnya (titik saturated water), hingga semua energi dari panas laten diserap oleh air. Di saat seluruh panas laten telah diserap oleh air, dan jumlah fase uap sudah mencapai hampir 100% dibandingkan dengan fase cairnya, maka itulah batas akhir dari fase uap saturasi. Proses mencapai hampir 100% fase uap tersebut terjadi pada satu besaran tekanan dan temperatur konstan. Selanjutnya jika energi panas terus diberikan kepada uap saturasi, maka akan terjadi kenaikan temperatur fluida dan mendorong uap untuk berubah fase menjadi uap panas lanjut (superheat).

Diagram Fase Air

Sesuai dengan diagram fase air di atas, fase uap saturasi hanya dapat terbentuk di sepanjang garis kurva saturasi (saturated line). Batas bawah kurva saturasi adalah triple point, sedangkan batas atas kurva adalah critical point. Sesuai dengan hal ini, air yang berada pada kondisi lebih dari triple point tidak akan mengalami fase uap saturasi. Air yang memiliki tekanan di atas 22,1 kPa, jika terus dipanaskan akan langsung berubah fase menjadi uap superkritis (supercritical steam)

Campuran antara uap air dengan air liquid di dalam fase uap saturasi dapat ditentukan jumlahnya dengan menggunakan diagram uap saturasi (saturated steam diagram). Diagram ini menggunakan besaran tekanan sebagai sumbu Y dan besaran entalpi sebagai sumbu X. Diagram uap saturasi ini tersusun atas sebuah kurva lengkung di dalamnya yang berbentuk seperti sebuah wadah terbalik. Separuh bagian kurva dari titik terendah hingga puncaknya, disebut sebagai kurva saturated water (air saturasi). Kurva bagian ini menjadi batas antara air liquid dengan fase uap saturasi. Untuk kurva sebelah kanan dari puncak kurva hingga titik terendah disebut dengan kurva saturated steam. Kurva ini menjadi batas antara fase uap saturasi dengan fase uap superheat. Tepat di titik puncak kurva adalah critical point, titik yang sama dengan titik kritis yang ada pada diagram fase air.

Pengertian Saturated Steam

Karena uap saturasi berada pada kondisi tekanan konstan, maka sejumlah tertentu uap saturasi ditunjukkan dengan sebuah garis lurus horisontal yang menghubungkan antara sebuah titik di kurva saturated water dengan titik yang lain di kurva saturated steam. Titik yang berada di kurva saturated water (hf) menunjukkan nilai entalpi dari saturated water, yakni berapa energi panas yang dibutuhkan untuk air pada tekanan P per satu satuan massa dapat mencapai saturated water. Sedangkan titik yang berada pada kurva saturated steam (hg) adalah nilai entalpi total yang dibutuhkan sehingga air mencapai 100% uap.

Hubungan sederhananya adalah:
hg - hf = hfg

Dimana:
hf = entalpi saturated water
hg = entalpi saturated steam
hfg = selisih entalpi yang dibutuhkan saturated water untuk mencapai saturated steam

Pada kasus lain, nilai entalpi yang diberikan kepada air tidak sebesar hg, yakni hanya sebesar hmix. Titik hmix berada di manapun di sepanjang garis horisontal. Pada kasus ini uap saturasi merupakan campuran dari uap dengan air yang perbandingannya dapat ditentukan dengan mudah menggunakan persamaan berikut:
x=\dfrac{h_{mix}}{h_{fg}}

Sehingga:
hmix = hf + x . hfg

Dimana:
x = perbandingan jumlah air di dalam keseluruhan campuran uap saturasi
hmix = entalpi campuran

Perbedaan Nuklir Fisi dan Fusi

Tahukah Anda bahwa Matahari sebagai pusat tata surya kita menghasilkan energi yang berlimpah ruah melalui reaksi fusi berantai. Reaksi nuklir fusi ini terjadi di bawah suhu amat sangat tinggi serta pengaruh tekanan gravitasi alami Matahari yang juga amat sangat tinggi. Proses reaksi nuklir tersebut menghasilkan energi panas yang sangat besar sehingga mampu menjadi sumber energi penting bagi Bumi kita.

Akan tetapi mungkin sebagian dari kita bertanya-tanya mengapa jika Matahari menghasilkan energi dari proses reaksi nuklir, namun kita yang berada di Bumi tidak terdampak radiasi nuklirnya? Inilah yang perlu kita luruskan. Karena di dunia sains dikenal ada dua reaksi nuklir yaitu reaksi fisi dan reaksi fusi. Perbedaan yang sangat mendasar dari keduanya adalah jika reaksi fisi adalah pemecahan satu atom menjadi dua, sedangkan reaksi fusi adalah penggabungan dua atom menjadi satu. Namun demikian kedua reaksi nuklir tersebut sama-sama menghasilkan energi samping yang sangat besar.

