studi pengaruh medan magnet pada aliran bahan bakar

II. TEORI DASAR

2.1 Minyak Bumi

Bahan bakar yang digunakan pada intemal combustwn ertgine pada

umumnya adalah minyak bumi. Minyak bumi diperoleh orang dengan cara

penambangan baik di daratan maupun di lepas pantai. Asal mula dari minyak

bumi ini secara pasti tidak diketahui, dan umumnya ditemukan dalam formasi

batu-batuan tertentu yang ribuan bahkan jutaan tahun lampau merupakan dasar

lautan. Berangkat dari kenyataan di atas, teori terjadinya minyak bumi yang

banyak diterima orang menyatakan bahwa minyak bumi berasai dari mikio

organisme yang mengalami perubahan komposisi dan struktur karena proses

biokimia dibawah pengamh tekanan dan suhu tertentu dalam rentang waktu yang

sangat panjang.

Minyak bumi juga mengandung komponen-komponen ikutan seperti

belerang, oksigen, nitrogen, pasir dan air. Walaupun komponen-komponen utama

dari minyak bumi berbeda-beda dari satu tambang ke tambang lainnya, tapi

umumnya mereka mempunyai komposisi relatif tetap, yaitu karbon umumnya 83

- 87% dan hidrogen 11 - 14%.

Rangkaian senyawa hidrokabon dalam minyak bumi tenitama menipakan

rangkaian parafm, naphtene, dan aromatik beserta sejumlah besar asphaltic

material yang tidak diketahui stniktur kimianya. Minyak bumi merupakan

campttran dari berbagai macam senyawa hidrokarbon sehingga tidak dapat dibagi

dalam rangkaian yang terpisah karena beberapa molekul dan minyak uumgkin

terdin dari beberapa rangkaian moiekul. Karena ikatan dan beberapa moiekul

minyak bumi dan produk-produk yang diperoleh dari minyak akan mempunyai

komponen dan properti yang berbeda.

Tahel 2.1 Famili dasardan hidrokurhonpada minyak hnmi / / /

Famili Paraffia(aikanes)

Oiefin Diolefin

Naphthene Aroinatk:

Formula CnH^n+l C„H2n

CnH2n

CnHjj ,

CnH2n-6

CnHjo-4 ....

Struktur Chain Chain Chain Ring Ring

5 Universitas Kristen Petra

http://www.petra.ac.id

http://digilib.petra.ac.id/help.htm

http://digilib.petra.ac.id/master-index.htm


http://digilib.petra.ac.id/index.html

http://digilib.petra.ac.id/help.html

6

2.1.1 Famili Paraffin (Alkanes)

Rumus kimia dari rangkaian ini adalah CnH2n+2 dengan struktur rantai

terbuka. Nama dari keluarga paraffm ini ditandai dengan akhiran ane dengan kata

dasar menunjukkan jumlah atom karbonnya. Salah satu contoh dari famili ini

adaiah methana dan hexana sepeili pada ganibar berikut ini :

H H H H H H H

I I I | ! H—C — H H C C - — C C C C H

I } i ! ! * '- 1 j

H H H H H H H

Gambar 2.1 Methana, Hexana (1 ]

Rangkaian paraffin merupakan hidrokarbon jenuh karena setiap valensi

dan karbon dipenuhi oleh atom hidrogen, sehingga rangkaian mi mempunyai

stabilitas yang tinggi.

Bila bahan bakar dari rangkaian ini dipergunakan pada motor bensin,

kemampuan dari bahan bakar untuk tidak berdetonasi akan turun dengan drastis

jika panjang rantai normalnya naik. Alkanes ini bersifat stabil dalam

penyimpanan, menghasiikan pembakaran yang bersih dan karena mempunyai

kemungkinan maksimuin untuk mengikat hidrogen maka mempunyai nilai kalor

atas yang tertinggi dengan rapal massa yang terendah.

2.1.2 Famili Olefin (Alkenes)

Rumus kimia dan rangkaian ini adaiah CnH7n dengan struktur rantai

terbuka. Nama dan keiuarga oletin ini ditandai dengan akhiran ene dengan kata

dasar yang sama aturannya dengan rangkaian paraffin.

£thent> («thyienc ofc-.y Zs^-~

Camhar 2.2 Ranlai karhon dari etena // /

Universitas Kristen Petra


Rangkaian ini menipakan rangkaian yang tidak jenuh yang ditunjukkan

dengan dua tangan sehingga olefin secara kimia merupakan bahan yang aktif dan

dapat secara mudah bereaksi dengan hidrogen membentuk rangkaian yang lain.

Olefin bisa juga terikat dengan oksigen membentuk residu yang tidak diinginkan

yaitu gum yang menipakan faktor dari smog. Seperti juga paraffin, olefin

mempunyai pembakaran bersih dan nilai oktan yang lebih tinggi.

2.1.3 Famili Diolefin

Rumus kimia dan diolefin adalah CnH2n-2 dengan struktur kimia rantai

terbuka dengan dua douhle bond. Rangkaian ini merupakan rangkaian yang tidak

jenuh. Nama dari rangkaian ini ditandai dcngan akhiran diene.

M H M

n c — o — o e — c — - «r s H

I I J i 1 I I M M H M H K H

C 7 H 1 2 a t a u 1-S h e p t a d i e n s

Gambar 2.3 Rantai karbon dari heptadiena [JJ

Diolefin merupakan komponen bahan bakar yang tidak diinginkan karena

reaksinya dengan udara sekitar menghasilkan cloudy gum. Gum ini akan membuat

deposit pada mesin yang akan mengganggu kerja mesin terutama pada karburator

dan katup-katupnya.

2.1.4 Famili Naphthene atau Famili Cycloparafiin (Cyclane )

Rangkaian naphthene mempunyai rumus kimia seperti olefin (CnH:n)

dengan struklur ring, rangkaian ini merupakan rangkaian yang jeimh. Nama dari

rangkaian ini ditandai dengan awalan cyclo dengan dilanjutkan dengan atnran

yang sama pada rangkaian paraffin.



H M

H / C Cv H

w U

Gamhar 2.4 ( yclohexana atau CsHii 111

Naphthene adalah suatu komponen yang diinginkan pada bahan bakar

bensin karena cukup responsif terhadap pembakaran.

