Psikrometrika

Psikrometrika (dari bahasa Yunani ψυχρόν (psuchron), artinya "dingin", dan μέτρον (metron), artinya "pengukuran" ;^[1]^[2] juga disebut higrometri) adalah disiplin teknik yang berhubungan dengan sifat fisik dan termodinamika campuran gas - uap.

Sejarah

Dengan penemuan higrometer dan termometer, teori penggabungan keduanya mulai muncul selama abad keenam belas dan ketujuh belas. Pada tahun 1818, seorang penemu asal Jerman, Ernst Ferdinand August (1795-1870), mematenkan istilah “psikrometer”, dari bahasa Yunani yang berarti “pengukuran dingin”. Psikrometer adalah instrumen higrometri yang didasarkan pada prinsip bahwa udara kering meningkatkan penguapan, tidak seperti udara basah, yang memperlambatnya.^[3]

Penerapan umum

Meskipun prinsip-prinsip psikrometri berlaku untuk sistem fisik apa pun yang terdiri dari campuran gas-uap, sistem yang paling umum menjadi sorotan adalah campuran uap air dan udara, karena penerapannya dalam pemanasan, ventilasi, dan penyejuk udara serta meteorologi. Dalam istilah manusia, kenyamanan termal kita sebagian besar merupakan konsekuensi tidak hanya dari suhu udara sekitar, tetapi (karena kita mendinginkan diri melalui keringat) sejauh mana udara tersebut jenuh dengan uap air.

Sejumlah besar zat bersifat higroskopis, dalam arti zat tersebut menarik air, dan biasanya sebanding dengan kelembapan relatif atau di atas kelembaban relatif kritis. Zat-zat tersebut meliputi kapas, kertas, selulosa, produk kayu lainnya, gula, kalsium oksida (kapur bakar), dan banyak bahan kimia serta pupuk. Industri yang menggunakan bahan-bahan ini memperhatikan pengendalian kelembapan relatif dalam produksi dan penyimpanan bahan-bahan tersebut. Kelembapan relatif sering dikontrol di area manufaktur tempat bahan yang mudah terbakar ditangani, untuk menghindari kebakaran yang disebabkan oleh pelepasan listrik statis yang dapat terjadi di udara yang sangat kering.

Dalam penerapan pengeringan di industri, seperti pengeringan kertas, produsen biasanya mencoba mencapai titik optimum antara kelembapan relatif rendah, yang meningkatkan laju pengeringan, dan penggunaan energi, yang menurun seiring meningkatnya kelembapan relatif pembuangan. Dalam banyak penerapan industri, penting untuk menghindari kondensasi yang dapat merusak produk atau menyebabkan korosi.

Jamur dan fungi dapat dikendalikan dengan menjaga kelembapan relatif tetap rendah. Jamur perusak kayu umumnya tidak tumbuh pada kelembapan relatif di bawah 75%.

Sifat-sifat psikrometrik

Temperatur bola kering

Temperatur bola kering adalah temperatur yang ditunjukkan oleh termometer yang terpapar ke udara di tempat yang terlindung dari radiasi matahari langsung. Istilah bola kering biasanya ditambahkan ke temperatur untuk membedakannya dari temperatur bola basah dan temperatur titik embun. Dalam meteorologi dan psikrometrika, kata temperatur sendiri biasanya berarti temperatur bola kering. Secara teknis, temperatur yang tercatat oleh termometer bola kering pada psikrometer. Namanya menyiratkan bahwa bola atau elemen penginderaannya kering. WMO menyediakan panduan setebal 23 halaman tentang pengukuran temperatur.

Temperatur bola basah

Temperatur bola basah termodinamik merupakan sifat termodinamika campuran udara dan uap air. Nilai yang ditunjukkan oleh termometer bola basah sering kali memberikan perkiraan yang memadai tentang temperatur bola basah termodinamik.

