Contoh Sederhana Penerapan Hukum Bernouli

Soal berikut adalah soal penerapan sederhana dari hukum bernoulli yang merupakan lanjutan dari materi pada postingan berikut https://taufiqurrokhman.wordpress.com/2021/11/12/persamaan-bernoully/. Baik, mari kita simak soal berikut ini:

Sebuah pipa pembawa air meruncing dari luas penampang 0,3 m² di A menjadi 0,15 m² di B. Di A, kecepatannya, diasumsikan seragam, yaitu 1,8 m/s dan tekanannya adalah 117 kPa. Jika pengaruh gesekan dapat diabaikan, tentukan tekanan di B yang berada 6 m di atas A (perhatikan gambar).

Jawab:

Untuk aliran pipa dan saluran, dua persamaan yang diterapkan adalah sebagai berikut:

Terapkan hukum kontinuitas (continuity) antara A dan B untuk mencari kecepatan di B:

Terapkan Hukum Bernoulli antara A dan B (pusat streamline) untuk mencari tekanan di B:

Referensi: an Introduction of Mechanical engineering, Michael Clifford dkk

Teknik Pembangkit Listrik (Power Plant Engineering)

Teknik pembangkit tenaga listrik adalah salah satu cabang dari teknik yang berhubungan dengan konversi berbagai bentuk energi menjadi energi listrik. Pada artikel ini, kita akan membahas tentang tenaga panas, tenaga air, dan tenaga nuklir. Di pembangkit listrik tenaga panas, batu bara, solar, bensin, gas alam, dan minyak tanah digunakan sebagai bahan bakarnya. Energi kimiawi dari bahan bakar ini diubah menjadi energi mekanik dan kemudian energi mekanik diubah menjadi energi listrik. Di pembangkit listrik tenaga air, energi potensial air diubah menjadi energi mekanik sebagai tenaga poros dan kemudian energi mekanik diubah menjadi energi listrik. Demikian pula, dalam kasus energi nuklir, tenaga nuklir digunakan untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan uap superheated dan kemudian energi panas tersebut diubah menjadi energi mekanik dan kemudian energi mekanik diubah menjadi energi listrik.

Pembangkit Listrik Tenaga Panas (Termal)

Pembangkit listrik termal dapat berbasis batubara atau berbasis gas. Pada pembangkit listrik berbasis batubara, batubara digunakan sebagai bahan bakar dan energi panasnya ditransfer ke air untuk mengubahnya menjadi uap superheated. Energi panas uap diubah menjadi tenaga poros melalui ekpansi (baca: pemuaian) uap dalam turbin uap. Poros turbin uap dikopel dengan generator dan kemudian menghasilkan listrik. Uap buang dari turbin uap dikondensasi dalam kondensor menggunakan air pendingin. Kondensor bekerja seperti penukar panas dimana energi panas dari steam (uap) ditransfer ke air pendingin dan steam terkondensasi berupa air yang kemudian dipompa ke boiler. Air pendingin diedarkan kembali ke menara pendingin untuk dilepaskan panasnya. Blok diagram penjelasan tersebut ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Blok Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU)

Adapun pada pembangkit listrik berbasis gas atau pembangkit listrik tenaga gas, udara dikompresi menjadi tekanan tinggi dan energi panas ditambahkan ke udara tekan menggunakan ruang bakar dengan cara membakar bahan bakar secara langsung di udara tekan atau perpindahan panas tidak langsung ke udara terkompresi. Udara bertekanan tinggi dan suhu tinggi diekspansi dalam turbin gas yang dikople (digabungkan) dengan generator pembangkit listrik karena putaran poros. Gas buang dari turbin dilepaskan ke atmosfer dalam kasus turbin gas siklus terbuka dan disirkulasi ulang ke kompresor dalam kasus turbin gas siklus tertutup. Blok diagram pembangkit listrik tenaga gas ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Blok Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Pembangkit Listrik Tenaga Air

Prinsip pembangkitan listrik untuk pembangkit listrik tenaga air adalah sama dengan pembangkit listrik termal; satu-satunya perbedaannya adalah bahwa daya poros ke turbin dihasilkan oleh tekanan dan energi kinetik air dalam kasus pembangkit listrik tenaga air dan adapun dalam kasus pembangkit listrik tenaga panas, tenaga poros ke turbin dihasilkan oleh energi panas dari uap atau gas superheated. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, Energi potensial air yang disimpan di bendungan (dam) digunakan untuk memutar bilah turbin yang dipasang pada poros yang dikople dengan generator.