2.1.5 Famili Aromatik(Benzena)

Anggota dari keluarga benzena mempunyai rumus umum CpHjn-fi

menrpakan hidrokarbon yang tidak jenuh. Struktur kimianya adatah rantai tertutup

dengan C mempunyai tangan douhle tetapi dengan posisi berselmg antar atom

karbon, sehingga diberi nama aromatik.

Gambar 2.5 Beberapa anggota dari famili aromatik /1 /

Walaupun mempakan rangkaian yang tidak jenuh tetapi karena

mempunyai ikatan karbon yang aneh, sehingga aromatik mempunyai sit'at kimia

yang lebih stabil dibanding ikatan tidak jenuh yang lain. Kenyataannya aromatik

mcrupakan rangkaian yang lahan lerhadap auloignilion dan lcbih baik dibanding

isooklana.

Anggota dari keluarga aromatik ini menipakan bahan bakar bensin yang

sangat baik dan dapat diproduksi melalui proses catalytic crackmg atau thermal

cracking. Tuninan benzena yang disebut benzol adalah campuran bahan bakar

yang baik untuk menaikkan angka oktan. Sebagai suatu keias aromatik

mempunyai densitas yang paling tinggi dari hidrokarbon dan mempunyai nilai

panas per unit volume yang tinggi ptila.



9

Tabel 2.2 Fraksi hidrokarbon yang diperoleh dari minyak bumi [2]

, FnLsi MittyikBurm

Gii

Jingiaukiiran molckul

C, - C ,

Eter petroleum (iigroin) i £ . g 1 * 7

Bemin («'esrilat \ (• . f l«rwsur.?f ! ' '* Minvak larwh : r- r>

; V t « - v . ift

{keroit/!*) , MimaV yJH, mJm-JrV , r- Q bikir. .ftn\i\: iiael : IS '* •

M-invak-inmyak C | < k e i U $

perumas. jcli petroieum ' PiraffinffiJm) ' C » k«U»

i i

T*f Kokasptsroleum

Jugk» litik rJktih, *C

-1« - JO

Pengganaan

Bahan bsktr gav. pembuatan karfcctft.hidrogen atau b«uiD<oeDgan pofiracrisasi)

30-90 | Pelarul. binalu kunii i ^diy cleaninft)

30-200 i B»'»n oakar molot i i i

J7<-275 SfinyaS, J.mpu

5 «M0O Bahi n aakar kompor.

i oiwcj, kcrttkan JSOkeatts | Pehimasan

j MeWeh 52-57

R«»Cn R*»*So

Lilin. pengendapan air o»jpk«tn.kcrti;i5>i. pa,ft>we)ar Atpaibuatan Bahan hakar, elelrt'ro.I» \

Bahan Bakar Bciisin (Gasoline)

Bensin adalah bahan bakar yang dipakai untuk motor bakar dengan

sistem penyalaan cetusan bunga api (spark igmiion engine) baik itu motor empat

langkah maupun motor dua langkah. Bahan bakar ini merupakan campuran

hidrokarbon yang mempunyai rentang titik didih dan 30C'C sampai 200°C. Seiain

itu bensin juga mengandun zat aditif dan bahan kimia tertentu untuk memperbaiki

sifat-sifatnya sepeni timba], belerang dan lain-lain

Perkembangan spesifikasi bensin tidak saja ditujukan iintuk mendapatkan

mutu bahan bakar yang lebih baik tetapi juga untuk mendapatkan bahan bakar

yang lebih murah serta ramah lingkungan. Pada dasarnya spesifikasi bensin

ditentukan oleh batas-batas mutu yang hanis dipenuhi oleh tiga sifat-sifat pokok

sebagai berikut:

- Sifat pcmbakaran

- Sifat penguapan

- Sifat kimia dan fisika

Sifat pembakaran adalah karaktenstik yang menjamin agar pembakaran

dalam mesin berjalan dengan normal. Pada pembakaran yang tidak normal terjadi

penyalaan lokal pada bagian-bagian tertentu di dalam ruang bakar di luar daerali



li)

nyala yang menjalar secara teratur dari busi. sehingga akan menimbulkan ketukan

(knocking). Akibat terjadinya ketukan ini akan menyebabkan penumnan daya.

pemborosan bahan bakar dan bahkan dapat menimbulkan kerusakan mesin. Sifat

pembakaran bahan bakar bensin biasanya diukur dengan angka oktan yaitu angka

yang menunjukkan perbandingan isooktana dan n-heptana.

Sifat volatilitas ini sangal pcnling dalam menjamin kelancaran kerja

mesin sistem penyalaan bunga api. Komposisi campuran uap bahan bakar dengan

udara hams sedemikian mpa sehingga dapat menjamin terjadtnya pembakaran

yang baik. Untuk itu bensin harus cukup mudah menguap tetapi tidak boleh

terlalu mudah menguap yang dapat mengakibatkan terjadinya sumbatan uap pada

saluran bahan bakar. Selain itu sifat volatUitas ini akan berpengaruh terhadap

kemampuan menghidupkan mesin, pemanasan. pembentukan es pada karburator.

pembakaran yang tidak sempurna dan segi ekonomisnya.

Sifat-sifat ini berkaitan dengan kebersihan dan stabilitas bensin. Bensin

tidak boleh mengandung bahan-bahan yang menyebabkan pengotoran maupun

menyebabkan korosi. Disamping itu, bensin iiarus stabil selama penyimpanan

sehingga tidak terbentuk senyawa pengotor, tidak bereaksi dengan udara atau

logam dan bahan Iain pada waktu pemakaian dan penyimpanan.

2.2 Medan Magnct

Medan magnet adalah ruang disekitar magnet atau sekitar suatu

penghantar yang mengangkut arus. Pada suatu litik tertcntu dikatakan ada medan

magnet bila terdapat gaya yang bekerja terhadap muatan yang bergerak di titik itu.

Jika sebuah muatan q, ditempatkan dalam keadaan diam dalam medan

magnet maka tidak akan ada gaya yang bekerja pada q. Namun jika dialirkan

benda uji q melalui sebuah titik daiam medan magnet dengan kecepatan v maka

akan didapatkan sebuah gaya Fyang legak lurus kepada v yang besamya [3]:

F= q.v.B$m8 (2.1 )

Dimana F = Gaya magnet (newton)

q = Muatan listrik (coulomb)

v = Kecepatan muatan (m/s)

B = Induksi magnet (tesla)

universnas Krisien Petra


II

8 = Sudut antara v dengan B

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut

* * * * * *

Ciumhur 2.6 Muulun uji qyung ditempulkun dun lilik usul

dengan kecepatan v /3/

Dari rumusan di atas terlihat penganih medan magnet terhadap ton yang

bergerak dalam suatu ruangan.

