1. Toleransi

Toleransi adalah dua batas penyimpangan ukuran yang diijinkan. Misalnya, sebuah elemen diberi ukuran  maka dapat dijelaskan sebagai berikut:

•  adalah ukuran dasar

•  adalah nilai toleransi yang diberikan

Toleransi pada dasarnya dibedakan menjadi tiga macam, yakni toleransi ukuran, toleransi geometrik, dan konfigurasi kekasaran permukaan.

1.1  Toleransi ukuran

Definisi dari toleransi ukuran adalah dua batas penyimpangan yang diijinkan pada setiap ukuran elemen.

Toleransi memegang peranan yang vital pada proses produksi dikarenakan sangat sulitnya membuat suatu alat atau benda sesuai dengan ukuran yang tepat, karena menyangkut ketelitian dalam proses pengerjaannya.

Selanjutnya toleransi ukuran dibedakan lagi menjadi:

1.1.1        Toleransi Standar (Toleransi Internasional/IT)

Besarnya toleransi ditentukan oleh ISO /R286 (sistem ISO untuk limit dan suaian) agar sesuai dengan persyaratan fungsional dan untuk keseragaman.

ISO menetapkan 18 toleransi standar, yakni mulai dari IT 01, IT 0, IT 1, IT 2, sampai dengan IT 16.

Sedangkan untuk dasar satuan toleransi dari kualitas 01 – 1, harga toleransi standarnya dapat dihitung dengan rumus pada tabel berikut:

	IT 01	IT 0	IT 1
Nilai dalam µm untuk D dalam µm	0,3 + 0,008 D	0,5 + 0,012 D	0,8 + 0,0 20 D

Secara garis besar, gambaran secara umum dari hubungan antara pengelompokan kualitas toleransi ini dengan proses pengerjaannya adalah sbb.

1. Kualitas 1 – 4 adalah untuk pengerjaan yang sangat teliti.  Misalnya pembuatan alat ukur, instrumen optik, dll.
2. Kualitas 5 – 11 untuk proses pengerjaan dengan permesinan biasa, termasuk untuk komponen-komponen yang mampu tukar.
3. Kualitas 12 – 16 untuk proses pengerjaan yang kasar, seperti pengecoran, penempaan, pengerolan, dsb.

1.1.2        Toleransi Umum dan Toleransi Khusus

1. Toleransi Umum

Toleransi umum diberikan untuk ukuran yang tidak memerlukan ketelitian atau bukan merupakan bagian dari benda berpasangan (suaian).

Nilai toleransi umum selalu memilki batas penyimpangan atas dan batas penyimpangan bawah yang sama.  Besarnya toleransi ini ditentukan oleh tingkat kualitas (kekasaran permukaan) dan ukuran dasar.

1. Toleransi Khusus

Toleransi khusus merupakan suatu toleransi yang nilainya di luar toleransi umum dan suaian.  Nilai toleransinya lebih kecil daripada nilai toleransi umum, namun lebih besar daripada nilai toleransi suaian.

1.1.3        Toleransi suaian

Suaian adalah suatu istilah untuk menggambarkan tingkat kekekatan atau kelonggaran yang mungkin dihasilkan dari penggunaan kelegaan atau toleransi tertentu pada elemen mesin yang berpasangan.

Ada empat macam suaian pada elemen mesin, yakni:

1. Suaian longgar (clearance fit)

Suaian ini selalu menghasilkan kelonggaran (celah bebas) dengan daerah toleransi lubang selalu terletak di atas daerah toleransi poros.

1. Suaian sesak (interference fit)

Suaian yang selalu menghasilkan kesesakan, dengan daerah toleransi lubang selalu terletak di bawah daerah toleransi poros.

1. Suaian pas (transition fit)

Suaian ini dapat menghasilkan celah bebas atau interferensi, namun poros harus dipaksakan masuk ke dalam lubang dengan kelegaan negatif.

