Mesin Diesel (Siklus Rankine)

Mesin Diesel (Siklus Rankine)

Siklus Rankine 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 ilmuan 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.

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 °C (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30°C. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik sebesar 42%.

Mesin Bensin (Siklus Otto)

Mesin Bensin (Siklus Otto)

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Mesin bensin dibagi menjadi dua, yaitu mesin dua tak dan mesin empat tak. Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran dari oli pelumas. Mesin empat tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk sekali pembakaran. Pada motor-motor besar biasa menggunakan mesin empat tak. Akan tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin empat tak. Mesin jenis ini sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya bensin murni. mesin pembakaran dalam empat langkah (empat tak). Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali.

Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat adanya gesekan.

Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap).

SIKLUS CARNOT

SIKLUS CARNOT

Mesin Carnot (Siklus Carnot)

Sejak mesin uap ditemukan oleh James watt, orang selalu berusaha untuk memperoleh mesin yang memunyai efisiensi yang lebih tinggi. Pada tahun 1824, seorang insinyur Perancis bernama Sardi Carnot (1796-1832) mempublikasikan teori tentang mesin kalor ideal.

Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian-rangkaian yang berbeda dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui sistem ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

Mesin kalor ideal Carnot bekerja pada siklus reversible di antara dua tandon suhu (reservoir). Mesin kalor Carnot menyerap kalor dari reservoir (tandon) panas T1 sebesar Q1 dan melepaskan kalor pada reservoir dingin T2 sebesar Q2. Seluruh proses pada siklus Carnot bersifat reversible. Siklus Carnot terdiri atas empat proses, yaitu:

1) Ekspansi isotermal reversible (A-B);

2) Ekspansi adiabatik reversible (B-C);

3) Kompresi isotermal reversible (C-D);

4) Kompresi adiabatik reversible (D-A).

Mula-mula kalor diserap selama pemuaian isotermal (a-b). Selama pemuaian isotermal, suhu gas dalam silinder dijaga agar selalu konstan. Selanjutnya gas memuai secara adiabatik sehingga suhunya turun dari TH menjadi TL (b-c). TH = suhu tinggi (High temperatur), TL = suhu rendah (Low temperatur). Selama pemuaian adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari silinder. Setelah itu gas ditekan secara isotermal (c-d). Selama penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan.

Selama pemuaian isotermal dan penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Tujuannya adalah menghindari adanya perbedaan suhu. Adanya perbedaan suhu bisa menyebabkan terjadi perpindahan kalor (proses ireversibel). Agar proses isotermal bisa terjadi (suhu gas selalu konstan) maka gas harus dimuaikan atau ditekan secara perlahan-lahan. Dalam kenyataannya, pemuaian atau penekanan gas terjadi lebih cepat. Hal ini diakibatkan oleh adanya turbulensi, gesekan, viskositas (kekentalan dll). Akibatnya, proses isotermal yang sempurna tidak akan pernah ada. Sebaliknya, pemuaian dan penekanan adiabatik dilakukan dengan cepat. Tujuannya adalah menjaga agar kalor tidak mengalir menuju silinder atau kabur dari silinder. Adanya gesekan, viskositas ( kekentalan, dll) menyebabkan pemuaian dan penekanan adiabatik sempurna tidak akan pernah ada.

Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur TH and TC tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot. Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur. Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair (lihat siklus Rankine). Irreversible sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan (misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata. Usaha yang dihasilkan mesin kalor Carnot adalah

W = usaha yang dihasilkan

Q1= kalor yang diserap/dimasukkan (J)

Q2= kalor yang hilang/tidak terpakai (J)

Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi diantara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh efisiensi mesin Carnot.

atau

Efisiensi mesin ( ) merupakan perbandingan usaha (W) yang dhasilkan dengan besar kalor masuk (Q1). Efisiensi mesin dapat dinyatakan dengan angka (dari 0 sampai 1) atau dalam % yaitu efisiensi dikalikan 100 %.

Ditinjau dari besar usaha setiap proses:

o Proses ekspansi isotermal reversible (A-B)

(proses isotermal dU = 0)

o Proses ekspansi adiabatik reversible (B-C)

o Proses kompresi isotermal reversible (C-D)

o Proses kompresi adiabatik reversible (D-A)

Besar usaha total adalah Untuk mencari efisiensi termal,Untuk mengetahui apakah sama dengan , kita gunakan proses adiabatik (B-C) dan (D-A). kita gunakan persamaan sebagai berikut.

Proses (B-C) Proses (D-A)

Video Membuat Termometer Sederhana

Sejarah Hukum I Termodinamika

Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan kekekalan energi. Hukum ini menggambarkan hasil banyak eksperimen yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem, panas yang  ditambahkan pada atau dikurangkan dari sistem, dan energi internal sistem. Dari defenisi mula-mula kalori, kita tahu bahwa dibutuhkan suatu kalori panas untuk menaikkan temperatur 1 gram air dengan 1 derajat celcius. Akan tetapi kita juga dapat menaikkan temperatur air atau sistem lain apapun dengan melakukan usaha padanya tanpa menambahkan sedikit pun panas.

  

Gambar di atas merupakan tampilan skematik peralatan Joule yang digunakan dalam eksperimennya yang paling terkenal di mana ia menentukan jumlah usaha yang ekivalen dengan sejumlah panas tertentu, yaitu, jumlah usaha yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu gram air dengan satu Celcius derajat. Ketika ekivalensi panas dan energi eksperimental ditetapkan, eksperimen Joule dapat digambarkan sebagai menentukan ukuran kalori dalam satuan energi yang biasa. Air pada gambar di atas tertutup dalam dinding insulasi agar temperatur sistem tak dapat dipengaruhi oleh panas yang masuk atau keluar darinya. Bila beban jatuh pada kelajuan konstan, maka mereka memutar suatu kincir, yang melakukan usaha melawan air. Jika rugi energi yang terjadi lewat gesekan dalam bantalan, dan sebagainya, dapat diabaikan, maka usaha yang dilakukan oleh kincir melawan air sama dengan hilangnya energi mekanika beban yang jatuh.

Bagian yang terakhir ini mudah diukur dengan menentukan jarak jatuhnya beban itu. Hasil eksperimen Joule dan eksperimen orang lain sesudahnya adalah bahwa dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanika (Joule) untuk menaikkan temperatur 1 gram air dengan 1 derajat Celcius. Hasil bahwa 4,18 J energi mekanika adalah ekivalen dengan 1 kal energi panas dikenal sebagai ekivalensi mekanis dari panas. Dari sejarah, adalah lazim untuk menyatakan energi panas dalam kalori dan kemudian menggunakan ekivalensi mekanis dari panas untuk mengubahnya ke satuan dasar energi mekanis. Sekarang, semua bentuk energi biasanya dinyatakan dalam satuan Joule.

Hukum pertama termodinamika adalah rumusan kekekalan dari energi. Energi panas yang diberikan pada sistem diperhitungkan sebagai usaha yang dilakukan oleh sistem atau sebagai kenaikan energi internal sistem atau sebagai kombinasi tertentu dari keduanya. Hukum pertama termodinamika berbunyi: "Total panas yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem tersebut".

percobaan termodinamika FISIKA

Praktikum Fisika Hukum Termodinamika SMAN 1 Lebong Utara