Gambar 3. Blok Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)

Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir

Di pembangkit listrik tenaga nuklir, energi nuklir dilepaskan dari bahan radioaktif akibat reaksi fisi yang kemudian digunakan untuk memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap superheated. Pembangkit listrik ini prosesnya mirip dengan pembangkit listrik tenaga uap seperti yang dibahas di paragraf sebelumnya. Masalah utamanya adalah kehati-hatian dalam penanganan bahan bakar radioaktif yang digunakan dalam reaktor nuklir. Radiasi dari bahan bakar nuklir sangat berbahaya bagi manusia. Oleh karena itu, diperlukan perisai lengkap reaktor nuklir. Setelah penggunaan bahan bakar nuklir, pembuangan limbah nuklir merupakan masalah besar kedua di pembangkit listrik tenaga nuklir. Biaya instalasi PLTN sangat tinggi tetapi biaya operasional dan biaya produksi per unit listrik sangat irit. Blok diagram pembangkit listrik tenaga nuklir yang cukup jelas ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Blok Diagram PLTN

Referensi: Basic Mechanical Engineering, Pravin Kumar, Page 56

Perbandingan antara Mesin Bensin dan Mesin Diesel

Perbandingan antara mesin bensin (petrol engine) dan mesin diesel (diesel engine) dapat ditinjau dalam berbagai aspek seperti kerja yang dihasilkan, tekanan, pembakaran, siklus operasi, rasio kompresi, efisiensi termal, kecepatan mesin, biaya perawatan dan biaya operasional sebagaimana yang tercantum di bawah ini:

1. Mesin bensin menyedot campuran bensin dan udara selama langkah hisap. Mesin diesel hanya menyedot udara selama langkah hisap.

2. Karburator dipasang di mesin bensin untuk mencampur udara dan bensin dalam proporsi yang diperlukan dan untuk memasoknya ke engine (baca: dapur pacu) selama langkah hisap. Injektor atau alat penyemprot dipasang di mesin diesel untuk menyuntikkan bahan bakar pada akhir langkah kompresi.

3. Tekanan pada akhir kompresi pada mesin bensin adalah sekitar 10 bar. Tekanan pada akhir kompresi pada mesin diesel adalah sekitar 35 bar.

4. Pada mesin bensin, muatan (mis. Campuran bensin dan udara) dinyalakan dengan bantuan busi. Adapun pada mesin diesel, bahan bakar disuntikkan dalam bentuk semprotan halus. Suhu udara terkompresi adalah sekitar 600 ° C pada tekanan sekitar 35 bar.

5. Mesin bensin memiliki rasio kompresi sekitar 6 hingga 10. Mesin diesel memiliki rasio kompresi sekitar 15 hingga 25.

6. Pada mesin bensin pembakaran bahan bakar berlangsung pada volume konstan. Dengan kata lain, ini bekerja pada siklus Otto. Adapun pada mesin diesel, pembakaran bahan bakar berlangsung pada tekanan konstan. dengan kata lain, ini bekerja pada siklus Diesel.

7. Pada motor bensin, efisiensi termal hingga sekitar 26%.  Pada mesin diesel efisiensi termal hingga sekitar 40%.

8. Masalah overheating lebih banyak terjadi pada mesin bensin karena efisiensi termal yang rendah. Masalah overheating lebih sedikit terjadi pada mesin diesel karena efisiensi termal yang tinggi.

9. Start mesin bensin mudah karena rasio kompresi yang rendah. Start mesin diesel agak sulit karena rasio kompresi lebih tinggi dibandingkan dengan mesin bensin.

10. Karena rasio kompresi rendah, mesin bensin lebih murah dan bobotnya lebih ringan. Karena rasio kompresi tinggi, mesin diesel lebih mahal dan lebih berat.

11. Biaya pengoperasian mesin bensin tinggi karena biaya bahan bakar bensin yang lebih tinggi. Biaya pengoperasian mesin diesel rendah karena biaya bahan bakar diesel yang lebih rendah.

12. Biaya perawatan mesin bensin lebih murah. Biaya perawatan mesin diesel  lebih mahal.

13. Mesin bensin adalah mesin berkecepatan tinggi. Mesin diesel adalah mesin berkecepatan relatif rendah.

14. Mesin bensin dipasang di kendaraan tugas ringan seperti skuter, sepeda motor, mobil. Ini juga digunakan di pesawat terbang. Mesin diesel dipasang pada kendaraan tugas berat seperti bus, truk, traktor, mesin pemindah tanah, dll.

Referensi: https://me-mechanicalengineering.com/comparison-between-petrol-and-diesel-engines/

8 Proses Dasar Termodinamika

Keadaan sistem termodinamika dapat diubah dengan berinteraksi terhadap sekitarnya melalui kerja dan panas. Ketika perubahan ini terjadi dalam suatu sistem, dikatakan bahwa sistem sedang mengalami proses.

Siklus termodinamika adalah urutan proses yang berbeda yang dimulai dan berakhir pada keadaan termodinamika yang sama.

Ke delapan proses tersebut adalah:

1. Isothermal: temperature konstan, T=C
2. Isobaric: tekanan konstan, P=C
3. Isokhoric, Volume konstan, V=C
4. Adiabatic: tidak ada perpindahan kalor, Q=0
5. Reversible (mampu balik)
6. Irreversible (tak mampu balik)
7. Quasistatic

Gambar 1. Proses Termodinamika Untuk Semua diagram PV

1. Proses isotermal terjadi pada suhu konstan. Karena energi internal gas hanya fungsi dari suhunya saja, maka ΔU = 0 untuk proses isotermal. Untuk ekspansi isotermal gas ideal, kita memiliki W = nRT ln (V2 / V1). W positif jika V2> V1. Karena ΔU = 0, panas yang ditransfer ke gas adalah ΔQ = W.
2. Proses isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan konstan. Kita memiliki W = P (V2 – V1). Jika tekanan gas ideal dijaga konstan, maka suhunya harus meningkat ketika gas mengembang. (PV / T = konstan.) Panas harus ditambahkan selama proses ekspansi.
   Kita mendefinisikan entalpi H sistem dengan persamaan H = U + PV. Entalpi merupakan properti fisik sistem. Entalpi memiliki dimensi energi dan satuan SI entalpi adalah Joule.
   Untuk proses isobarik kita menulis

   ΔU = ΔQ – ΔW = ΔQ – P (V2 – V1)
   

   atau, mengatur ulang istilah, ΔH = ΔQ. Ungkapan ini, sering digunakan dalam kimia, dapat dianggap sebagai bentuk isobarik dari hukum pertama . ΔH = ΔQ hanya berlaku untuk proses isobarik. Reaksi kimia (termasuk yang biologis) sering terjadi pada tekanan konstan, dan kemudian ΔQ sama dengan perubahan dalam sifat fisik sistem.

3. Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada panas yang masuk atau meninggalkan sistem. Kita kemudian memiliki ΔU = -ΔW, misal, ΔW sama dengan perubahan dalam properti fisik sistem. Properti fisik sistem hanya bergantung pada kondisi sistem (P, V, T), bukan pada cara sistem dimasukkan ke dalam kondisi ini.
4. Dalam praktiknya ada dua cara berbeda untuk mencegah perpindahan panas.

   (a) Berikan isolasi termal sistem yang sangat baik.
   (b) Selesaikan proses dalam interval waktu yang sangat singkat, sehingga tidak ada waktu untuk perpindahan panas yang cukup besar. Proses pembakaran di dalam mesin mobil pada dasarnya adiabatik untuk alasan ini.

5. Proses isovolumetrik atau isometrik atau isokhorik berlangsung pada volume konstan. Maka, W = 0 dan ΔU = ΔQ. Semua panas yang ditambahkan ke sistem meningkatkan energi internalnya.
6. Proses reversibel: Proses di mana sistem dan sekitarnya dapat dikembalikan ke keadaan awal dari keadaan akhir tanpa menghasilkan perubahan apa pun dalam sifat termodinamika alam semesta.
7. Proses ireversibel : Proses ireversibel juga disebut proses alami karena semua proses yang terjadi di alam adalah proses ireversibel.
8. Proses quasistatic:
   Sebuah proses quasistatic adalah model ideal dari proses termodinamika yang terjadi secara lambat tanpa batas. Penting untuk dicatat bahwa tidak ada proses nyata yang quasistatic. Dalam praktiknya, proses-proses semacam itu hanya dapat diperkirakan dengan melakukannya secara sangat lambat. Sebuah proses quasistatic sering memastikan bahwa sistem akan melalui urutan keadaan yang sangat dekat dengan kesetimbangan (sehingga sistem tetap dalam kesetimbangan quasistatic), dalam hal ini proses biasanya reversibel.