1. Suaian garis

Batas – batas ukuran ditentukan sedemikian sehingga celah bebas atau kontak antar permukaan akan terjadi apabila elemen mesin yang berpasangan dirakit.

Berikut ini dicantumkan beberapa istilah toleransi untuk elemen tunggal dan suaian yang seringkali dipakai :

1. Ukuran dasar

Ukuran dasar atau ukuran nominal adalah ukuran pokok yanag ditulis sebelum disertai angka-angka batas penyimpangan yang diijnkan.

1. Penyimpangan atas

Penyimpangan atas adalah penyimpangan ke arah atas ukuran maksimum.

1. Penyimpangan bawah

Penyimpangan bawah adalah penyimpangan ke arah bawah penyimpangan minimum.

1. Ukuran maksimum

Ukuran maksimum adalah ukuran terbesar yang masih diperbolehkan.  Besarnya ukuran maksimum = ukuran dasar + penyimpangan atas.

1. Ukuran minimum

Ukuran minimum adalah ukuran terkecil yang masih diperbolehkan.  Besarnya ukuran minimum = ukuran dasar + penyimpangan bawah.

1. Garis nol

Garis nol adalah garis dasar atau garis dengan penyimpangan nol.

1. Ukuran sesungguhnya

Ukuran sesungguhnya adalah ukuran jadi atau ukuran yang didapat setelah benda selesai dibuat, yang dapat diketahui dengan menggunakan alat ukur.

1. Kelonggaran (Clearance)

Kelonggaran adalah selsih kelonggaran antara luna gdengan poros dimana ukuran lubang lebih besar daripada ukuran poros.

• Kelonggaran maksimum adalah seliisih antara lubang terbesar dengan poros  terkecil dalam suatu suaian longgar.
• Kelonggaran minimum adalah selisih ukuran lungan terkecil dengan poros terbesar dalam suatu suaian longgar.

1. Kesesakan (Interference)

Kesesakan adalah suatu nilai selisih ukuran antara lubang dengan poros, dimana ukuran poros lebih besar daripada ukuran lubang.

• Kesesakan maksimum adalah selisih ukuran antara lubang terkecil dengan poros terbesar pada suaian sesak.
• Kesesakan minimum adalah selisih ukuran antara lubang terbesar dengan poros terkecil pada suaian sesak.

Contoh pemberian toleransi pada sebuah lubang dan poros:

a. 30H7                                        b.  40g6

Keterangan:

1. Suatu lubang denganukuran dasar 30 mm, posisi daerah toleransinya H, dan kualitasnya 7
2. Suatu poros dengan ukuran dasar 40 mm, posisi daerah toleransinya g, dan kualitasnya 6

1.2  Toleransi Geometrik

Toleransi geometrik adalah toleransi yang membatasi penyimpangan bentuk, posisi tempat, dan penyimpangan putar terhadap suatu elemen geometris.  Toleransi geometrik pada dasarnya memberikan kesempatan untuk memperlebar persyaratan dari toleransi ukuran. Pemakaian toleransi geometrik hanya dianjurkan apabila memang perlu untuk meyakinkan ketepatan komponen menurut fungsinya.

Sebuah toleransi geometrik dari suatu elemen menentukan daerah di mana elemen tersebut harus berada. Maka, sesuai dengan sifat dari daerah yang akan diberi toleransi dan cara memberi ukuran, daerah toleransi dikelompokkan menjadi berikut.

