BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

1.1.1 Sejarah Mesin Uap

a. Hero (10-70)

Catatan paling awal dari sejarah teknologi mesin uap dapat kita lihat ke kota Alexandria pada tahun 75. Di sana terdapat seorang ahli matematika bernama Hero, yang juga dikenal denga nama Heros atau Heron. Hero menulis tiga buku tentang mekanik dan sifat-sifat udara serta memperkenalkan rancangan dari mesin uap sederhana. Mesin ini dikenal dengan nama Aeolipile atau Aeolypile, atau juga disebut dengan Eolipile.

Prinsip kerja mesin ini adalah dengan menggunakan tekanan uap untuk memutarkan bola (bejana) yang berisi air sebagai bahan baku penghasil uap. Bola (bejana) tersebut dapat berputar karena adanya dorongan dari uap yang keluar dari nosel yang terletak pada sisi samping bejana.

Metode Hero yang mengubah tenaga uap menjadi gerak ini merupakan dasar bagi para penerusnya untuk mengembangkan teknologi mesin uap di masa yang akan datang.

b. Giovanni Battista della Porta(1538 – 1615)

Giovanni Battista della Porta atau Gambattista della Porta atau juga dikenal dengan nama John Baptist Porta adalah seorang sarjana, Polymath, dan dramawan yang berasal dari Napoli, Italia. Dia adalah ilmuwan yang pertama kali menemukan peranan uap dalam menciptakan ruang hampa.

Teori yang dikemukakannya adalah bahwa jika air dikonversikan menjadi uap dalam wadah tertutup dapat menghasilkan peningkatan tekanan. Demikian pula sebaliknya, jika uap dikondensasikan menjadi air dalam ruangan tertutup maka akan menghasilkan penurunan tekanan. Teori inilah yang nantinya akan menjadi konsep utama rancangan pada pengembangan mesin uap yang dilakukan oleh para penerusnya.

c. Denis Papin (1647 – 1712)

Pada tahun 1679 seorang fisikawan, ahli matematika, dan penemu berkebangsaan Prancis menemukan suatu alat yang dinamakan steam digester yang menjadi cikal bakal ditemukannya mesin uap dan presser cooker (panci masak bertekanan). Penemuan tersebut ia kerjakan bersama–sama dengan rekannya yang bernama Robert Boyle, seorang filusuf, fisikawan, kimiawan, penemu, dan ilmuan berkebangsaan Irlandia.

Keterangan gambar :

• A = Tungku pembakaran
• B = Bejana
• C = Tutup bejana
• D = Baut pengencang
• E = Katup
• F = Penyanggah tutup bejana
• G = Batang beban
• H = Penutup tungku
• W = Beban

Alat ini berbentuk seperti sebuah wadah dengan penutup yang digunakan untuk menghasilkan uap bertekanan. Untuk menjaga agar alat tersebut tidak meledak, Papin melengkapi penemuannya tersebut dengan katup yang dapat bergerak naik turun sebagai tempat pembuangan uap untuk mengatur tekanan di dalam wadahnya. Selain itu Papin juga mengembangkan mesinnya dengan menambahkan torak di bagian atas silinder yang tertutup yang akan bergerak naik dan turun sesuai dengan teori yang ditemukan oleh Giovanni Battista della Porta. Konsep inilah yang kemudian mengawali ditemukannya mesin uap pertama di dunia yang menggunakan piston dan silinder mesin.

d. Thomas Savery (1650 – 1715)

Thomas Savery adalah seorang insinyur yang bekerja pada militer Inggris dan penemu berkebangsaan Inggris. Pada tahun 1698 ia menemukan mesin uap pertama di dunia. Penemuannya ini diawali ketika ia bekerja pada sebuah tambang batubara yang mengalami kesulitan dalam memompa air yang digunakan untuk mengairi tambang.