Mari kita mulai dengan pengertian dari reaksi fisi. Arti kata fisi atau fission dalam Bahasa Inggris berarti sebuah pemisahaan atau pemecahan menjadi bagian-bagian lebih kecil. Nuklir fisi menghasilkan energi dari proses pemecahan atom menjadi atom-atom yang lebih kecil lagi. Penemuan proses nuklir fisi ini justru berawal dari prediksi Albert Einstein bahwa massa benda dapat dikonversikan menjadi energi. Setelah itu di tahun 1939 para ilmuwan mulai bereksperimen, hingga setahun kemudian Enrico Fermi seorang ilmuwan asal Italia berhasil membuat reaktor nuklir pertama di dunia.

Nuclear fission

Nuklir fusi terjadi pada sebuah isotop atom tak-stabil (biasanya sebuah atom dengan jumlah proton yang sama, tetapi memiliki jumlah neutron bervariasi) dibombardir oleh partikel berkecepatan tinggi, biasanya neutron. Neutron-neutron tersebut berakselerasi hingga akhirnya menabrak isotop tak-stabil tersebut, hingga mengakibatkan fisi, pecah menjadi partikel-partikel yang lebih kecil. Selama proses tersebut, neutron dibidikkan ke bagian nukleus (inti) atom sehingga nukleus terpecah membentuk atom-atom baru yang lebih kecil, pecahan neutron, serta radiasi gamma. Pada proses reaksi fisi berantai seperti yang diterapkan di pembangkit listrik tenaga nuklir, pecahan neutron hasil dari reaksi fisi awal akan menumbuk atom uranium lain sehingga ia terpecah dan melepas energi. Reaksi berantai ini akan terus berlanjut hingga bahan bakar habis.

Bahan baku reaksi nuklir fisi yang paling populer adalah Uranium-235. Jika reaksi nuklir fisi atom Uranium tersebut dituliskan ke dalam reaksi kimia maka akan seperti ini:

U-235 + n ===> Ba-144 + Kr-90 + 2n + about 200 MeV

U-235 + n ===> Ba-141 + Kr-92 + 3n + 170 MeV

U-235 + n ===> Zr-94 + Te-139 + 3n + 197 MeV

Sebagian besar atom pecahan proses fisi Uranium adalah atom Barium dan Krypton. Pecahnya atom uranium diikuti dengan lepasnya sejumlah energi sebesar 170 hingga 200 MeV (baca: MegaElektron Volt). Satu MegaElektron Volt setara dengan 1.60217662 × 10-13 Joule.


Selanjutnya mari kita bahas reaksi nuklir fusi. Arti kata fusi atau fussion dalam Bahasa Inggris adalah penggabungan dari beberapa elemen berbeda menjadi satu utuh. Sedangkan pengertian dari istilah reaksi nuklir fusi adalah penggabungan dari inti-inti atom untuk membentuk satu inti atom yang lebih berat, serta diikuti pelepasan energi yang besar. Reaksi fusi terjadi ketika dua isotop atom bermassa rendah, biasanya Hidrogen, berfusi membentuk atom baru, yang biasanya Helium, di bawah tekanan dan temperatur ekstrim.

Reaksi fusi inilah yang dialami oleh Matahari. Isotop-isotop atom Hidrogen yakni Tritium (Hidrogen-3) dan Deuterium (Hidrogen-2) bergabung dibawah tekanan dan temperatur tinggi untuk kemudian membentuk isotop Helium dan neutron. Proses ini akan diikuti pelepasan energi panas yang sangat besar, hingga jika disandingkan dengan reaksi fisi Uranium, nuklir fusi hidrogen menghasilkan energi yang jauh lebih besar.