1. Luas dalam lingkaran (selanjutnya dilambangkan dengan #1)
2. Luas antara dua lingkaran sepusat (selanjutnya dilambangkan dengan #2)
3. Luas antara dua garis yang berjarak sama, atau dua garis lurus sejajar (selanjutnya dilambangkan dengan #3)
4. Ruang dalam bola (selanjutnya dilambangkan dengan #4)
5. Ruang dalam silinder (selanjutnya dilambangkan dengan #5)
6. Ruang antara dua silinder bersumbu sama (selanjutnya dilambangkan dengan #6)
7. Ruang antara dua permukaan berjarak sama atau dua bidang sejajar (selanjutnya dilambangkan dengan #7)
8. Ruang dalam sebuah kubus (selanjutnya dilambangkan dengan #8)

Berikut ini gambaran mengenai hubungan antara sifat yang diberi  toleransi dan daerah toleransi diberikan dalam suatu tabel.

Daerah Toleransi		#1	#2	#3	#4	#5	#6	#7	#8
Sifat-sifat yang diberi toleransi	Simbol
Kelurusan				•		•		•	•
Kedataran								•
Kebulatan			•
Kesilindrisan							•
Profil garis				•
Profil permukaan								•
Kesejajaran				•		•		•	•
Ketegaklurusan				•		•		•	•
Ketirusan				•				•	•
Posisi		•		•	•	•		•	•
Konsentrisitas dan koaksialitas		•				•
Kesimetrisan				•				•
Putar tunggal			•	•
Putar total							•	•

Hubungan antara toleransi geometrik dengan toleransi ukuran ada dua macam dibedakan menurut :

1. Menurut Prinsip Ketidakbergantungan

Definisi Prinsip Ketidakbergantungan adalah,“Tiap persyaratan yang diperinci dalam gambar, seperti misalnya toleransi ukuran dan toleransi bentuk atau posisi harus ditentukan secaa bebas tanpa menghubungkan pada ukuran, toleransi atau sifat manapun kecuali ditentukan oleh suatu hubungan khusus.”

Maka bila tidak ditemukan adanya hubungan antara ukuran dan toleransi bentuk atau posisi, toleransi bentuk atau posisi itu dianggap tidak memiliki hubungan.

1. Menurut Prinsip Bahan Maksimum

Definisi Prinsip Bahan Maksimum adalah,”Pemberian toleransi yang memperhitungkan ketergantungan timbal balik antara toleransi ukuran dengan toleransi bentuk atau posisi serta adanya tambahan harga toleransi dari bentuk atau posisi pada bagian tertentu yang menyimpang asalkan tidak melanggar batas-batas maksimum dan minimumnya”

Prinsip bahan maksimum mengsumsikan bahwa terdapat hubungan timbal balik antara toleransi ukuran dengan toleransi bentuk atau posisi.  Kondisi bahan maksimum pada sebuah poros adalah ukuran batas terbesar dari poros tersebut.

1.3  Konfigurasi kekasaran permukaan

Konfigurasi permukaan yang mencakup antara lain kekasaran permukaan dan bekas pengerjaan (tekstur), memegaang peranan penting dalam perencanaan suatu elemen mesin, yakni berhubungan dengan gesekan, keausan, pelumasan, tahanan, kelelahan, kerekatan, suaian, dan sebagainya.

Nilai kekasaran rata-rata aritmetik (R_a) telah diklasifikasikan oleh ISO menjadi 12 tingkat kekasaran, daari N1 sampai dengan N12

Kekasaran (Ra) (µm)	Tingkat Kekasaran	Panjang Sampel (µm)
50 25	N12 N11	8
12.5 6.3	N10 N9	2.5
3.2 1.6 0.8 0.4	N8 N7 N6 N5	0.8
0.2 0.1 0.05	N4 N3 N2	0.25
0.025	N1	0.08

1. 2. Jenis jangka sorong dan mikrometer skrup serta aplikasinya

1. Jangka Sorong (caliper)

Jangka sorong secara khusus menggunakan gerak geser yang presisius untuk pengukuran bagian dalam, bagian luar, dan demi kedalaman atau tingkatan pengukuran.  Kekhususan dari kemampuan geser jangka sorong dapat digunakan untuk mengukur kedalaman dan roda gigi serta mesin yang sedang bergerak.