2.2.1. Terminologi Molekul Hidrogen

Setiap atom hidrogen mempunyai bilangan kuantum. Bilangan kuantum

ini digunakan untuk mengetahui kedudukan atau posisi suatu elektron dalam suatu

atom. Salah satu jenis bilangan kuantum adalah kuantum spin. Bilangan kuantum

spin menggambarkan arah rotasi elektron dalam satu orbital yang dinotasikan

dengan s. Satu orbital berisi dua buah elektron dengan arah perputaran yang

berlawanan. Momentum spin hanya mempunyai dua kemungkinan arah yang

dituliskan dalam angka +Vi dan -14 (paralel dan anti paralel).

Orbital molekul yang mengikat dua atom hidrogen menjadi satu adalah

simetnk secara sihndnk. artinya simetnk sepanjang gans atau sumbu yang

menghubungkan kedua inti. Setiap orbital molekul yang simetrik sekeliling sumbu

yang menghubungkan inti disebut orbital moiekul sigma, ikatannya adalah ikatan

sigma. Ikalan dalam molekul hidrogen adalah satu dari hanyak ikatan sigma yang

dijumpai Disamping ikatan sigma terdapat juga ikatan yang dinamakan ikatan pi.

Tidak seperti orbital sigma, orbital pi tidak simetrik silindrik. Suatu ikatan pi

mempunyai energi agak lebih tinggi dan agak kurang stabil daripada ikatan sigma.

Elektron pi yang lebih tersingkap kekiar lebih mudah dipengaruhi er'ek luar



12

daripada elektron dalam ikatan sigma. Sehingga elektron pi lebih mudah

dipengaruhi atom atau molekul luar.

2.2.2. Pengaruh Magnet terhadap Unsur Hidrokarhon

Inti-inti atom suatu unsur dapat dikelompokkan meajadi dua bagian

yakni inti-mti atom yang mempunyai spin dan inti atom yang tidak mempimyai

spin. inti atom yang memiliki spin akan menimbulkan medan magnet kecil. yang

dinyatakan sebagai momen magnetik nuklir dari suatu vektor.

^£ panah vektor menyatakan j

momen ntikiir

Gambar 2.7 Inti aiom suatu imsur fl/

Atom penting yang mempunyai spin inti adalah jH1 dan X ' \ Sedangkan

isotop karbon dan oksigen yang paling lazim (6C'2 dan sO"') tidak mempunyai

spin. Atom-atom yang mempimyai spin dapat dimanfaatkan dalam spektroskopik

nuklir resonansi magnetik (nmr), yang dapat menyerap energi pada radio

irekvvensi yang berbeda.

Proton bcrgasing yang mempunyai momen magnetik nuklir, daiam

banyak hai mirip dengan suatu batang magnet kecii. Bila moiekul yang

mengandung atom-atom hidrogen diletakkan daiam medan magnetik luar. maka

momen magnetik tiap inti hidrogen atau proton mengambil salah satu dari dua

sikap dilihat dan momen magnet luar im. Harus diingat bahvva hanya momen

magnetik dari inti hidrogen saja, bukan molekul yang mengambil sikap iiu. Kedua

orientasi yang diambil oleh momen magnetik nuklir ilu adalah paralel atau anti

paralel terhadap medan luar. Dalam keadaan paralel. arah momen magnetik

proton sama dengan arah medan iuar. Sedangkan dalam keadaan antiparalel,

momen magnetik proton berlawanan dengan medan luar. Pada tiap saat, kira-kira

separuh proton suatu contoh dalam keadaan paralel dan separuh lainnya dalam

keadaan anti paraiel.



13

^ V ^ n•••' i r - "» i_rv paraiel(ener

gi rendah)

X /v / . . A ^ - r ^ v u

anti parate! (energi ttnggi)

Gambar 2.8 Orientasi momen magnetik miklir terhadap medan luar [1]

Banyaknya energi yang diperlukan unruk rnembalikkan momen magnetik

sebuah proton dari paralel ke anti paralel, berganrung pada besamya H0 (magnet

luar). Jika H0 diperbesar inti itu lebih mudah untuk dijungkirbalikkan, bila suatu

proton berpindah dari keadaan paralel menjadi keadaan anti paralel maka

dikatakan proton itu beresonansi. Istilah resonansi magnetik nuklir (nmr) berarti

bahwa inti-inti beresonansi dalam medan magnet.

kslompok CH^

kslompok OH

k J 1 1 I I L

Ciamhur 2.9 Sehuah speklrum resonansi magneltk nuklir unliik elunol. Semuu

garis penyerapan disehahkan oleh pemhaiikan spm proton. Ketiga kelompok

garis seperti yang ditvnjukkan. hersesuaian dengan proton a'i dalam kelompok

OJI. kelompok CH2, dan kelompok C II; di daiam moleknl tersehut /4j

Gambar di atas memperlihatkan sebuah spektmm resonansi magnetik

miklir yang rumusnya dituliskan sebagai CH;-CH:-OH. Pnncak resonansi yang



u

bermacam-macam itu, semuanya menyatakan pembalikan spin proton Akan

tetapi, pembahkan-pembalikan spm tersebut terjadi pada nilai medan magnet yang

berbeda-beda karena lingkungan setempat dari proton-proton di daiam molekul

etanol itu berbeda-beda.

Medan magnet yang sebenarnya diderita oleh sebuah proton dalam

sebuah molekul tertentu adalah gabungan dua medan yaitu medan magnel luar

(Hc) yang dipasang dan medan magnet molekul imbasan (induksi). Medan magnet

yang diderita oleh sebuah proton juga diubah oleh keadaan-keadaan spm dan

proton-proton tetangganya, karena proton-proton ini ada dalam lingkungan

molekul yang berlainan. Sehingga ada perbedaan daiam penyerapan energi oleh

proton.

Proton yang lebih mudah terbalik akan menyerap energi pada IL lebih

rendah, proton mi akan menimbulkan puncak lebih ke kiri. Proton yang sukar

membalik akan menyerap energi pada H0 lebih tinggi dan memmbulkan puncak

ke arah kanan pada spektrum medan magnetnya.