Keakuratan termometer bola basah sederhana bergantung pada seberapa cepat udara melewati bola dan seberapa baik termometer terlindungi dari temperatur radiasi di sekelilingnya. Kecepatan hingga 5.000 kaki/menit (~60 kecepatan 25,4 km/jam m/s) adalah yang terbaik tetapi mungkin berbahaya untuk menggerakkan termometer pada kecepatan tersebut. Kesalahan hingga 15% dapat terjadi jika pergerakan udara terlalu lambat atau jika terdapat terlalu banyak panas radiasi (dari sinar matahari, misalnya).

Temperatur bola basah yang diambil dengan udara yang bergerak sekitar 1–2 m/s disebut sebagai temperatur layar, sedangkan temperatur yang diambil dengan udara yang bergerak sekitar 3,5 m/s atau lebih disebut temperatur sling .

Psikrometer adalah perangkat yang mencakup termometer bola kering dan termometer bola basah. Psikrometer sling memerlukan pengoperasian manual untuk menciptakan aliran udara di atas bohlam, tetapi psikrometer bertenaga menyertakan kipas untuk fungsi ini. Mengetahui temperatur bola kering dan temperatur bola basah, seseorang dapat menentukan kelembapan relatif (RH) dari bagan psikrometrik yang sesuai dengan tekanan udara.

Temperatur titik embun

Temperatur jenuh uap air yang ada dalam sampel udara, juga dapat didefinisikan sebagai temperatur di mana uap berubah menjadi cair (kondensasi). Biasanya ketinggian di mana uap air berubah menjadi cair menandai dasar awan di atmosfer, oleh karena itu disebut ketinggian kondensasi. Jadi nilai temperatur yang memungkinkan proses ini (kondensasi) berlangsung disebut 'temperatur titik embun'. Definisi yang disederhanakan adalah temperatur di mana uap air berubah menjadi "embun" (Chamunoda Zambuko 2012).

Kelembapan

Kelembapan spesifik

Kelembapan spesifik didefinisikan sebagai massa uap air sebagai proporsi massa sampel udara lembap (termasuk udara kering dan uap air); ia terkait erat dengan rasio kelembapan dan selalu lebih rendah nilainya.

Kelembapan absolut

Massa uap air per satuan massa udara kering mengandung uap air. Besaran ini juga dikenal sebagai kerapatan uap air.^[4]

Kelembapan relatif

Adalah rasio, dinyatakan dalam persen, dari jumlah kelembapan atmosfer yang ada relatif terhadap jumlah yang akan ada jika udara jenuh.

Entalpi spesifik

Analog dengan entalpi spesifik zat murni. Dalam psikrometrika, istilah ini mengukur total energi udara kering dan uap air per kilogram udara kering.

Volume spesifik

Analog dengan volume spesifik suatu zat murni. Namun, dalam psikrometrika, istilah tersebut mengukur volume total udara kering dan uap air per satuan massa udara kering.

Rasio psikrometrik

Rasio psikrometrik adalah rasio koefisien perpindahan panas terhadap hasil kali koefisien perpindahan massa dan panas lembap pada permukaan basah. Hal ini dapat dievaluasi dengan persamaan berikut:^[5]^[6]

r={\frac {h_{c}}{k_{y}c_{s}}}\,

Di mana:

$r$ = rasio psikrometrik, tak berdimensi

$h_{c}$ = koefisien perpindahan panas konvektif, W m⁻² K⁻¹

$k_{y}$ = koefisien perpindahan massa konvektif, kg m⁻² s⁻¹

$c_{s}$ = kalor lembap, J kg⁻¹ K⁻¹

Rasio psikrometrik merupakan sifat penting dalam bidang psikrometri, karena ia menghubungkan kelembapan absolut dan kelembapan saturasi dengan perbedaan antara temperatur bola kering dan temperatur saturasi adiabatik.