Prinsip kerja mesin ini adalah dengan menaikkan tekanan uap di dalam ketel. Uap tersebut kemudian dimasukkan ke bejana kerja, sehingga memungkinkan untuk meniup air keluar melalui pipa bawah. Ketika temperatur dalam bejana menjadi panas karena dipenuhi uap keran antara ketel dan bejana ditutup, jika perlu bagian luar bejana didinginkan. Hal ini mengakibatkan uap didalamnya berkondensasi, menciptakan vakum parsial dan tekanan atmosfer mendorong air ke atas melalui pipa bawah hingga bejana penuh. Pada titik ini keran di bawah bejana ditutup, dan keran antara bejana dan pipa atas dibuka untuk mengalirkan pipa dari ketel. Tekanan uap yang tinggi akan memaksa air keluar dari bejana.

e. Thomas Newcomen (1663 – 1729)

Thomas Newcomen merupakan seorang pandai besi Inggris yang menemukan mesin uap atmosfer, sebuah perbaikan terhadap desain Thomas Savery sebelumnya. Mesin uap Newcomen menggunakan kekuatan tekanan atmosfer untuk bekerja. Pada mesin Newcomen ini intensitas tekanan tidak dibatasi oleh tekanan uap, tidak seperti apa yang dipatenkan Thomas Savery pada tahun 1698.

Pada tahun 1712, Thomas Newcomen bersama dengan John Calley membangun mesin pertama di atas sebuah lubang tambang yang terisi air di mana mesin tersebut digunakan untuk memompa air keluar tambang. Mesin Newcomen ini merupakan pendahulu mesin James Watt dan salah satu bagian teknologi yang paling menarik yang berkembang selama abad ke-17.

Gambar tersebut menunjukkan posisi boiler berada tepat di bawah silinder. Uap pertama kali dialirkan dari boiler menuju ke silinder. Ketika piston mancapai puncak, air disemprotkan kedalam silinder untuk mendinginkan uap yang membentuk sebuah vakum. Piston terdorong turun oleh berat udara yang berada di atasnya (15 pond per inci² dari luas piston). Siklus tersebut terjadi secara berulang-ulang.

f. James Watt (1736 – 1819)

James Watt adalah seorang insinyur mesin dan penemu asal Skotlandia. Pada tahun 1769 James Watt mematenkan kondenser terpisah yang terhubung ke silinder oleh sebuah katup. Ia berhasil menciptakan mesin uap pertama yang efisien. Ternyata mesin uap ini merupakan salah satu kekuatan yang mendorong terjadinya Revolusi Industri, khususnya di Britania dan Eropa pada umumnya. Untuk menghargai jasanya, nama belakangnya yaitu Watt digunakan sebagai nama satuan daya, misalnya daya mesin dan daya listrik.

Tidak seperti mesin uap milik Newcomen, pada mesin uap milik James Watt ini terdapat sebuah kondensor untuk mendinginkan silinder yang panas. Mesin James Watt ini segera menjadi desain untuk semua mesin uap modern dan memicu terjadinya revolusi industri. Satuan daya Watt diambil dari nama James Watt di mana 1 Watt besarnya setara dengan 1/746 HP.

Keterangan gambar :

• C = Silinder uap
• E = Katup pembuangan uap
• H = penyambung poros engkol ke balok
• N = Pompa air
• O = poros engkol
• Q = Regulator
• P = Torak
• R = Batang pompa udara
• T = Katup input uap
• g = link yang menghubungkan piston dan balok melaui gerakan paralel gdc
• m = tuas aliran masuk uap

Perbedaan mendasar dari mesin James Watt ini dengan mesin milik Thomas Newcomen adalah pada letak kondensor yang digunakan. Jika pada mesin Newcomen ruang untuk mengkondensasikan uap menyatu dengan silinder kerja, maka pada mesin James Watt ruang untuk mengkondensasikan uap terpisah dari silinder. Selain itu mekanisme penggerak torak dari mesin James Watt menggunakan gerakan putar dari roda penggerak yang berputar, tidak seperti pada mesin Newcomen yang menggunakan gerakan translasi (bolak-balik) dari pompa air.