Dalam suatu spektrum nmr, posisi serapan oleh proton bergantung pada

kuat netto medan magnet lokal yang mengehlinginya. Medan lokal ini merupakan

hasil medan terapan H0 dan medan molekul tenmbas yang mengitari proton itu

dan berlawanan dengan medan terapan. Jika medan lmbasan sekitar sebuah proton

itu relatit" kuat maka medan itu melawan H0 lebih kuat dan diperlukan medan

terapan yang iebih besar untuk membawa proton itu agar beresonansi. Daiam hai

ini proton itu dikatakan terlindungi dan absorbsinya lerletak di atas medan dalam

spektrum itu, demikian juga dengan sebaliknya seperti terlihat pada gambar di

baw?ji mi



15

f~~] modan imhaun

lamah.fvotor.tak M i j * * * » < « • * » " torperisafkan { N ^ /

^ ^ v . n ! <lio«rtuk»nHo *MMManMo •*=-. p * . j j yM^tobihkua.

yang teblh temah j untuk «sonansi untuk ;«on*rr$j * ' «—' ia*»h I

naiknya Hoyang dipertukan unlk resonansi

{> Gambar 2.10 Medan-medan molekvl terimbas melawan

tl0 medan magnei luaryang diterapkan j 1 /

Jika kita meninjau sebuah atom hidrogen yang dalam hai mi dianggap

sebagai proton yang berdiam di dalam setetes air. Proton tersebut mempunyai spin

'/2. Vektor momen dipol magnetiknya dapat menempati salah satu dari dua

orientasi yang terkuantisasi terhadap sebuah medan magnetik Energi kedua

kedudukan im berbeda dan perbedaan ini adalah kerja yang diperiukan untuk

memutar ujung yang satu ke ujung yang lainnya dari sebuah dipol magnetik di

dalam sebuah medan magnetik. Jika setetes air yang mengandung hidiogen ini

dipengaruhi oleh sebuali medan elektromagnetik bolak-balik, maka transisi di

antara kedua orientasi yaitu paralel atau anti paralel yang dinamakan pembalikan

spm dapat terjadi. Pembalikan spin dapat berlangsung dalam arah yang mana saja

(dan atas ke bawah atau dari bawah ke atas). Akan tetapi jika tetesan air itu

berada dalam kesetimbangan termal, maka akan lebih banyak spin proton dalam

keadaan energi yang lebih rendah daripada dalam keadaan energi yang lebih

tinggi. Hal ini beraiti bahwa akan ada penyerapan netto energi dari medan

eiektromagnetik


http://lamah.fvotor.tak


(a) (h)

Ciamhar 2.11 Sehuah proton yang terkuantisasi di dalam sehuah medan magnetik

luar/4/

a. Sehuah proton yang spinnyu '.*, dapal menempati salah salu dari antara

dua onentusi yung lerkuunlisusi di dulum sehuuh medan mugnelik luur

h. Proton-proton di dalam hahan conloh tersehut dapat memhalikkan arah

spinnya dari satu ohentasi ke oneniasi yang lainnya.

A M H M I M N H H U I I M M

(iamhar 2.12 Ilusirusi efek yany, diherikan medun magnet lerhadap molekul

huhun hukur /5/

Gambar 2.12 di atas dapat diihistrasikan seperti seberkas rambut yang

terkena imbasan medan magnet dari sebuah penggans. Jika sebuah penggaris

digosok-gosokkan pada rambut maka akan timbul suatu medan magnet antara

penggans dengan rambut tersebut. Hal ini menggambarkan terjadinya suatu

mekanismc polarisasi medan magnet yang menyebabkan ikaian aniara muatan

pcnggaris dengan mualan seberkas rambul cukup kuat. Bcgitu pula halnya dcngan

yang terjadi pada molekul hidrokarbon yang terkena pengaruh oleh kekuatan

medan magnet dan luar. Molekul-molekul hidrokarbon yang telah melewati

frekwensi resonansi magnetik akan dipengarulu oleh frekwensi resonansi

magnetik tersebut, ini dapat dilihat dengan adanya pengurangan interaksi antara

molekul-molekul hidrokarbon yang lebih leratur dan lebih jarang. Hal ini



17

disebabkan oleh getaran antara proton hidrogen dalam hidrokarbon akan saling

mempengaruhi proton lamnya yang ada di daerah sekitarnya. Sehingga molekul

hidrokarbon mudah dipengaruhi dan lebih reaktif dalam proses pembakaran dan

pembakaran tersebut menjadi lebih sempurna.

Unsiu" dominan dalam BBM adalah C (karbon) dan H (hidrogen), dimana

pada saat pembakaran akan bereaksi dengan 02 (oksigen). Dalam reaksi yang

sempurna, unsur C bereaksi dengan O2 menjadi CO2 dan unsur H bereaksi dengan

0 2 menjadi H20. Unsur C dan H dalam BBM cendenmg membuat ikatan yang

kuat dan bergerombol, sehingga menyulitkan O2 untuk masuk dalam ikatan

senyawanya. Dengan teknik magnetisasi dapat membantu proses reaksi dengan

O2. Penyaluran BBM melalui medan magnet terlebih dahulu sebelum masuk ke

karburator akan memecah ikatan C dan H dalam BBM, sehingga memberi

kekuatan C dan H untuk mengikat O2. Dengan demikian jumlah campuran BBM

dan O2 akan ideal, sehingga proses pembakaran berlangsung lebih efisien dan

bersih (proses pembakaran sempurna).

2.23. Macam-macam Medan Magnet Molekular lmbasan

A. Medan yang diimbas oleh elektron sigma

Atom hidrogen dalam suatu senyawa organik selalu terikat dengan

ikatan sigma baik pada karbon, oksigen atau atom lainnya. Medan magnet

luar akan mengakibatkan elektron-elektron sigma ini beredar, sehingga

menimbulkan medan magnet molekular kecil yang melawan H«

elektron ikatan sigma vana berea'ar f^^s n "\.