Campuran udara dan uap air merupakan sistem yang paling umum ditemui dalam psikrometri. Rasio psikrometrik campuran udara-uap air kurang lebih sama, yang berarti perbedaan antara temperatur saturasi adiabatik dan temperatur bola basah campuran udara-uap air adalah kecil. Sifat sistem udara-uap air ini menyederhanakan perhitungan pengeringan dan pendinginan yang sering dilakukan menggunakan hubungan psikrometrik.

Kalor lembap

Kalor lembap adalah kalor spesifik udara lembap pada tekanan konstan, per satuan massa udara kering.^[7] Kalor lembap adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah suhu satuan massa campuran uap air - udara sebesar 1 °C.

Tekanan

Banyak sifat psikrometrik bergantung pada konsep tekanan:

tekanan uap air;
tekanan atmosfer di lokasi sampel.

Bagan psikrometrik

Bagan psikrometrik adalah grafik parameter termodinamika udara lembap pada tekanan konstan, yang sering disamakan dengan ketinggian relatif terhadap permukaan laut. Bagan psikrometrik gaya ASHRAE, yang ditunjukkan di sini, dipelopori oleh Willis Carrier pada tahun 1904.^[9] Bagan ini menggambarkan parameter-parameter ini dan dengan demikian merupakan persamaan keadaan grafis. Parameternya adalah:

Temperatur bola kering
Temperatur bola basah
Temperatur titik embun
Kelembaban relatif
Rasio kelembaban
Entalpi spesifik,
Volume spesifik adalah volume campuran (udara kering ditambah uap air) yang mengandung satu satuan massa "udara kering". Satuan SI adalah meter kubik per kilogram udara kering; satuan lainnya adalah kaki kubik per pon udara kering. Kebalikan dari volume spesifik biasanya disalahartikan sebagai kepadatan campuran.^[10] Namun, untuk mendapatkan kepadatan campuran sebenarnya ( $\rho$ ) kita harus mengalikan kebalikan dari volume spesifik dengan kesatuan ditambah nilai rasio kelembapan pada titik yang diinginkan:^[11]

\rho ={\frac {M_{da}+M_{w}}{V}}\,=\left({\frac {1}{v}}\right)(1+W)

Di mana:

$M_{da}$ = massa udara kering

$M_{w}$ = massa uap air

$V$ = volume totalnya

$v$ = volume spesifik udara lembap, m³kg⁻¹

$W={\frac {M_{w}}{M_{da}}}\,$ = rasio kelembapan

Bagan psikrometrik memungkinkan semua parameter udara lembap ditentukan dari tiga parameter independen, yang salah satunya haruslah tekanan. Perubahan keadaan, seperti saat dua aliran udara bercampur, dapat dimodelkan dengan mudah dan agak grafis menggunakan bagan psikrometrik yang tepat untuk tekanan udara atau ketinggian lokasi relatif terhadap permukaan laut. Untuk lokasi dengan ketinggian tidak lebih dari 2000 kaki (600 m), merupakan praktik umum untuk menggunakan bagan psikrometrik permukaan laut.

Pada grafik ω - t, temperatur bola kering ( t ) muncul sebagai sumbu absis (horizontal) dan rasio kelembapan ( ω ) muncul sebagai sumbu ordinat (vertikal). Bagan berlaku untuk tekanan udara tertentu (atau ketinggian di atas permukaan laut). Dari dua parameter independen di antara keenam parameter tersebut, yakni temperatur bola kering, temperatur bola basah, kelembapan relatif, rasio kelembapan, entalpi spesifik, dan volume spesifik, semua parameter lainnya dapat ditentukan. Ada $\left({6 \atop 2}\right)=15$ kemungkinan kombinasi parameter independen dan turunan.

Daerah di atas kurva saturasi merupakan daerah dua fase yang merupakan campuran udara lembap jenuh dan air cair, dalam kesetimbangan termal.