Beberapa jenis jangka sorong adalah sebagai berikut:

1. Center Measuring Calipers
   Jangka sorong dengan bentuk kerucut dengan ‘jaws’ yang didesain untuk mengukur jarak di antara pusat dua buah lubang atau rongga.

1. Gear Tooth Calipers
   Jangka sorong dengan  batang yang dapat diatur didesain untuk mengukur ketebalan dari gigi roda pada batas ‘pitch’.  Batang yang dapat diatur ini menetapkan kedalaman pengukuran pada batas ‘pitch’ atau pada batang tambahan.

1. Machine Travel Calipers

Sistem pengukuran yang didesain untuk mengukur perubahan posisi dari machine bed. Kepala mikrometer, indikator, jangka sorong terspesialisasi dan pengukuran OEM lainnya digunakan untuk mengindikasikan perjalanan mesin.  Jangka sorong ini khususnya digunakan untuk mengukur mesin yang telah terpasang atau berwujud  produk seperti alat permesinan, mikroskop, dan instrumen lain yang memerlukan dimensi atau kontrol yang presisi.

1. Nib Jaws Calipers

Jangka sorong ini memudahkan pengukuran segi bagian dalam (inside features), segi bagian luar (outside features), lekukan, lubang atau celah, dan derajat.  Dengan membandingkan dengan jangka sorong lainnya, maka jangka sorong ini dapat dengan mudah dan akurat ditempatkan pada bagian sisi atau celah.

1. Pocket / Rolling Mill Calipers
   Jangka sorong yang kecil dan biasa digunakan untuk pengukuran dengan tingkat ketelitian yang rendah dan biasanya secara sederhana digunakan untuk mengukur alat yang tak rata untuk demi kecepatan pengukuran barang di lingkungan produksi.
2. Electronic Calipers

Ciri-ciri:

• Lightweight, ergonomic design
• Large easy-to-read LCD 32 in. high
• Inch/Millimeter conversion
• Zero at any position
• Automatic shut-off after 5 minutes of nonuse
• Last measuring position retained when shut off
• Easy access to the single
• Hardened stainless steel body for long life
• Integrated depth rod on all sizes
• Fine adjustment thumb wheel
• Lock screw to hold the slide in position
• Resolution is 0.0005 in. (0.01mm)
• Linear accuracy meets DIN862

1. Mikrometer sekrup (micrometer)

Mikrometer adalah alat ukur yang dapat melihat dan mengukur benda dengan satuan ukur yang memiliki 0.01 mm.

Satu mikrometer adalah secara luas digunakan alat di dalam teknik mesin electro untuk mengukur ketebalan secara tepat dari blok-blok, luar dan garis tengah dari kerendahan dan batang-batang slot. Mikrometer ini banyak dipakai dalam metrology, studi dari pengukuran,

Mikrometer memiliki 3 jenis umum pengelompokan yang didasarkan pada aplikasi berikut :

• Mikrometer Luar

Mikrometer luar digunakan untuk ukuran memasang kawat, lapisan-lapisan, blok-blok dan batang-batang

• Mikrometer dalam

Mikrometer dalam digunakan untuk menguukur garis tengah dari lubang suatu benda

• Mikrometer kedalaman

Mikrometer kedalaman digunakan untuk mengukur kerendahan dari langkah-langkah dan slot-slot

• Mikrometer lubang

Mikrometer lubang secara khusus memliki tig kepala landasan yang digunakan untuk mengukur diametr dalam.

• Mikrometer pipa

Mikrometer pipa untuk mengukur ketebalan dari pipa

Berikut contoh beberapa jenis mikrometer.

1. Braille-Reading Micrometer

Mikrometer yang cukup popular dimana dapat digunakan oleh orang-orang yang tunanetra karena memiliki sistem penunjukan skala berupa huruf Braille.  Mikrometer ini tidak dijual bebas dan hanya di gunakan dalam dunia pedidikan demi perluasan wawasan kaum tunanetra.