^ ; O \

1, V / medan imbasan \ c J

v '' melawan Ho ^ ^--'* w

Gambar 2.13 Medan imbasan dari pengedaran elektron-elektron ikatan sigma

melawan HQ sekitar proton itn [1J



L8

Karena medan imbasan melawan medan luar, maka proton yang

terikat secara sigma ini terperisai. Diperlukan kuat medan luar yang sedikit

lebih besar untuk mengalahkan medan imbasan itu, agar dapat membawa

proton beresonansi. Kuat medan imbasan ini bergantung pada rapat elektron

di dekat atom hidrogen dalam ikatan sigma. Makin besar rapatan elektron itu

maka akan makin besar juga medan magnet imbasan tersebut.

B. Medan terimbas oieh elektron pi

Medan magnet yang diimbas oleh elektron pi bersifat berarah (tak

simetris). Suatu pengukuran yang hasilnya beranekaragam bergantung pada

arah pengukuran yang disebut anistropik. Karena efek medan molekular

yang diimbas oleh elektron pi tergantung pada arah, maka efek ini disebut

efek anistropik (efek ini kontras dengan efek induktif yang bersifat simetris

di sekitar proton). Efek anistropik terjadi sebagai tambahan pada medan-

medan molekular yang selalu ada, yang diimbas oleh elektron-elektron

ikatan sigtna.

Dalam benzena, elektron pi terletak di sekitar cincin. Dibawah

pengaruh medan magnet luar, elektron pi ini berputar mengitari cincin.

Sirkulasi ini disebut arus cincin, mengimbas suatu medan magnet molekular.

Gamhar 2.14 Flektron pi yang heredar dalam henzena atati aldehida, mengimhas

suatu medan magnetik yang menyebabkan proton-proton yang terimhas medan

magnetik tersehut tidak terperisai [1]



19

2.3 Mekanisme Reaksi Molekul Bahan Bakar

Pembakaran bisa didefinisikan sebagai kombinasi secara kimiawi yang

berlangsung dengan cepat antara oksigen dengan unsur yang mudah terbakar dari

bahan bakar pada suhu dan tekanan tertentu. Didalam bahan bakar secara umum

hanya terdapat tiga uiisur yang penting yaitu karbon, hidrogen dan belerang.

Belerang biasanya hanya merupakan unsur ikutan dengan panas pembakaran yang

tidak besar tetapi mempunyai peranan yang penting dalam masalah korosi dan

pencemaran.

Pada umumnya reaksi-reaksi berlangsung dengan kecepatan yang

berbeda-beda. Suatu reaksi akan berlangsung dengan cepat jika tumbukan

molekul-molekul dari zat-zat yang bereaksi banyak dan sering terjadi. Faktor-

faktor yang mempengamhi jumlah dan intensitas tumbukan itu adalah :

a. Luas permukaan zat

Semakin luas permukaan suatu molekul maka kemungkinan untuk mengalami

tumbukan lebih besar sehingga kecepatan reaksi meningkat dengan

bettambahnya luas permukaan zal

b. Konsentrasi reaktan

Reaktan dengan konsentrasi tinggi atau besar akan mengandung molekul-

molekul yang lebih rapat daripada reaktan dengan konsentrasi yang lebih

rendah. Molekul yang rapat tentu lebih mudah dan lebih sering bertumbukan

daripada molekul yang berjauhan.

c. Temperatur

Menaikkan temperatur berarti menambahkan energi sehingga energi kinetik

molekul-molekul bertambah, akibatnya molekul yang bereaksi lebih reaktif

d. Penambahan katalis

Katalis adalah zat yang dapat mempercepat suatu reaksi

Selama perubahan kimia, molekul-molekul yang bereaksi akan

mengalami tumbukan ketika mereka bergerak secara acak. Tetapi pada temperatur

kamar reaksi eksoterm dan spontan yang lebih banyak, molekul yang

bertumbukan hanya terpental dan tidak mengaiami reaksi misalnya suatu

campuran hidrogen dan oksigen dalam temperatur kamar akan berulang-ulang

bertumbukan satu sama lain dan terpental tanpa mengalami perubahan. Sebagai



20

ilustrasi sebuah bola yang diam dalam suatu lekukan pada lereng gunung akan

melepaskan energinya jika bola itu dapat menggelinding ke bawah, tetapi akan

lambat bahkan tidak terjadi bila energinya tidak dinaikkan dulu secukupnya agar

dapat keluar dari lekukan. Demikian pula dalam suatu sistem kimia, molekul-

molekul tak dapat bereaksi kecuali jika mereka memiliki energi yang cukup untuk

membentuk keadaan transisi.

Gambar 2.15 Mekanisme untuk reaksi 2AB —> A2 + B2 /1J

Bahan bakar yang telah mendapat perlakuan medan magnet rata-rata

molekulnya telah menyerap sejumlah energi. Energi yang ditambahkan oleh

medan magnet kepada balian bakar hidrokarbon untuk membentuk hidrokarbon

aktif atau hidrokarbon dalam keadaan transisi disebut dengan energi pengaktifan

Ea reaksi hidrokarbon.

Sebagai contoh sebuah bola diam pada kaki bukit dan diinginkan agar

bola menggelinding ke atas suatu lekukan pada lereng. Dalam hal ini diperlukan

energi yang secukupnya untuk mendorong bola ke atas melampaui tepi lekukan

tersebut. Energi untuk mendorong bola tersebut analog dengan energi pengaktifan

suatu sistem kimia.



2\

t*f x>fc3Sfcsn

jaUn r*«ks4

JtpfbctKtfticaA ^1* ntnc

ptanrMk*

l h r w

Jmltnntta» jaianfMfc»'

Gambar 2.16 Analogi mekanis i/niuk reaksi eksoierm dan endolerm [6]

a. Sebuah bola dalam lekukan pada lereng bnkii hams diberi energi

tambahan

b. Grajik suatli sislem kimia dengan sislern mekanis bagian ( a )

c. Unhik menggeiwding ke atas sehuuh lehikan, hoia memerhikan energi

yang secukupnya melampaui energi tertinggi

d. Grafik suatu sistem kimia analog dengan (c)

Dengan penambahan energi yang dilakukan terhadap bahan bakar yang

sama halnya dengan pembenan energi pada bola uniuk melampaui jurang. maka

pada saat proses pembakaran bahan bakar akan dibutuhkan energi yang relatif

lebih sedikit bila dibandingkan dengan tanpa penambahan energi. sehmgga

pembakaran akan iebih reaktif dan lebih sempurna.