Busur derajat pada kiri atas grafik memiliki dua skala. Skala bagian dalam melambangkan rasio panas total sensible. Skala luar memberikan rasio perbedaan entalpi terhadap perbedaan kelembapan. Skala ini digunakan untuk menetapkan kemiringan garis kondisi antara dua proses. Komponen horizontal dari garis kondisi adalah perubahan panas sensibel sedangkan komponen vertikal adalah perubahan panas laten.^[12]

Lihat pula

Referensi

↑ Henry George Liddell, Robert Scott, "psychron", A Greek-English Lexicon
↑ Henry George Liddell, Robert Scott, "metron", A Greek-English Lexicon
↑ Gallicchio, Nicole. "The Evolution of Meteorology: A Look into the Past, Present, and Future of Weather Forecasting" (2017) p. 11-17, ISBN 9781119136170
↑ "AMS Weather Glossary". American Meteorological Society. Diarsipkan dari asli tanggal 16 October 2012. Diakses tanggal 18 September 2011.
↑ http://www.che.iitb.ac.in/courses/uglab/manuals/coollabmanual.pdf Diarsipkan 2011-07-21 di Wayback Machine., accessed 20080408
↑ http://www.probec.org/fileuploads/fl120336971099294500CHAP12_Dryers.pdf Diarsipkan 2011-07-27 di Wayback Machine., accessed 20080408
↑ "Archived copy". Diarsipkan dari asli tanggal 2006-10-30. Diakses tanggal 2008-04-10. Pemeliharaan CS1: Salinan terarsip sebagai judul (link)
↑ Dehumidification in Industrial and Building Applications. 2012.
↑ Gatley, D.P. (2004). "Psychrometric chart celebrates 100th anniversary". ASHRAE Journal. 46 (11): 16–20.
↑ "Module 7: Applying the psychrometric relationships". Diakses tanggal 2021-10-13.
↑ 2001 ASHRAE Handbook – Fundamentals (SI). Scott A. Zeh, Nancy F. Thysell, and Jayne E. Jackson. 2001. hlm. 6.8.
↑ Biasca, Karyn. "Psychrometric Chart Tutorial" Diarsipkan 2011-01-02 di Wayback Machine., accessed November 20, 2010.

[1] Henry George Liddell, Robert Scott, "psychron", A Greek-English Lexicon

[2] Henry George Liddell, Robert Scott, "metron", A Greek-English Lexicon

[3] Gallicchio, Nicole. "The Evolution of Meteorology: A Look into the Past, Present, and Future of Weather Forecasting" (2017) p. 11-17, ISBN 9781119136170

[4] "AMS Weather Glossary". American Meteorological Society. Diarsipkan dari asli tanggal 16 October 2012. Diakses tanggal 18 September 2011.

[5] ttp://www.che.iitb.ac.in/courses/uglab/manuals/coollabmanual.pdf Diarsipkan 2011-07-21 di Wayback Machine., accessed 20080408

[6] ttp://www.probec.org/fileuploads/fl120336971099294500CHAP12_Dryers.pdf Diarsipkan 2011-07-27 di Wayback Machine., accessed 20080408

[7] "Archived copy". Diarsipkan dari asli tanggal 2006-10-30. Diakses tanggal 2008-04-10. Pemeliharaan CS1: Salinan terarsip sebagai judul (link)

[8] Dehumidification in Industrial and Building Applications. 2012.

[9] Gatley, D.P. (2004). "Psychrometric chart celebrates 100th anniversary". ASHRAE Journal. 46 (11): 16–20.

[10] "Module 7: Applying the psychrometric relationships". Diakses tanggal 2021-10-13.

[11] 2001 ASHRAE Handbook – Fundamentals (SI). Scott A. Zeh, Nancy F. Thysell, and Jayne E. Jackson. 2001. hlm. 6.8.

[12] Biasca, Karyn. "Psychrometric Chart Tutorial" Diarsipkan 2011-01-02 di Wayback Machine., accessed November 20, 2010.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]