3. Ukuran-ukuran blok ukur

Blok ukur yang biasanya ada di Laboratorium CAD CAM berjumlah 38 dan ukuran-ukurannya adalah sbb. {semua ukuran dalam milimeter (mm)}

1, 1.005, 1.01, 1.02, 1.03, 1.04, 1.05, 1.06, 1.07, 1.08, 1.09, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100.

A. PENGERTIAN TOLERANSI GEOMETRIK

Dalam proses pembuatan suatu produk (benda kerja) yang teliti, penyimpangan bentuk, posisi, tempat, dan penyimpangan putar terhadap suatu eleinen geometri (titik, garis, permukaan atau bidang tengah), harus secara jelas dibatasi dengan nilai toleransi tertentu. Toleransi yang membatasi penyimpangan bentuk, posisi tempat dan penyimpangan putar terhadap suatu elemen geometris ini disebut sebagai toleransi geometrik.

Toleransi ukuran sesungguhnya membatasi juga beberapa penyimpangan geometris. Oleh karena itu, apabila toleransi geometrik ditentukan secara rinci, inaka tidak diharuskan pemberian toleransi ukuran yang sempit. Dengan kata lain, toleransi geometrik memberikan kesempatan untuk memperlebar persyaratan dari toleransi ukuran.

Perlu juga ditegaskan di sini bahwa pemakaian toleransi geometrik hanya dianjurkan apabila memang perlu untuk meyakinkan ketepatan komponen mcnurut fungsinya, misalnya untuk membuat bagian-bagian yang mampu tukar, atau bagian-bagian yang teliti lainnya. Pembuatan bendanya sendiri dapat dilakukan dalam pabrik yang bcrbccla dengan peralatan dan pengalaman yang berbeda pula.

Penggunaan simbol serta cara pencantuman toleransi geometrik pada gambar telah direkomendasikan oleh ISO sejak tahun 1969. Bahkan dalam standar lain scperti ANSI dan JIS, beberapa tahun terakhir ini sudah mengalami sedikit perluasan.

B. JENIS KARAKTER DAN SJMBOJL GEOMETRIS

Tabel berikut menyajikan jenis karakter geometris yang dapat dikontrol oleh toleransi serta simbol yang dipergunakan dalam gambar.

Dalarn memberikan toleransi pada suatu elemen geometris, sering diperlukan elemen geometris lain dalam komponen yang sama sebagai suatu elemen dasar (elemen patokan). Berdasarkan hubungannya dengan elemen dasar ini maka ditentukanlah toleransinya, baik mengenai toleransi bentuk, toleransi orientasi, toleransi posisi atau toleransi putar.

.

PENEMU MESIN UAP

           Teknologi mesin uap saat ini sudah jarang digunakan, namun tidak seharusnya kita melupakan begitu saja orang yang menemukan teknologi mesin uap tersebut, terlebih dengan adanya penemuan mesin uap oleh James Watt maka terlahirlah cikal bakal revolusi industri. James Watt, orang Skotlandia yang sering dihubungkan dengan penemu mesin uap, adalah tokoh kunci Revolusi Industri. Sebenarnya, Watt bukanlah orang pertama yang membikin mesin uap. Rancangan serupa disusun pula oleh Hero dari Iskandariah pada awal tahun Masehi. Di tahun 1686 Thomas Savery membikin paten sebuah mesin uap yang digunakan untuk memompa air, dan di tahun 1712, seorang Inggris Thomas Newcomen, membikin pula paten barang serupa dengan versi yang lebih sempurna, namun mesin ciptaan Newcomen masih bermutu rendah dan kurang efisien, hanya bisa digunakan untuk pompa air dari tambang batubara.

