Prodi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Institut Teknologi Bandung
MODUL TEKNIK VAKUM I. Tujuan Praktikum a. Memahami proses pemvakuman. b. Mengamati proses perubahan fasa dari suatu zat cair akibat pemvakuman dengan prinsip termodinamika. c. Menentukan : i. perubahan laju pemompaan terhadap tekanan, ii. konstanta kebocoran sistem vakum, iii. laju pemvakuman, iv. konduktansi selang, dan v. tekanan residu. II. Alat dan bahan
a. Pompa vakum LEYBOLD TRIVAC Type D1, 6B spesifikasi : i. laju aliran volume (volume flow rate) : 1.6 m3 / jam. ii. Tekanan akhir (ultimate pressure) < 4 x 10-4 mbar. b. Tabung vakum (chamber) [dua bagian : slinder (tinggi = 20 cm) dan setengah bola (tinggi = 10 cm), keduanya berdiameter 20 cm] c. Selang [panjang = 2 m, diameter lubang = 1 cm] d. Statip & Klemp e. Termometer f. Timer / Stopwatch g. Cawan petri h. Vacuum grease / silicone grease i. Air (aquadest), alkohol ( 70% dan 96% ), glycerine j. Sarung tangan karet k. Tabung ukur l. Pipet tetes III. Teori dasar Vakum secara teori merupakan ruangan tanpa materi di dalamnya. Akan tetapi, ruang vakum sempurna belum pernah ditemukan. Oleh karena itu, secara praktik, ruang vakum didefinisikan sebagai ruangan yang tekanannya berada jauh dari tekanan atmosfer normal. Untuk membuat ruang vakum, digunakan pompa vakum. Alat ini memindahkan molekul gas atau uap dari ruang yang dibatasi. Pada ruang vakum, tekanan di dalamnya sangat rendah
a)
b)
c)
d)
sehingga sembarang partikel di ruang ini tidak memengaruhi proses yang terjadi dalam ruang vakum. Teknologi vakum pertama kali digunakan dalam industri bohlam listrik sekitar tahun 1900 lalu dan diterapkan pada berbagai jenis tabung elektron, permukaan lensa untuk meningkatkan transmisi cahaya, dan sekitar tahun 1950 diterapkan dalam bidang mikroelektronik. Teknologi ini digunakan dalam industri antara lain karena merupakan syarat utama berlangsungnya industri tertentu, tuntutan kualitas produksi, efisiensi proses produksi, dan efisiensi biaya produksi. Suatu proses pengukuran fisika biasanya dilakukan dalam keadaan vakum karena alasan-alasan berikut ini: Untuk memindahkan partikel-partikel atmosfer sehingga dapat menyebabkan reaksi fisika atau kimia selama proses berlangsung (contoh pada proses vakum melting pada logamlogam reaktif seperti titanium) Untuk menganggu keadaan setimbang yang ada pada keadaan ruang normal seperti pemindahan gas terlarut atau cairan yang mudah menguap dari sejumlah materi, (contoh : degassing minyak) penyerapan gas dari suatu permukaan (contoh : proses pembersihan tabung microwave dan selama perakitan akselerator partikel). Untuk mergangkan jarak tempuh partikel sebelum saling bertumbukan agar partikel-partikel dari sumber ke target bergerak tanpa tumbukan (contoh : pada akselerator partikel ,tabung televisi , lampu neon). Mengurangi jumlah tumbukan molekular per detik sehingga memperkecil kontaminasi permukaan ruang yang di vakumkan (contoh : pembuatan thin film / lapisan tipis). Secara umum sistem terdiri atas pompa, selang, dan tabung (vessel) yang memiliki laju pemvakuman S dalam satuan cm3/s. Laju S bergantung pada tekanan, yang meiliki batas terendah yang berbeda untuk masing-masing sistem. Hubungannya sebagai berikut : − = ( − P ) ..................................................................................................(1) Dengan P adalah tekanan sesaat, V volume total yang akan dihisap, Pr tekanan residu. Bila S dianggap konstan maka diperoleh hubungan = ( − ) − + ...............................................................................(2) =
............................................................................................................. (3)
Dengan Po=tekanan awal pemompaan pada saat t=0. laju sistem ditentukan oleh pompa vakum (Sp) yang digunakan dan selang yang menghubungkan pompa vakum dengan tabung. Selanjutnya didefinisikan ”throughput” (Q) sistem yaitu volume gas yang masuk atau keluar per satuan waktu dikalikan tekanan. Q = S.P......................................................................................................................... (4) Dan konduktansi (F) selang penghubung vessel dengan pompa didefinisikan sebagai Q = F (P1 – P2)...............................................................................................................(5) Gas yang dilepaskan pada tekanan rendah dan pada tahap awal pemompaan dapat diaproksimasikan oleh konstanta kebocoran QL (micron-cm3/sec) sehingga persamaan diferensial (1) pada saat terjadi kebocoran adalah sebagai berikut: = − ( − P ) + ................................................................................................(6) Solusinya :
! −
"
+
#$
%=! −
"
+
#$
% exp !−
% ………………………………………………. (7)