Karbcn dan hidrogen bila dibakar secara sempurna dengan oksigen akan

bereaksi seperti berikut [2]:

C + 0 2 * C0 2 + 7840 kkal/kg

2H 2 + 0 2 > 2 H20 r 33970 kkal/kg

Dengan terjadinya resonansi pada aliran bahan bakar. maka terjadi

keteraturan molekul pada hidrokarbon dan bahan bakar tersebut sehingga

memudahkan terjadinya reaksi tumbukan dan pcmbakaran akan menjadi lebih

sempurna. Tingkat kesempurnaan pembakaran bahan bakar merupakan salah satu

hal yang dapat memperbaiki unjuk kerja mesin.



?9

2.4 Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah

Siklus bensin (otto) adalah siklus daya termodmamika dasar dan motor

bakar dengan pembakaran nyaia (spark ignition engine) yang biasanya dikenal

dengan nama motor bensm. Pada motor bakar jenis mi. siklus operasinya

diselesaikan dalam empat langkah gerakan piston atau dua putaran poros engkol.

Siklus ini adalah siklus empat proses dan diplot pada koordinal P-v dan T-s

Gambar 2.17 Siklus daya otto /7/

Secara teoritis suatu campuran udara-bahan bakar ditekan (proses 1-2)

secara dapat balik dan adiabatis sampai volume minimum (piston di titik mati

atas). Campuran kemudian dibakar dengan menceluskan nyala api dari busi dan

energi ditimbulkan daiam proses isoraetris dapat balik (proses 2-3). Gas panas

kemudian berekspansi dalam proses adiabatis dapat balik (proses 3-4) dan panas

kemudian dibuang ke atmosfir (langkah pembuangan dan pembilasan) dalam

proses isometris dapat balik (proses4-l).

Proses pembakarau molor olio termasuk jenis proses pembakaran

premixed karena bahan bakar dan udara sebelum masuk ke ruang bakar terlebih

dahulu bercampur menjadi kabut gas yang terdiri dari butiran-butiran bensin yang

disebut droplet. Proses pembakaran yang terjadi pada motor bakar torak terjadi

saat torak akan berada pada titik mati atas setelah langkah kompresi, sedangkan

untuk penyalaannya adalah dari percikan bunga api Iistrik busi. Dalam proses

pembakaran aktual sulit sekali diperoleh proses pembakaran yang baik. sehingga

membutuhkan udara lebih untuk memenuhi kebutuhan udara pembakarannya.



23

2.5 Parameter Unjuk Kerja Mesin

Unjuk kerja motor bakar torak pada dasamya ditenrukan oleh beberapa

faktor, diantaranya adalah daya, torsi, tekanan efektif rata-rata. konsumsi bahan

bakar spesifik dan efisiensi tennal.

2.5.1 Torsi dan Daya Motor

Perangkat yang digunakan untuk mengetahui daya poros adalah

dinamometer untuk mengukur momen torsi dan motor. Dan beberapa jenis

dinamometer pada dasarnya memiliki prinsip kerja yang sama.

Gambar 2.18 Prinsip kerja dinamometer / T/

Rotor yang digerakkan oleh motor yang akan diuji. dikopel dengan stator

secara magnetik, elektnk, hidrolik atau gesekan. Dalam satu siklus dan poros

motor, titik tertentu yang berada pada diameter terluar dan rotor akan bergerak

sepanjang 2.z.r menentang gaya kopel / sehingga kerja per siklus dapat

dinyatakan dengan [7] :

Kerja 2.ic.rf (2.2)

Kerja ini akan diimbangi oleh kerja yang diakibatkan oleh momen luar

(2.K.R.P dengan R adalah panjang lengan dinamometer). sehingga dihasilkan

keseimbangan momen r.f= P.R

Dalam salu siklus poros motor, kerja = 2.K.R.P, dan jika motor berputar dengan Nd

Rpm maka [7] :

Kerja per menit = 2.n.R.P.Nj ( 2.3 )

Kerja per satuan waktu didefinisikan dengan daya. Satuan untuk daya

adalah Hp ( horse power ). Jika gaya reaksi dinamometer, P dinyatakan dalam



1A

Newton, panjang lengan dinamometer, R dengan meter. dan putaran dinamometer,

Nd dalam putaran per detik, maka Bhp dinyatakan dengan [7] :

Bhp N 2.K.P.R.Na Watt (2.4)

Produk perkalian antara gaya reaksi dinamometer ( beban ), P dengan

lengan dinamometer, R menyatakan torsi T = P.R N-m

Torsi dapat pula dituliskan dengan [7] ;

T = P.R = Bhp N-m (2.5) 6,28JV*

2.5.2 Tekanan Efektif Rata-Rata

Proses pembakaran campuran udara-bahan bakar menghasilkan tekanan

yang bekerja pada torak sehingga melakukan langkah kerja. Besar tekanan

tersebut berubah-ubah sepanjang langkah torak. Jika diambil suatu tekanan yang

berharga konstan yang bekerja pada torak dan menghasilkan kerja yang sama,

maka tekanan tersebut disebut dengan tekanan efektif rata-rata pengereman

(hmep), yang didefinisikan sebagai kerja per siklus per volume langkah torak.

Karena tekanan berhubungan dengan gaya, maka gaya pada torak untuk

menghasilkan kerja dituliskan dengan [7]:

fr' bmepxA Newton (2.6)

Kerja yang dihasilkan mempakan produk perkalian gaya dengan panjang langkah

torak, /. dimana/4./. - VI. volume langkah torak [7] :

W hmep x VI. N-m ( 2.7 )

Untuk menghasilkan daya, hhp yang dinyatakan sebagai kerja per satuan

waktu, maka persamaan diatas harus dikalikan dengan putaran, Nd [1]:

bmepxV: x NJ . - . . . ,

bhp N '— Watt 2.8 60

2.5.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik

Konsmnsi bahan bakar spesifik (sfc) menyatakan ukuran pemakaian

bahan bakar oleh suatu motor yang tidak dipasang pada kendaraan. Pada

umumnya konsumsi bahan bakar spesirik dinyatakan dalam satuan massa bahan

bakar per satuan keluaran daya, atau dapat juga didcfinisikan dengan jumlah bakar

yang dikonsumsi oleh motor untuk menghasilkan daya I Hp selama l jam.



2S

sfc 3600.V/M kgbahanbakar

( 2.9) bhp x t Hp - jam

Dimana : m = massa bahan bakar yang dikonsumsi, kg

Bhp = dayayang dihasilkan motor, Hp

t = waktu yang dibutuhkan oleh motor untuk mengkonsumsi bahan

bakar sebanyak m kg (detik)

Konsumsi bahan bakar spesifik adalali parameter pembanding bagaimana

secara efisien motor mengubah energi dari bahan bakar untuk menghasilkan kerja.

Untuk motor yang dipasang pada kendaraan, konsiunsi bahan bakar dinyatakan

dalam liter untuk suatu jarak (kilometer) tertentu. Misalnya sebuah mobil

dinyatakan memiliki data konsumsi bahan bakar 1 : 12, artinya bahan bakar

sebanyak 1 liter dapat digunakan untuk menempuh jarak sejauh 12km.

I.ltw per lOO k n

/

' / /

/

Gambar 2.19 Kurva konsnmsi bahan bakarfimgsi kecepaian [7]

2.5.4 Efisiensi Termis

Efisiensi termis didefinisikan sebagai efisiensi penianfaatan kaior dari

bahan bakar untuk diubah menjadi energi mekanis, yang dinyatakan mcialui

persamaan [7]:

Tenaga yang dihasilkan TJrh = -.vl00% .(2.10)

Kalur yang diberikun

Jika untuk menghasilkan daya keluaran poros (Bhp) sebesar N (Hp).

jumlah bahan bakaryang dikonsumsi per jam adalah Gbb (kg/jam), dan nilai kalor

pembakaran bawah bahan bakar adalali LHV (kkal/kg), maka efisiensi termis

motor tersebut adalah [7] :



26

641.567 IArv(w / - , , , . TJA = • x\ 00% ( 2. \ 1 )

sfcxLHV

Nilai kalor pembakaran bawah, Z.//F dihitung berdasarkan persamaan [7]:

LHV = 16610 + 40.°AP1 ( Btu/lb) (2.12)

Dimana [7] :

141 5 "APl — • -131,5 (2.13)

SG(60°F) Dengan : SG = spesific gravity

= 0,74 untuk bensin, atau Pbcnsin = 0,74 gr/cm3

2.6 Emisi Gas Buang

Komponen-komponen pada gas buang yang sangat berdampak terhadap

lingkungan dan kesehatan, diantaranya adalah karbonmonoksida (CO),

hidrokarbon (HC), nitrogen oksida (NOx), sulfiir oksida (SOx). Konsentrasi bahan-

bahan pencemar pada gas buang akan rendah jika pembakaran dapat berlangsung

secara sempurna, yang tercapai pada perbandingan stoichiometrisnya disamping

faktor kualitas bahan bakar yang dinyatakan dengan angka oktannya.

2.6.1 Karbonmonoksida (CO)

Karbonmonoksida dari gas buang tergantung pada perbandingan udara-

bahan bakar, hanya pada pembakaran yang sempuma dari bahan bakamya

dihasilkan konsentrasi CO nihil. Hal ini dapat dicapai pada perbandingan teoritis

atau stoichiometri, yaitu 14,8 -15 : 1. Kondisi ini sclama motor berjalan sulit

didapatkan, karena kualitas campuran selalu berubrm terhadan nutaran dan

pembebanan motor.

Unlversltas Krlsten Petra


11

Tabel 2.3 Emisi gas hnang motor otto [2]

j Bagian-bagian gas buang j Jalan 1 ditempat

! Air dalam bentuk u a p ) 7 - 1 0 % ! H 2 O j ! Karbondioksida CO, 6.5-8 % • Karbonmonoksida CO 2 - 6 % ;Zatasam(O0 1-1.5% ;Zatair(H30> j 0 , 5 - 4 %

Bcban setengah 10-11%

9 - 1 1 % 3 - 5r5 % 0.5 - 1 % 0,2 %

i Zat Niiroeen N> i Kira: ! Kira:

! 71% J74%

Beban penuh 10-11 °/

12- $3°/ 0,2-1,4? 0,1-0.4% 0,1-0,21

Kns1

7 G %

Sejumlah 0,03% atau 300 ppm karbonmonoksida pada udara ambient

sudah merupakan racun yang berbahaya untuk udara yang dihisap oleh manusia

selama setengah jam bertunit-turut. Pada putaran idle konsentrasi CO pada gas

buang semakin tinggi, hal ini disebabkan karena pada putaran idle campuran lebih

kaya (kekurangan udara), disamping itu pada putaran rendah, tekanan kompresi

rendah dan derajat isian tidak sempurna. Semakin kaya campuran, semakin besar

konsentrasi karbomnonoksida pada gas buangnya.

2.6.2 Hidrokarbon(HC)

I Iidrokarbon dihasilkan dan bahan bakar yang tidak terbakar di niang

bakar. Hidrokarbon terdapat pada gas buang tidak hanya pada campuran kaya.

tetapi juga pada campuran yang miskin. Bahkan sejumlah hidrokarbon selalu

terdapat pada peristiwa penguapan bahan bakar, di tangki bahan bakar, dan dari

kebocoran gas yang melalui ruang ulaina antara silinder dari torak masuk kc

dalam poros engkol, yang disebut gas laiu

Jumlah hidrokarbon yang belum terbakar tergantung pada keadaan waktu

motor beroperasi. Pada saat berputar stasioner 17%. pada saat akselerasi 7%. pada

kecepatan normal 13%, dan pada saat dilakukan pengereman 63%. Pada kondisi

hampa di dalam silinder dan katup gas tertutup, jumlah hidrokarbon akan banyak

sckali. Pada saat dilakukan pengcreman kondisi hampa dibawah katup gas lebih

besar dibandingkan kondisi stasioner, sehingga prosentase hidrokarbon pada

kondisi pengereman sangat tmggi.



28

Tabel 2.4 Emisi gas buang karbon hidrogen motor otto [2]

| Bcrputar ditempat Akselerasi

Kecepatan normal Mengeram motor

| i

1 7 % 7 % 13 % 63 °/o.

2.6.3 Nitrogenoksida (NOx)

Nitrogenoksida pada gas buang terutama dihasilkan pada suliu

pembakaran tinggi, hai ini pada umumnya lerjadi pada campuran miskin

(kelebihan udara). Konsentrasi nitrogenoksida akan maksimum jika konsentrasi

karbonmonoksida dan hidrokarbon minimum. Nitrogenoksida jika dipaparkan ke

udara bebas megakibatkan sesak napas terutama pada pendenta penyakit asma.