Berikut adalah bentuk reaksi-reaksi fusi dari isotop-isotop hidrogen yang terjadi di Matahari:

(1) 2
1D
+ 3
1T
4
2He
( 3.5 MeV ) + n0 ( 14.1 MeV )
(2i) 2
1D
+ 2
1D
3
1T
( 1.01 MeV ) + p+ ( 3.02 MeV ) 50%
(2ii) 3
2He
( 0.82 MeV ) + n0 ( 2.45 MeV ) 50%
(3) 2
1D
+ 3
2He
4
2He
( 3.6 MeV ) + p+ ( 14.7 MeV )
(4) 3
1T
+ 3
1T
4
2He
+ n0 + 11.3 MeV
(5) 3
2He
+ 3
2He
4
2He
+ p+ + 12.9 MeV
(6i) 3
2He
+ 3
1T
4
2He
+ p+ + n0 + 12.1 MeV 57%
(6ii) 4
2He
( 4.8 MeV ) + 2
1D
( 9.5 MeV ) 43%
(7i) 2
1D
+ 6
3Li
4
2He
+ 22.4 MeV
(7ii) 3
2He
+ 4
2He
+ n0 + 2.56 MeV
(7iii) 7
3Li
+ p+ + 5.0 MeV
(7iv) 7
4Be
+ n0 + 3.4 MeV
(8) p+ + 6
3Li
4
2He
( 1.7 MeV ) + 3
2He
( 2.3 MeV )
(9) 3
2He
+ 6
3Li
4
2He
+ p+ + 16.9 MeV
(10) p+ + 11
5B
4
2He
+ 8.7 MeV

 

Whatisfusion_2

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa reaksi nuklir fusi tidak menghasilkan limbah radioaktif gamma berbahaya seperti pada reaksi nuklir fisi. Hal inilah yang menjadi salah satu alasan utama para ilmuwan hingga saat ini berlomba-lomba untuk menciptakan reaktor nuklir fusi. Namun pada kenyataannya pembuatan reaktor nuklir fusi memang tidak semudah membangun reaktor nuklir fisi. Kesulitan yang paling mendasar dari pembuatan reaktor nuklir fusi adalah pengkondisian temperatur dan tekanan sangat tinggi. Energi berlimpah serta tak terbatas menjadi alasan utama lain para ilmuwan hingga saat ini terus bereksperimen membuat reaktor nuklir fusi.



Nampak dari pembahasan kita di atas bahwa kedua reaksi nuklir fisi dan fusi sama-sama menghasilkan energi namun memiliki proses yang jauh berbeda. Reaksi fisi adalah pemecahan atom berat menjadi atom-atom yang lebih kecil, sedangkan fusi menggabungkan atom-atom kecil menjadi atom yang lebih berat. Hingga saat ini sumber energi alternatif dari nuklir memang masih dari reaktor-reaktor nuklir fisi. Akan tetapi dengan kemajuan teknologi yang pesat, tidak lama lagi akan lahir reaktor nuklir fusi yang lebih ramah lingkungan dan tentu saja lebih terbarukan.

Referensi:

Pengertian Heating Value Bahan Bakar

Hampir semua bahan bakar tersusun atas molekul-molekul hidrokarbon dengan konfigurasi yang berbeda-beda. Kayu misalnya, merupakan campuran berbagai macam molekul hidrokarbon organik seperti selulosa ((C6H10O5)x), hemi-selulosa (xylose, mannose, galactose, rhamnose, dan arabinose), serta lignin (C9H10O2, C10H12O3, C11H14O4). Hingga bahan bakar tambang semacam batu bara misalnya, yang kita ketahui terbentuk dari batang kayu jaman prasejarah, tersusun atas molekul hidrokarbon turunan dari molekul-molekul selulosa tumbuhan, yang akibat dari berbagai proses alami pelebaran rantai karbon hingga terbentuk molekul lignite (C70H5O25), subbituminous (C75H5O20), bituminous (C80H5O15) atau anthracite (C94H3O3). Selain bahan bakar berbasis hidrokarbon, bahan bakar non-hidrokarbon yang sangat lazim kita gunakan adalah hidrogen dengan rumus kimia H2.

Hands-with-Coal

Ikatan antar atom hidrokarbon ataupun non-hidrokarbon dari bahan-bahan bakar tersebut menyimpan energi. Energi dalam ikatan antar atom inilah yang biasa kita sebut sebagai energi kimia. Jika ikatan antar atom tersebut terlepas atau putus, energi yang tersimpan di dalamnya akan terlepas juga dalam bentuk panas. Jumlah energi panas yang terlepas untuk tiap satu satuan massa bahan bakar inilah yang biasa kita kenal sebagai nilai kalor, atau biasa dikenal dalam dunia engineer sebagai heating value. Selain melepas energi panas, terputusnya ikatan antar atom tersebut diikuti pula dengan reaksi oksidasi, yang ditandai dengan terikatnya atom oksigen dengan masing-masing atom karbon dan hidrogen membentuk karbon dioksida (CO2) maupun air (H2O).