Sumber: https://learnmech.com/8-basic-thermodynamic-processes-basic-of-thermodynamics/

Daktilitas (Keuletan)

Daktilitas adalah ukuran kemampuan logam untuk menahan tegangan tarik (setiap gaya yang menarik kedua ujung material menjauh satu sama lain).

Arti dari Daktilitas:

Daktilitas adalah sifat penting dari material khususnya untuk sifat mudah bentuknya. Namun, daktilitas bukanlah sesuatu seperti konstanta absolut untuk logam atau paduan di bawah semua kondisi. Daktilitas dimodifikasi oleh parameter proses. Itu sebabnya bahan yang sama dapat menunjukkan sifat mampu bentuk yang berbeda pada proses pembentukan yang berbeda.

Daktilitas diukur dengan regangan yang dialami oleh material sebelum patah. Dalam uji tarik, daktilitas dapat diukur dengan persentase perpanjangan, atau dengan regangan logaritmik pada titik patahan. Dalam uji tekan, pengukuran serupa dapat digunakan. Dalam uji puntir, daktilitas diukur dengan regangan yang dialami oleh lapisan luar material dari batang yang diuji sebelum patah.

Uji tarik menunjukkan daktilitas rendah karena pembentukan leher dan akibatnya tekanan hidrostatik negatif di daerah leher meningkatkan inisiasi retakan dan propagasi. Masalah ini tidak dijumpai pada uji tekan dan torsi yang menunjukkan keuletan yang lebih tinggi untuk material yang sama. Banyak peneliti lebih menyukai uji puntir untuk pengukuran keuletan sementara sifat kekuatan terkait dengan yang diukur dalam uji tarik.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Daktilitas Logam:
Daktilitas dipengaruhi oleh faktor-faktor internal seperti komposisi, ukuran butir, struktur sel dll, serta oleh faktor eksternal seperti tekanan hidrostatik, suhu, deformasi plastik yang dialaminya dll.

Beberapa pengamatan penting tentang keuletan diberikan di bawah ini:

(i) Logam dengan struktur kristal FCC dan BCC menunjukkan daktilitas yang lebih tinggi pada suhu tinggi dibandingkan dengan logam yang memiliki struktur kristal HCP.

(ii) Ukuran butir berpengaruh signifikan terhadap keuletan. Banyak paduan menunjukkan perilaku super-plastik ketika ukuran butir sangat kecil dari urutan beberapa mikron.

(iii) Baja dengan kandungan oksigen yang lebih tinggi menunjukkan keuletan yang rendah.

(iv) Dalam beberapa pengotor paduan bahkan dalam persentase yang sangat kecil memiliki pengaruh yang signifikan terhadap keuletan. Daktilitas baja karbon yang mengandung pengotor belerang sekecil 0,018%, secara drastis mengurangi keuletan pada temperatur 1040 ° C. Namun ini dapat diperbaiki jika kandungan Mn cukup tinggi. Faktanya, rasio Mn / S adalah faktor yang dapat mengubah daktilitas baja karbon pada 1040 ° C. Dengan nilai rasio ini pada elongasi (perpanjangan) 2 persen hanya 12-15% pada 1040 ° C sementara dengan rasio 14 itu adalah 110 persen.

(v) Suhu merupakan faktor utama yang mempengaruhi keuletan dan karenanya dapat dibentuk. Secara umum, suhu dapat meningkatkan keuletan, namun, keuletan dapat menurun pada suhu tertentu karena transformasi fasa dan perubahan struktur mikro yang disebabkan oleh peningkatan suhu. Gambar 1 menunjukkan pengaruh suhu terhadap daktilitas baja tahan karat. Grafik tersebut menunjukkan daktilitas terendah dicapai  pada 1050 °C dan tertinggi dicapai pada 1350 °C. Oleh karena itu daktilitas memiliki rentang kerja panas yang sangat sempit.

Gambar 1

(vi) Tekanan hidrostatik meningkatkan keuletan. Pengamatan ini pertama kali dibuat oleh Bridgeman. Pada uji puntir, panjang spesimen menurun dengan peningkatan torsi. Jika spesimen dikenai tegangan tekan aksial dalam uji puntir, akan menunjukkan daktilitas yang lebih tinggi daripada ketika tidak ada tegangan aksial. Jika tegangan tarik aksial diterapkan, daktilitas menurun lebih jauh lagi