James Watt

Watt menjadi tertarik dengan ihwal mesin uap di tahun 1764 tatkala dia sedang membetulkan mesin ciptaan Newcomen. Meskipun Watt cuma peroleh pendidikan setahun sebagai tukang pembuat perkakas, tetapi dia punya bakat pencipta yang besar. Penyempurnaan yang dilakukannya terhadap mesin bikinan Newcomen begitu penting, sehingga layaklah menganggap sesungguhnya Watt lah pencipta pertama mesin uap yang praktis.

            Keberhasilan Watt pertama yang dipatenkannya di tahun 1769 adalah penambahan ruang terpisah yang diperkokoh. Dia juga membikin isolasi pemisah untuk mencegah menghilangnya panas pada silinder uap, dan di tahun 1782 dia menemukan mesin ganda. Dengan beberapa perbaikan kecil, pembaruan ini menghasilan peningkatan efisiensi mesin uap dengan empat kali lipat atau lebih. Dalam praktek, peningkatan efisiensi ini memang merupakan hasil dari suatu kecerdasan namun tidaklah merupakan peralatan yang bermanfaat dan tidak memiliki kegunaan luar biasa ditilik dari sudut industri

Mesin uap buatan James Watt

Watt juga menemukan (di tahun 1781) seperangkat gerigi untuk mengubah gerak balik mesin sehingga menjadi gerak berputar. Alat ini meningkatkan secara besar-besaran penggunaan mesin uap. Watt juga berhasil menciptakan pengontrol gaya gerak melingkar otomatis (tahun 1788), yang menyebabkan kecepatan mesin dapat secara otomatis diawasi. Juga menciptakan alat pengukur bertekanan (tahun 1790), alat penghitung kecepatan, alat petunjuk dan alat pengontrol uap sebagai tambahan perbaikan lain-lain peralatan. Watt sendiri tidak punya bakat bisnis. Tetapi, di tahun 1775 dia melakukan persekutuan dengan Matthew Boulton, seorang insinyur, dan seorang pengusaha yang cekatan. Selama dua puluh lima tahun sesudah itu, perusahaan Watt dan Boulton memproduksi sejumlah besar mesin uap dan keduanya menjadi kaya raya.

          Memang sulit melebih-lebihkan arti penting mesin uap. Sebab, memang banyak penemuan-penemuan lain yang memegang peranan penting mendorong berkembangnya Revolusi Industri. Misalnya, perkembangan dunia tambang, metalurgi, dan macam-macam peralatan mesin. Sekoci yang meluncur bolak-balik dalam mesin tenun (penemuan John Kay tahun 1733), atau alat pintal (penemuan James Hargreaves tahun 1764) semuanya terjadi mendahului kreasi Watt. Sebagian terbesar dari penemuan-penemuan itu hanyalah merupakan penyempurnaan yang kurang berarti dan tak satu pun punya arti vital dalam kaitan dengan bermulanya Revolusi Industri. Lain halnya dengan penemuan mesin uap yang memainkan peranan penting dalam Revolusi Industri, yang tampaknya keadaan akan mengalami bentuk lain. Sebelumnya, meskipun tenaga uap digunakan untuk kincir angin dan putaran air, sumber pokok tenaga mesin terletak pada tenaga manusia. Faktor ini amat membatasi kapasitas produksi industri. Berkat penemuan mesin uap, keterbatasan ini tersingkirkan. Sejumlah besar energi kini dapat disalurkan untuk hal-hal yang produktif yang menanjak dengan teramat derasnya. Embargo minyak tahun 1973 menyadarkan betapa sengsaranya jika bahan energi berkurang dan mampu melumpuhkan industri. Pengalaman ini pada tingkat tertentu, mendorong arti penting Revolusi Industri berkat penemuan James Watt.