 photo bomb-calorimeter.jpg
Bomb Calorimeter

Pengukuran Heating Value

Nilai heating value diukur menggunakan sebuah alat bernama bomb calorimeter. Alat ini tersusun atas sebuah ruang pembakaran dengan volume konstan sebagai tempat spesimen diukur nilai kalorinya. Ruang ini diselimuti dengan air sebagai media ukur saat terjadi perubahan temperatur akibat proses pembakaran terjadi. Spesimen diletakkan di dalam ruang bakar dan disulut menjadi api hingga terjadi ekspansi udara serta kenaikan temperatur ruang. Kenaikan temperatur tersebut akan memanaskan air yang menyelimuti ruang, sehingga didapatkan temperatur sebelum dan sesudah pembakaran bahan bakar. Dari nilai temperatur air inilah akan dihitung nilai kalor bahan bakar tersebut. Untuk lebih jelasnya mari kita simak video animasi berikut.

 

Perbedaan Higher Heating Value dengan Lower Heating Value

Dikenal ada dua jenis heating value yang digunakan secara luas di dunia, yakni higher heating value (HHV) serta lower heating value (LHV). Keduanya memiliki acuan dan metode perhitungan yang sedikit berbeda. Satu hal yang menjadi acuan di sini adalah adanya kandungan air yang dapat dipastikan akan selalu hadir pada setiap reaksi pembakaran hidrokarbon.

Seperti yang sudah pasti kita pahami dan juga telah kita singgung sebelumnya, adalah bahwa setiap reaksi pembakaran hidrokarbon pasti akan diikuti oleh adanya pembentukan karbon dioksida dan air. Sedangkan panas yang dihasilkan pada proses pembakaran tersebut ada sebagian kecil yang diserap oleh air sehingga ia berubah fase menjadi uap, dan sejumlah energi tersimpan sebagai panas laten. Nah, pada sebagian proses pembakaran yang terjadi ada kemungkinan dimana uap air tersebut terkondensasi sehingga energi panas laten di dalam uap air tersebut terlepas kembali ke sistem pembakaran. Heating value yang memperhitungkan terlepasnya kembali panas laten uap air tersebut, biasa kita kenal sebagai Higher Heating Value. Sedangkan Lower Heating Value tidak memasukkan energi panas laten yang dilepaskan oleh terkondensasinya uap air tersebut ke dalam nilai heating value. Dengan kata lain, HHV mengasumsikan bahwa uap air hasil proses pembakaran akan terkondensasi dan melepaskan panas latennya di akhir proses, sedangkan LHV mengasumsikan bahwa uap air akan tetap sebagai uap air hingga akhir proses pembakaran.

Sesuai pembahasan di atas maka nilai HHV dan LHV akan memiliki selisih nilai. Selisih tersebut bergantung pada komposisi kimia dari bahan bakar. Pada karbon ataupun karbon monoksida murni nilai HHV dan LHV memiliki nilai yang hampir sama persis. Hal ini disebabkan karena karbon dan karbon monoksida murni tidak mengandung atom hidrogen pada molekulnya, sehingga -secara teoritis- tidak akan terbentuk molekul air di akhir proses pembakaran. Sebaliknya pada bahan bakar hidrogen, yang pasti akan terbentuk molekul air di akhir proses pembakarannya, nilai HHV hidrogen lebih besar 18,2% dari nilai LHV-nya. Nilai HHV tersebut termasuk juga mengukur panas sensibel uap air pada temperatur 150°C hingga 100°C, panas laten air pada temperatur 100°C, serta panas sensibel air dari temperatur 100°C hingga 25°C.

Nilai Heating Value Berbagai Jenis Bahan Bakar

Berikut adalah nilai heating value dari berbagai jenis bahan bakar dikutip dari beberapa sumber.

Jenis Bahan Bakar HHV (MJ/kg) LHV (MJ/kg)
Hidrogen 141,8 119,96
Metana 55,5 50
Etana 51,9 47,8
Propana 50,35 46,35
Butana 49,5 45,75
Pentana 48,6 45,35
Minyak Bumi 45,543 42,686
Lilin Parafin 46 41,5
Kerosin 46,2 43
Solar 44,8 43,4
Bensin 47 43,448
Batubara Anthracite 32,5
Batubara Lignite 15
Gas Alam 54
Kayu (biasa) 21,7
Kayu Bakar 24,2 17
Gambut basah 6
Gambut kering 15
Karbon (Grafit) 32,808
Karbon monoksida 10,112
Amonia 18,646
Sulfur padat 9,163

Referensi: