Big Bang dan Perluasan Alam Semesta

Pada abad ke-20, terjadi lompatan besar di bidang astronomi. Pertama, pada tahun 1922, seorang ahli fisika Rusia, Alexandre Friedmann, menemukan bahwa alam semesta tidak memiliki struktur yang statis. Berpijak pada Teori Relativitas Einstein, Friedmann menghitung bahwa sebuah impuls kecil saja dapat mengakibatkan alam semesta meluas atau mengerut. Georges Lemaître, salah seorang ahli astro-nomi terkenal Belgia, adalah yang pertama kali menyadari pentingnya hitungan ini. Hitungan ini membawanya pada kesimpulan bahwa alam semesta memiliki awal dan terus-menerus meluas sejak permulaan. Ada hal penting lainnya yang diangkat Lemaître: menurutnya, seharusnya ada kelebihan radiasi yang tertinggal dari Big Bang dan ini dapat dilacak. Lemaître yakin bahwa penjelasannya benar walaupun pada awalnya tidak mendapat banyak dukungan dari kalangan ilmuwan. Sementara itu, bukti lebih lanjut bahwa alam semesta meluas mulai bermunculan. Pada waktu itu, Edwin Hubble, seorang ahli astronomi dari Amerika, yang mengamati bintang-bintang dengan teleskop raksasanya, menemu-kan bahwa bintang-bintang memancarkan cahaya geser merah (red shift) tergantung jarak mereka. Dengan temuan ini, yang diperolehnya di Observatorium Mount Wilson, California, Hubble menantang seluruh ilmuwan yang mengajukan dan membela teori “keadaan-tetap” (steady-state), dan mengguncangkan pondasi model alam semesta yang dianut saat itu.

 

Temuan-temuan Hubble bergantung pada aturan fisika bahwa spektrum cahaya yang bergerak menuju titik pengamatan cenderung mendekati ungu, sementara spektrum cahaya yang bergerak meninggal-kan titik pengamatan cenderung mendekati merah. Ini menunjukkan bahwa benda-benda angkasa yang diamati dari Observatorium Mount Wilson California bergerak menjauhi bumi. Pengamatan selanjutnya mengungkap-kan bahwa bintang dan galaksi tidak hanya bergerak menjauhi kita tetapi juga saling menjauhi satu sama lain. Pergerakan benda-benda angkasa ini sekali lagi membuktikan bahwa alam semesta meluas. Dalam buku Stephen Hawking's Universe, David Filkin menyatakan gagasan menarik tentang perkembangan ini:

Dalam dua tahun, Lemaître mendengar berita yang selama ini berharap pun dia tak berani. Hubble telah mengamati bahwa cahaya dari galaksi adalah geser merah, dan menurut efek Doppler, ini berarti bahwa alam semesta meluas. Kini, ini hanya soal waktu. Einstein tertarik pada kerja Hubble dan memutuskan untuk mengun-junginya di Observatorium Mount Wilson. Pada saat yang sama, Lemaître memberikan kuliah di Institut Teknologi California, dan berhasil menyudutkan sekaligus Hubble dan Einstein. Dia mengajukan teori “atom primitif”-nya dengan hati-hati, selangkah demi selangkah, meyakinkan bahwa seluruh alam semesta telah diciptakan “pada hari yang tidak memiliki hari kemarin”. Dengan sangat saksama, dia menjelaskan seluruh perhitungan matematikanya. Ketika selesai, dia tidak dapat memercayai telinganya sendiri. Einstein berdiri dan menyatakan bahwa apa yang baru saja didengarnya adalah “interpretasi yang paling indah dan paling memuaskan yang pernah kudengar” dan selanjutnya mengakui bahwa menciptakan “konstanta kosmologis” adalah “kesalahan terbesar” dalam hidupnya.1

Fakta yang telah mengejutkan Einstein, yang dianggap sebagai salah satu ilmuwan terpenting dalam sejarah, adalah bahwa alam semesta mempunyai permulaan.

Pengamatan lebih jauh pada perluasan alam semesta telah membuka jalan bagi pendapat-pendapat baru. Sejak saat itu, para ilmuwan sampai pada model alam semesta yang semakin kecil apabila seseorang kembali ke masa lampau, dan pada akhirnya mengerut dan konvergen pada satu titik, seperti yang dikemukakan Lemaître. Kesimpulan yang dapat diturunkan dari model ini adalah bahwa pada suatu masa, semua benda alam semesta memadat dalam sebuah titik-massa tunggal yang memiliki “volume nol” karena gaya gravitasinya yang sangat besar. Alam semesta kita menjadi ada sebagai hasil dari ledakan titik-massa yang memiliki “volume nol” ini. Ledakan ini disebut “Big Bang”.

Big Bang menunjukkan hal lain. Mengatakan bahwa sesuatu memi-liki volume nol itu berarti sama dengan mengatakan bahwa sesuatu itu “tidak ada”. Seluruh alam semesta ini diciptakan dari sesuatu yang “tidak ada” ini. Selanjutnya, alam semesta ini memiliki awal, bertolak belakang dengan pandangan materialisme, yang beranggapan bahwa “alam semesta adalah kekal”.

Big Bang dengan Bukti

Begitu ditetapkan kenyataan bahwa alam se-mesta mulai terbentuk setelah sebuah ledakan be-sar, para ahli astrofisika mencapai kemajuan pesat dalam penelitian-penelitian mereka. Menurut George Gamow, apabila alam semesta terbentuk dalam ledakan besar dan tiba-tiba, pastilah terting-gal sejumlah radiasi dari ledakan tersebut yang menyebar rata di seluruh alam semesta.

Pada tahun-tahun setelah hipotesis ini disam-paikan, temuan-temuan ilmiah susul-menyusul terjadi, dan semuanya membuktikan kebenaran Big Bang. Pada tahun 1965, dua orang peneliti ber-nama Arno Penzias dan Robert Wilson menemu-kan suatu bentuk radiasi yang hingga saat itu tak teramati, yang disebut sebagai “radiasi latar bela-kang kosmis”. Radiasi ini tidak seperti benda-benda alam semesta lainnya karena keseragam-annya yang luar biasa. Radiasi ini tidak terlokali-sasi, juga tidak memiliki sumber yang jelas; justru tersebar merata di mana-mana. Segera disadari bahwa radiasi ini adalah peninggalan Big Bang, yang masih memancar sejak ledakan besar itu terjadi. Gamow telah meneliti frekuensi radiasi tersebut, dan menemu-kan bahwa besarnya mendekati nilai yang telah diramalkan oleh para ilmuwan. Penzias dan Wilson dianugerahi Penghargaan Nobel atas temuan mereka itu.           

George Smoot dan tim NASA-nya hanya membutuhkan waktu delapan menit untuk mencocokkan tingkatan-tingkatan radiasi yang dilaporkan oleh Penzias dan Wilson, berkat satelit ruang angkasa COBE. Sensor-sensor yang sensitif pada satelit berhasil memberikan keme-nangan baru bagi teori Big Bang. Sensor-sensor itu membenarkan keber-adaan suatu bentuk yang rapat dan panas sisa dari Big Bang. COBE memotret sisa-sisa nyata dari Big Bang, dan kelompok ilmuwan dipaksa mengakuinya.

Bukti lainnya berhubungan dengan jumlah relatif Hidrogen dan Helium di alam semesta. Perhitungan menunjukkan bahwa proporsi gas hidrogen-helium di alam semesta cocok dengan hitungan teoretis dari apa yang seharusnya tersisa setelah Big Bang.

Penemuan bukti penting ini menyebabkan teori Big Bang diterima sepenuhnya oleh dunia ilmiah. Dalam sebuah artikel di Scientific American yang terbit bulan Oktober 1994 disampaikan bahwa “model Big Bang adalah satu-satunya model yang diakui pada abad ke-20”.