Di samping manfaat tenaga untuk pabrik, mesin uap juga punya guna besar di bidang-bidang lain. Di tahun 1783, Marquis de Jouffroy di Abbans berhasil menggunakan mesin uap untuk penggerak kapal. Di tahun 1804, Richard Trevithick menciptakan lokomotif uap pertama. Tak satu pun dari model-model pemula itu berhasil secara komersial. Dalam tempo beberapa puluh tahun, barulah baik kapal maupun kereta api menghasilkan revolusi baik di bidang pengangkutan darat maupun laut. Revolusi Industri berlangsung hampir berbarengan dengan Revolusi Amerika maupun Perancis. Meskipun waktu itu tampaknya sepele, kini tampak jelas betapa Revolusi Industri itu seakan digariskan mempunyai makna jauh lebih penting untuk peri kehidupan manusia ketimbang arti penting revolusi politik. Oleh sebab itu James Watt tergolong salah seorang yang punya pengaruh penting dalam sejarah.

Sumber http://tokoh-ilmuwan-penemu.blogspot.com/2009/07/penemu-mesin-uap.html

Mesin Uap

>>Definisi :

Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dalam uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis. Mesin uap digunakan dalam pompa, lokomotifdan kapal laut, dan sangat penting dalam Revolusi Industri.

>>Jenis nmesin uap dan cara kerjanya

Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir

           Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai pendidihan – Teori kinetik gas). Biasanya air mendidih (air mendidih = air berubah menjadi uap) sekitar suhu 500 ^oC. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor alias panas pada uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerja terhadap piston — W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula (2). Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang ada di dalam kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya, Karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Karena piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus maka roda pun berputar secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakan sesuata(roda,dll).

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor alias panas. Kalor alias panas yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetik translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas (kalor alias panas timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar bentuk menjadi energi listrik Dst.

Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. sedangkan, pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin.Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah…

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian, perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap.

Apabila diperhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetik translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. sedangkan, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Jika energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Jika suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan = tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri).

>>Siklus termo dalam mesin uap

Siklus Rankine(siklus dalam mesin uap) adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Siklus Rankine terkadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar 42%.

Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.

             Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).

  Proses 1 : Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk   cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.

  Proses 2 : Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjadi uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.

  Proses 3 : Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.

  Proses 4 : Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.

Dalam siklus Rankine ideal, pompa dan turbin adalah isentropic, yang berarti pompa dan turbin tidak menghasilkan entropi dan memaksimalkan output kerja. Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic. Dengan kata lain, proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkan erosi dan korosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi.

Efisiensi termodinamika bisa didapatkan dengan meningkatkan temperatur input dari siklus. Terdapat beberapa cara dalam meningkatkan efisiensi siklus Rankine.

Siklus Rankine dengan pemanasan ulang

Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua, yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin.

Siklus Rankine regeneratif

Konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yang membedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperatur. Hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.

Dari penjelasan diatas, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika si piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet…

Penggunaan Mesin Uap

>> Kereta api Uap

Kereta api uap biasanya memiliki sebuah ketel uap pipa api horisontal bertungku yang terletak pada ujung bagian belakang. Di depan tungku terletak sebuah smokebox yang memiliki satu cerobong asap yang menonjol keluar (ke atas). Uap dikumpulkan dari tungku ke dalam sebuah kubah atau tabung berlubang-lubang yang berada di atas permukaan air.
Uap ini lalu melewati sebuah klep penutup atau katup pengatur ke dalam silinder sebuah resiprokat. Piston/torak di dalam mesin mendorong roda lewat sebuah crankpin dan batang/balok penghubung. Katup-katup mesin dikendalikan melalui sejumlah batang dan penghubung yang disebut dengan valve gear. Valve gear bisa disetel dan menolong kontrol arah serta cut off (cutoff adalah titik dalam kayuhan piston dimana inlet valve ditutup). Cut off ini menentukan proporsi kayuhan piston, yang kemudian mengendalikan jumlah uap yang masuk ke dalam silinder. Uap masuk dari kedua ujung, menyebabkan piston beraksi ganda.
Di dalam sebuah kereta api uap bersilinder dua, salah satu silinder ditempatkan di salah satu sisi kereta. Uap lalu memberikan empat kayuhan piston per putaran, yang berarti dua kayuhan per silinder. Kayuhan piston yang pertama menuju ke depan sedang yang kedua menuju ke belakang. Setiap kayuhan piston menggerakkan roda seperempat putaran.
Ketel dan silinder-silinder ini terletak di sebuah rangka, dan rangka ini terletak di sejumlah as atau poros. As dipasaing di blok-bantalan yang bergerak ke atas dan ke bawah di dalam rangka. Biasanya kereta uap Amerika memiliki kerangka balok sedangkan kereta uap Inggris memiliki plate frame (kerangka pelat), keduanya sama-sama terbuat dari baja. Sumber bahan bakar untuk mendidihkan air adalah batu bara. Kemudian minya mulai digunakan untuk tujuan yang sama.

Kelebihan Kereta Api Uap

Ada banyak alasan mengapa kereta api uap mencapai popularitas. Tentu saja alasan utamanya adalah kecepatan yang lebih baik daripada kereta berkuda. Perjalanan jadi lebih cepat serta orang-orang bisa melakukan perjalanan yang lebih jauh dengan jauh lebih mudah. Kereta uap dipandang pula lebih dapat diandalkan dan aman bila dibandingkan dengan perjalanan menggunakan kereta berkuda.Alasan yang berikut adalah kemudahan menggantikan gerbong yang rusak dengan yang baik. Kereta uap juga digunakan untuk mengangkut material dari satu tempat ke tempat yang lain, membuat aktivitas yang berhubungan dengan perdagangan dan perniagaan semakin efisien. Gerbong bisa ditambah atau diganti, tergantung pada persyaratan yang didasarkan pada jumlah orang dan material yang diangkut.

BAGAIMANA CARA KERJA MESIN UAP?

         Berbicara tentang mesin uap sekarang ini nampaknya sudah tidak relevan lagi karena hal itu sudah tinggal kenangan saja. Sejarah mesin uap yang mulai berkembang sejak awal abad 17 dan mencapai jaman kemasannya pada pada medio pertama abad 19, dimana pada saat itu prime mover untuk industri maupun transportasi (kapal laut dan kereta api) menggandalkan mesin uap. Era mesin uap telah berlalu, tapi turbin uap masih banyak dipakai karena hampir 80% pembangkit tenaga listrik didunia ini menggunakan turbin uap. Jadi masih ada sedikit kaitannya untuk mengetahui mesin uap. (Referensi : http://en.wikipedia.org/)

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 mengasilkan tenaga mekanis dilakukan didalam peralatan itu sendiri; sedangkan pada ECE, peralatan ini hanya merubah tenaga termis menjadi tenaga mekanis  adapun proses pembakaran dilakukan diluar 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 didalam silinder motor itu sendiri dan perubahan tenaga termis hasil pembakaran menjadi tenaga mekanis juga dilakukan didalam 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 turbine uap merubah tenaga potensial dari uap menjadi tenaga mekanis yang langsung merupakan gerakan putaran dari as turbin. Adapun proses pembakaran bahan bakar dilakukan diluar mesin uap dan turbin uap, yaitu didalam ketel uap (boiler). Didalam ketel uap (boiler) 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 :
Lihat gambar dibawah ini,

 

 

Didalam cylinder mesin uap terdapat piston yang mempunyai piston rod yang dihubungkan dengan cross head yang berada diluar cylinder. 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 cylinder. Valve box dimana 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 cylinder bagian kiri sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kiri dari piston dan mendorong piston kekanan, 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 kekanan karena ekpansi dari uap.

Pada waktu piston mencapai posisi paling kanan, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kanan sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kanan piston dan mendorong piston kekiri, 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 kekanan 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 dikanan 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 dibawa ini).