1.1.2 Dampak Mesin Uap

Dalam Revolusi Industri, perubahan sosial dan ekonomi menandai transisi dari masyarakat pertanian ke salah satu industri. Revolusi ini terjadi di Inggris antara abad ke-18 dan pertengahan 19. Teknologi ditingkatkan Renaissance dengan menyediakan dengan mesin bertenaga. Tanah untuk Revolusi Industri disiapkan oleh pelayaran penjelajah di abad 15 dan 16, yang menyebabkan kedatangan banyak logam mulia dari Dunia Baru. Kayu adalah bahan bakar, air dan angin kekuatan pabrik awal.

Hasil yang penting dari ilmu pengetahuan adalah penemuan mesin uap. Ketika abad ke-18 dimulai, penduduk kaya menuntut lebih banyak barang dan lebih baik. Batubara menggantikan kayu sebagai bahan bakar pilihan. Perkembangan penting dari Revolusi Industri adalah penggunaan uap untuk kekuasaan, dan mesin (1769) James Watt menandai titik tinggi dalam pembangunan ini.

Uap mesin diciptakan untuk membantu menaikkan batubara dari tambang. Adanya jumlah besar batubara dan besi di Inggris merupakan faktor penting dalam pertumbuhan yang pesat industrinya. Pabrik dan kota-kota industri bermunculan. Kanal dan jalan dibangun, dan kereta api dan kapal uap yang melebar pasar untuk barang-barang manufaktur. Industri telah menjadi faktor dominan dalam kehidupan bangsa. Drama perubahan dalam struktur sosial dan ekonomi terjadi sebagai penemuan dan inovasi teknologi menciptakan sistem pabrik, spesialisasi ekonomi, dan tenaga kerja baru urban terdiri dari mantan buruh tani di pedesaan.

Dalam sebuah mesin uap, uap panas mengembang di bawah tekanan, dan energi panas diubah menjadi kerja. uap ini dapat terkondensasi di kondensor, pada suhu yang lebih rendah dan tekanan. Kinerja terbaik (bekerja untuk panas) dicapai dengan menggunakan suhu kondensor rendah dan tekanan boiler tinggi. uap ini dapat dipanaskan lebih lanjut dengan melewatkan melalui superheater antara boiler dan mesin. Superheater ini terdiri dari pipa terkena gas panas di tungku boiler. uap mungkin dipanaskan melampaui temperatur yang dihasilkan oleh air mendidih. Dalam turbin uap, uap dibuang melalui nosel dan kemudian mengalir melalui serangkaian pisau, menyebabkan rotor bergerak pada kecepatan tinggi. turbin adalah cara yang digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik dengan uap. Hidup akan berbeda jika bukan karena penciptaan dari mesin uap. Wright bersaudara tidak akan memiliki kesempatan untuk menciptakan mesin terbang pesawat terbang. Ide mesin uap yang digunakan dalam perahu tidak akan dikembangkan. Ini penemuan besar telah menyebabkan banyak perkembangan besar hari ini.

BAB II PEMBAHASAN

Mesin uap (steam engines) masuk dalam kategori pesawat kalor, yaitu peralatan yang digunakan untuk merubah tenaga termis dari bahan bakar menjadi tenaga mekanis melalui proses pembakaran. Ada dua jenis pesawat kalor yaitu Internal Combustion Engines/ICE (motor pembakaran dalam) dan External Combustion Engines/ECE (motor pembakaran luar). Pada pesawat kalor jenis ICE, proses pembakaran bahan bakar untuk menghasilkan tenaga mekanis dilakukan didalam peralatan itu sendiri, sedangkan pada ECE, peralatan ini hanya merubah tenaga termis menjadi tenaga mekanis ada pun proses pembakaran dilakukan di luar peralatan tersebut.

Contoh dari pesawat kalor jenis ICE adalah motor bensin dan motor disel yang sangat populer sebagai prime mover baik untuk otomotif maupun untuk industri. Pada motor bensin dan motor disel proses pembakaran bahan bakar (bensin/solar) dilakukan di dalam silinder motor itu sendiri dan perubahan tenaga termis hasil pembakaran menjadi tenaga mekanis juga dilakukan di dalam pesawat itu sendiri melalui gerakan kian kemari dari piston menjadi gerakan putaran dari crank shaft.