Satu persatu, pengakuan mulai berdatangan dari nama-nama yang mempertahankan konsep “alam semesta tak terbatas” selama bertahun-tahun. Dennis Sciama, yang mempertahankan teori “steady-state” bersama Fred Hoyle, menggambarkan situasi mereka setelah pembuk-tian Big Bang. Dia berkata bahwa mulanya dia mendukung Hoyle tetapi, setelah bukti mulai menumpuk, dia harus mengakui bahwa permainan ini telah selesai dan teori steady-state harus dibuang

Sekilas Turbin Uap

Siklus Rankine setelah diciptakan langsung diterima sebagai standar untuk pembangkit daya yang menggunakan uap (steam ). Siklus Renkine nyata yang digunakan dalam instalasi pembangkit daya jauh lebih rumit dari pada siklus renkine ideal asli yang sederhana. siklus ini merupakan siklus yang paling banyak digunakan untuk pembangkit daya listrik sekarang ini. Oleh karena siklus Rankine merupakan sikus uap cair maka paling baik siklus itu digambarkan dengan diagram P-v dan T-s dengan garis yang menunjukkan uap jenuh dan cair jenuh. Fluida kerjanya adalah air (H₂O).

            Turbin Uap adalah salah satu komponen dasar dalam pembangkit listrik tenaga uap. Dimana komponen utama dari sistem tersebut yaitu : Ketel, kondensor, pompa air ketel, dan turbin itu sendiri. Uap yang berfungsi sebagai fluida kerja dihasilkan oleh katel uap, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk mengubah air menjadi uap. 

            Siklus ideal yang terjadi didalam turbin adalah siklus Rankine ; Air pada siklus 1 dipompakan, kondisinya adalah isentropik   s₁ =  s₂  masuk ke boiler dengan tekanan yang sama dengan tekanan di kondenser tetapi Boiler menyerap panas sedangkan kondenser melepaskan panas, kemudian dari boiler masuk ke turbin dengan kondisi  super panas  h₃   =   h₄   dan  keluaran dari turbin berbentuk uap jenuh dimana laju aliran massa yang masuk ke turbin sama dengan laju aliran massa keluar dari turbin, ini dapat digambarkan dengan menggunakan diagram

T-s berikut:

Menurut Hukum pertama Thermodinamika, kerja yang dihasilkan oleh suatu proses siklus adalah sama dengan Jumlah Perpindahan Kalor pada fluida kerja selama proses siklus tersebut berlangsung.  Jadi untuk proses Siklus : 1 – 2 – 2’ – 3 – 3’  – 4 – .

Dimana,

W  =  Kerja per satuan berat fluida kerja

Ds =  Luas 1 – 2  - 2 – 2’ – 3 – 4  - 1 pada diagaram  ( T – s )

            Dalam  kenyataan  Siklus  sistem Turbin Uap menyimpang dari Siklus  Ideal (Siklus Rankine ) antara lain karena faktor tersebut dibawah ini.

1. Kerugian dalam pipa atau saluran fluida kerja, misalnya kerugian gesekan dan kerugian kalor ke atmosfer disekitarnya.
2. Kerugian tekanan  dalam ketel uap.
3. Kerugian energi didalam turbin karena adanya gesekan pada fluida kerja dan bagian-bagian dari turbin.

Prinsip Kerja Turbin Uap

Secara singkat prinsip kerja turbin uap adalah sebagai berikut :

• Uap masuk kedalam turbin melalui nosel. Didalam nosel energi panas dari uap dirubah menjadi energi kinetis dan uap mengalami pengembangan.

• Tekanan uap pada saat keluar dari nosel lebih kecil dari pada saat masuk ke dalam  nosel, akan tetapi sebaliknya kecepatan uap keluar nosel lebih besar dari pada saat masuk ke dalam nosel.

• Uap yang memancar keluar dari nosel diarahkan ke sudu-sudu turbin yang berbentuk lengkungan dan dipasang disekeliling roda turbin. Uap yang mengalir melalui celah-celah antara sudu turbin itu dibelokkan kearah mengikuti lengkungan dari sudu turbin. Perubahan kecepatan uap ini menimbulkan gaya yang mendorong dan kemudian memutar roda dan poros turbin.