Disamping itu juga menyebabkan timbulnya kabut atau asap.

2.7 Perhitungan Pembakaran

Perhitungan pembakaran merupakan titik muia untuk menentukan

rancangan dan unjuk kerja dan semua peralatan pembakaran. Perhitungan

pembakaran akan mencakup aspek :

a. Kuantitas dari unsur-unsur yang ikut daiam pembakaran secara kimiawi

b. Kuantitas dari panas yang dibebaskan

c. Efisiensi dari proses pembakaran pada kondisi teoritis (ideai) dan sebenamya

(aktual)

2.7.1 [Jdara Pcmbakaran

Di dalam proses pembakaian (oksidasi) selalu tcrikut unsur oksigen,

unsur ini didapal dari udara sekeiiiing. Untuk keperiuan itu dibenkan batasan

mengenai udara pembakar .

a. Udara kering adalah udara tanpa kandungan air (dry air)

b. Udara basah (wet air) adaiah udara dengan kandungan air tertentu

c. Udara baku (standard air) adalah udara dengan kandungan 0.013 kg air per kg

udara kering atau 0,021 mole uap air/mole udara kering (sesuai dengan RH =

60%pada 25°C dan l atm)



29

Tabel 2.5 Komposisi udara kering [2]

Unsur % Volume I % massa Oksigew.. 2Q,99 • 23 ,15 ~ tttrogsn — N , } 78,Q3 ) 76.83 ~ G a s lain } P.9& [

2.7.2 Pcmbakaran Teoritis

Apa yang dinamakan pembakaran teoiitis adalah suatu reaksi

pembakaran sempuma dari suatu unsur yang mudah terbakar (stoichiometric

reaction). Pada pembakaran teoritis ini akan dibutuhkan sejumlah udara minimal

(teoritis).

Sebagai contoh pembakaran dari bahan bakar methane (CH4)

CH4 + 202 • C02 + 2H20

1 mole + 2 mole 1 mole + 2 mole

1 m3 + 2 m3 • 1 m3 2 m3

16 kg + 64 kg = 44 kg f 36 kg

a t a u l k g + 64/16 kg 44/16 kg + 36/16 kg

Untuk pembakaran sempurna 1 kg CH4 dibutuhkan oksigen sebanyak 64/16 kg.

Dengan demikian kebutuhan udara kering minimimi (teoritis) yang diperlukan

adalah.

ITludnra kering fflin = 4,32 X 64/1 6 kg^kg CIL»

= 17.279 kg/kgCH,

Untuk bahan bakar cair yang diketahui komposisi kimianya, kebutuhan udara

minimum untuk pembakaran sempurna dapat dihitung dengan persamaan [2| :

02min=83C + 8(H 08)+S kg/kgw, (2.14)

Dimana : C = Kandungan karbon dalam bahan bakar ( kg/kg 1,1,)

H = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar ( kg/kg t* )

O = Kandungan oksigen dalam bahan bakar ( kg/kg t* )

S = Kandungan belerang dalam bahan bakar ( kg/kg t*)

Pengurangan kebunihan oksigen dalam persamaan di atas (suku kedua ruas kanan

persamaan) didasarkan pada asumsi bahwa oksigen dalam bahan bakar juga ikut

bereaksi. Sebaliknya, unsur nitrogen (N2) dan abu dianggap tidak ikut bereaksi

dengan oksigen.

Universltas Kristen Petra


30

Kebutuhan udara minimum dapat ditaksir [2] :

m„darahningmn = 4,32X 02 kg /kg bh ( 2.15 )

2.7.3 Pembakaran Sebenarnya

Di dalam pembakaran sebenarnya tidak seiunih unsur dalam bahan bakar

tcrbakar scmpurna. Sebagai contoh adalah pcmbakaran dari karbon (C) tidak

selunih karbon akan terbakar menjadi CO2 tetapi juga terbakar menjadi CO atau

masih dalam bentuk asiinya C. Dengan demikian maka terdapat kehilangan-

kehilangan (losses) yang benipa kenigian panas yang sehanisnya bisa dibebaskan

dari pembakaran C.

Kesetimbangan rcaksi pembakaran dapat dituliskan scbagai berikut [2]:

CnHffl ' a ( 0 2 + 3,764 N 2 ) ~* b C0 2 + c 1l20 1 d CO + e 0 2 + f N2 ( 2 16)

maka dapat ditentukan airfuel ratio dan pembakaran yaitu [2] :

. „_. a(massaudara) ( 2.17 ) ArR = —

berathahanhakar

IJntuk menekan kenigian tcrscbut sampai tingkat minimal maka periu diberikan

udara lcbih pada scjumiah udara tcoritis yang dipakai sehingga tcrscdia cuktip

oksigen untuk pembakaran. Udara lebih (excess air) ini tidak lagi diperlukan

apabila dimungkinkan pencampuran udara dan bahan bakar secara sempuma.

Penting untuk diperhatikan bahvva penggunaan udara lebih akan juga membawa

kenigian panas sebagai akibat dari pemanasan udara pembakar pada suhu kamar

kc suhu pcmbakaran.

Dengan adanya udara lebih maka jumlah udara sebenamya [actnai air)

yang digunakan adalah [2] :

t"udara keritigacl Mmiara keringmhi Hhukita iehih \ — - ' ^ /

D i m a i i a : ITludaralebfli ~ E A % . mudarakeniigmiii

EA% = proscntase udara lebili

Namun demikian perlu dicatat bahwa tidara pembakar yang biasanya

digunakan dalam proses pembakaran sama sekali bukan udara kenng. Dengan

demikian persamaan di atas masih harus diselesaikan iagi [2] :

Wudara pembakaran acl I ' Itl tiTLs ) . Itlluiara kenng aci \ — •»- ' '

Universltas Kristen Petra


31

Dimana : m H20 = Kandungan uap air kg H?0/kg udara kering

Logika yang sama dapat dipergunakan unfuk menaksir kebutuhan udara pembakar

bila pendekatan dilakukan atas dasar mole atau volume.

Universitas Krlsten Petra


studi pengaruh medan magnet pada aliran bahan bakar

Documents