Contoh dari pesawat kalor jenis ECE adalah mesin uap dan turbin uap. Pada peralatan ini, mesin uap hanya merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis berupa gerakan kian kemari dari piston dan selanjutnya diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft; sedangkan turbin uap merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis yang langsung merupakan gerakan putaran dari as turbin. Ada pun proses pembakaran bahan bakar dilakukan di luar mesin uap dan turbin uap, yaitu di dalam ketel uap (boiler). Di dalam ketel uap tenaga termis hasil pembakaran bahan bakar digunakan untuk memanaskan air sehingga berubah menjadi uap dengan temperatur dan tekanan tinggi, untuk selanjutnya uap dengan temperatur dan tekanan tinggi tersebut dialirkan ke mesin uap atau turbin uap untuk diubah menjadi tenaga mekanis.

Adapun cara kerja mesin uap adalah sebagai berikut :

Di dalam silinder mesin uap terdapat piston yang mempunyai piston rod yang dihubungkan dengan cross head yang berada di luar silinder. Cross head dihubungkan oleh connecting rod dengan crank shaft (tidak tampak pada gambar), sehingga apabila piston bergerak kian kemari maka crank shaft dapat berputar.

Slide valve yang mempunyai valve rod digerakkan oleh crank shaft melalui eksentrik, sehingga slide valve dapat bergerak kian kemari sambil membuka dan menutup dua buah lubang uap yang berhubungan dengan silinder. Valve box di mana slide valve berada mempunyai dua saluran, saluran pemasukan yang dihubungkan dengan boiler untuk menyalurkan uap dengan tekanan tinggi (warna merah), dan saluran pembuangan yang dihubungkan dengan cerobong untuk membuang uap bekas (warna biru).

Pada waktu piston mencapai posisi paling kiri, maka slide valve akan membuka lubang uap silinder bagian kiri sehingga uap dari boiler dapat masuk ke dalam silinder pada bagian kiri dari piston dan mendorong piston ke kanan, sementara itu lubang uap sebelah kanan dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang keluar melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak ke kanan karena ekpansi dari uap.

Pada waktu piston mencapai posisi paling kanan, maka slide valve akan membuka lubang uap silinder bagian kanan sehingga uap dari boiler dapat masuk ke dalam silinder pada bagian kanan piston dan mendorong piston ke kiri, sementara itu lubang uap sebelah kiri dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak ke kanan karena ekpansi dari uap.

Karena cross head dengan crank shaft dihubungkan oleh connecting rod, maka gerakan kian kemari dari piston tersebut akan diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft. Demikian selama ada pasokan uap dari boiler maka mesin uap akan merubah menjadi tenaga mekanis dengan gerakan putaran dari crank shaft.

Lokomotif uap biasanya mempunyai 2 buah mesin uap yang dipasang di kanan dan kiri lokomotif, gerakan putaran yang dihasilkan oleh kedua buah mesin uap tersebut langsung digunakan untuk memutarkan roda lokomatif sehingga mampu menarik seluruh rangkaian kereta api (lihat gambar di atas).

BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Mesin uap dikemukakan oleh banyak sejarahwan, yang menimbulkan banyak argumen tetapi memiliki inti bahwa uap itu memiliki tekanan yang membuat mesin uap itu bekerja. Ini berarti mesin uap menimbulkan perubahan proses dari suatu kalor menjadi kerja.

3.2 Saran

Jadi seharusnya untuk mengoptimalkan kerja mesin uap maka tekanannya harus di tambah hal ini karena semakin tinggi tekanan uap maka semakin tinggi juga kerja mesin uap tersebut, dan sebaliknya.

Daftar Pustaka

• Fahmi0026. 2010. "Sejarah Mesin Uap" (online). (http://fahmi0026.wordpress.com/2010/03/15/sejarah-mesin-uap/ , diunduh tanggal 11 Mei 2011)
• Harisistanto. 2010. "Cara Kerja Mesin Uap" (online). (http://harisistanto.wordpress.com/2010/08/06/bagaimana-cara-kerja-mesin-uap/, diunduh tanggal 11 Mei 2011)