• Jika uap masih mempunyai kecepatan saat meninggalkn sudu turbin berarti hanya sebagian yang energi kinetis dari uap yang diambil oleh sudu-sudu turbin yang berjalan. Supaya energi kinetis yang tersisa saat meninggalkan sudu turbin dimanfaatkan maka pada turbin dipasang lebih dari satu baris sudu gerak. Sebelum memasuki baris kedua sudu gerak. Maka antara baris pertama dan baris kedua sudu gerak dipasang satu baris sudu tetap ( guide blade ) yang berguna untuk mengubah arah kecepatan uap, supaya uap dapat masuk ke baris kedua sudu gerak dengan arah yang tepat.

• Kecepatan uap saat meninggalkan sudu gerak yang terakhir harus dapat dibuat sekecil mungkin, agar energi kinetis yang tersedia dapat dimanfaatkan sebanyak mungkin. Dengan demikian effisiensi turbin menjadi lebih tinggi karena kehilangan energi relatif kecil.

Klasifikasi turbin uap

Turbin Uap dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kategori yang berbeda berdasarkan pada konstruksinya, prinsip kerjanya dan menurut peoses penurunan tekanan uap sebagai berikut:

• Klasifikasi Turbin berdasarkan Prinsip Kerjanya

1.                  Turbin Impulse

Turbin impuls atau turbin tahapan impuls adalah turbin sederhana berrotor satu atau banyak (gabungan ) yang mempunyai sudu-sudu pada rotor itu. Sudu biasanya simetris dan mempunyai sudut masuk dan sudut keluar.

- Turbin satu tahap.

-  Turbin impuls gabungan.

-  Turbin impuls gabungan kecepatan.

Ciri-ciri dari turbin impuls antara lain:

-     Proses pengembangan uap / penurunan tekanan seluruhnya terjadi pada sudu diam / nosel.

-          Akibat tekanan dalam turbin sama sehingga disebut dengan Tekanan Rata.

2.                  Turbin Reaksi

Turbin reaksi mempunyai tiga tahap, yaitu masing-masingnya terdiri dari baris sudu tetap dan dua baris sudu gerak. Sudu bergerrak turbin reaksi dapat dibedakan dengan mudah dari sudu impuls karena tidak simetris, karena berfungsi sebagai nossel bentuknya sama dengan sudu tetap walaupun arahnya lengkungnya berlawanan.

Ciri-ciri turbin ini adalah :

-          Penurunan tekanan uap sebagian terjadi di Nosel dan Sudu  Gerak

-          Adanya perbedaan tekanan didalam turbin sehingga disebut Tekanan Bertingkat.

• Klasifikasi turbin uap berdasarkan pada tingkat penurunan Tekanan Dalam Turbin

Ø  Turbin Tunggal ( Single Stage )

      Dengan kecepatan satu tingkat atau lebih turbin ini cocok untuk untuk daya kecil, misalnya penggerak kompresor, blower, dll.

Ø  Turbin Bertingkat  (Aksi dan Reaksi ).

   Disini sudu-sudu turbin dibuat bertingkat, biasanya cocok untuk daya besar. Pada turbin bertingkat terdapat deretan sudu 2 atau lebih. Sehingga turbin tersebut terjadi distribusi kecepatan / tekanan.  

• Klasifikasi turbin berdasarkan Proses Penurunan Tekanan Uap

Ø  Turbin Kondensasi.

   Tekanan keluar turbin kurang dari 1 atm dan dimasukkan kedalam kompresor.

Ø  Turbin Tekanan Lawan.

   Apabila tekanan sisi keluar turbin masih besar dari  1 atm     sehingga masih dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin lain.

Ø  Turbin Ekstraksi.

   Didalam turbin ini sebagian uap dalam turbin diekstraksi untuk roses pemanasan lain,  misalnya proses industri.