IV. Tugas pendahuluan 1. Gambarkan diagram (P-T) air dan diagram fasa zat cair secara umum! Bandingkan sifat air dengan zat cair lainnya! 2. Jelaskan apa itu keadaan vakum? Bagaimanakah keadaan vakum yang ideal? 3. Jelaskan perbedaan antara tekanan atmosfer, tekanan terukur dan tekanan absolut! 4. Apakah perbedaan antara entrapment vacuum pump dan gas transfer vacuum pump? Jelaskan dan beri contoh masing-masing 3! 5. Apa yang dimaksud dengan laju pemvakuman, tekanan residu, troughput, konstanta kebocoran dan konduktansi selang? 6. Sebutkan cara-cara untuk mendeteksi kebocoran pada sistem vakum tanpa menggunakan detektor (minimal 3) dan jelakan secara singkat! 7. Gambarkan flow chart proses curve fitting pada MATLAB! V. Langkah Percobaan. Prosedur dasar a. Siapkan dan bersihkan tabung dan dudukan vakum b. Berikan silicon grease pada pinggiran tabung dan dudukan vakum c. Ketika akan digunakan (tabung akan ditutup), letakkan tabung diatas dudukan dengan cara digeser, pastikan tabung dan dudukan sudah tertutup rapat dengan cara memastikannya dengan memutar tabungnya sambil menahan dudukannya d. Sebelum menyalakan pompa, tutup keran hingga tegak lurus dengan pipa tak berselang. Lalu nyalakan pompa. e. Setelah dimatikan, kemudian buka keran sedikit demi sedikit sambil menahan bagian atas tabung dan memperhatikan barometer. Setelah terbuka sepenuhnya, buka tabung dengan cara digeser dengan hati-hati Percobaan I a. Siapkan cawan petri kosong dan termometer. b. Letakkan cawan petri kosong serta termometer (termometer harus bisa diamati nilai suhunya) didalam tabung vakum (untuk prosedur membuka dan menutup tabung vakum lihat bagian prosedur standar). c. Nyalakan pompa vakum, saat terjadi loncatan jarum pertama catat sebagai P0 nya. Lalu catat perubahan P dan T setiap 10 detik hingga P stabil selama 1 menit. d. Matikan pompa, catat P dan T nya setiap 10 detik selama 1 menit e. Buka tabung, isi cawan petri dengan aquadest (10 ml), masukkan kembali kedalam tabung vakum, ulangi proses poin c dan d. f. Keluarkan cawan petri berisi aquadest dan ukur kembali volumenya. g. Ganti aquadest dengan alkohol 70%, alkohol 96%, dan gliserin. Lakukan kembali percobaan untuk langkah poin e dan f.
Percobaan II a. Siapkan balon atau sarung tangan karet yang sebelumnya telah terikat ujungnya b. Masukkan balon kedalam tabung vakum (untuk prosedur membuka dan menutup tabung vakum lihat bagian prosedur standar) c. Nyalakan pompa, amati perubahan volume yang terjadi. d. Sudahi percobaan hingga kira-kira balom mencapai perubahan volume maksimal (jangan sampai balon meledak) VI. Tugas Laporan Pengolahan data: a. Buat grafik Tekanan terhadap waktu untuk masing-masing cairan (Grafik P-T) lalu regresi eksponensial (di Mathlab), start toolboxes curve fitting curve fitting tool. Pada type of fit, pilih custom equation new equation general equation. Grafik tekanan vs waktu akan di fitting dengan persamaan eksponensial : Y=A( )∗+ )+C Catatan: • lower = 0 • Pilih nilai upper untuk menghasilkan nilai R-square tertinggi. Tulis nilai upper yang digunakan pada laporan. • jangan lupa beri tanda checklist ( ) pada center and scale x data. • Nilai A, B dan C diperoleh dari keterangan pada software MATLAB setelah melakukan fitting. Buat tabel untuk 5 grafik yang dihasilkan pada percobaan Bahan A B C Tanpa zat Aquadest Alkohol 70% Alkohol 90% Gliserin b. Buat grafik tekanan terhadap waktu untuk keadaan setelah pemvakuman dihentikan untuk masing-masing cairan. Tentukan besarnya kebocoran vakum / laju kebocoran sistem vakum! c. Lengkapilah tabel dibawah ini! Bahan
Volum total sistem (liter)
S (l/s)
Ps (mbar)
QL (mbar.l/s)
Tanpa zat Aquadest Alkohol 70% Alkohol 90% Gliserin Keterangan : Volume total sistem = volume silinder +volume ½ bola (satuan liter)
F (l/s)
Q (mbar.l/s)
S=BxV Ps = Pr - (QL/S) , , , = − , SP = 1,6 m3/jam -
.
Q = S x Ps d. Buat grafik tekanan terhadap temperatur (Grafik P-T) untuk masing-masing cairan! Analisis a. Jelaskan mengenai grafik tekanan terhadap waktu dari masing-masing cairan! b. Berikan penjelasan mengenai pengaruh konduktansi selang terhadap besarnya laju pemompaan! c. Amati kebocoran yang terjadi! Mengapa terjadi kebocoran dan hitung konstanta kebocorannya! d. Jelaskan mengenai grafik tekanan terhadap temperatur bandingkan dengan referensi/teori! e. Jelaskan mengenai proses perubahan wujud ketika lingkungan sekitar di vakumkan! f. Anomali apa yang terjadi pada diagram P-T dari alkohol pada berbagai konsentrasi? Mengapa hal tersebut dikatakan sebagai suatu Anomali? Jelaskan! g. Mengapa volume sarung tangan karet yang berada dalam tabung vessel yang sedang divakumkan bertambah besar? VII. Referensi a. Leybold Group, Fundamentals of Vacuum Technology. b. (1982). McGraw-Hill Encyclopaedia of science and Engineering, vol.14. c. (1986). The New Encyclopaedia of Brittanica, Vol.12. London. d. M.W.Zemansky & R.H Ditmann. Kalor dan Termodinamika.Poynton, 1968, The Kinetic Theory of Gases, Elsevier Publishing VIII. Mata kuliah yang terkait a. FI 1201 Fisika Dasar IA b. FI 2203 Termodinamika c. FI 3202 Fisika Statistik
