Termodinamika II

1.     Aplikasi Mesin Carnot Pada Mesin Bensin (Mesin Otto)

Ø Istilah-istilah untuk memahami prinsip kerja

1.    TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre): posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin

2.    TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre): posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin

Mesin bensin ada dua macam yaitu:

a.    Mesin empat langkah (empat tak)

Mesin empat tak, adalah mesin pembakaran dalam yang satu siklus pembakarannya mengalami empat langkah (piston) yang banyak digunakan pada mobil, motor, kapat, pesawat dll. Mesin empat tak, memiliki empat langkah yaitu: langkah pemasukan (hisap), kompresi, tenaga dan langkah buang. Langkah-langkah pada mesin empat tak:

·      Langkah ke 1, piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katub masuk terbuka dan katup keluar tertutup, mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian besar mesin bensin) terhisap masuk ke ruang bakar.

·      Langkah ke 2, piston bergerak dari TMB ke TMA dengan posisi kedua katup tertutup sehingga udara/gas terkompresi. Sesaat sebelum piston sampai TMA terjadi waktu penyalaan (timing ignition)

·      Langkah ke 3, gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan pada ruang bakar, sehingga piston bergerak terdorong dari TMA ke TMB. Langkah ini menghasilkan tenaga.

·      Langkah ke 4, piston bergerak dari TMB ke TMA dengan katup masuk tertutup sedang katup keluar terbuka, sisa gas pembakaran terdorong keluar menuju katup keluar (yang terbuka) dan diteruskan ke lubang pembuangan. (proses mesin 4 tak)

b.    Mesin dua langkah (dua tak)

Mesin dua tak, adalah mesin pembakaran yang dalam satu siklus pembakaran mengalami dua langkah dengan proses pemasukan (intake), kompresi, tenaga dan pembuangan juga terjadi. Di samping TMA dan TMB pada mesin 2 tak terdapat istilah:

-       Ruang bilas yaitu ruangan di bawah piston yang berfungsi untuk ruang gas hasil campuran udara, bahan bakar dan pelumas bisa tercampur merata

-       Pembilasan yaitu proses pengeluaran gas gas hasil pembakaran dan pemasukan gas untuk pembakaran dalam ruang bakar

Langkah-langkah pada mesin dua tak:

Langkah ke 1:

-       Piston bergerak dari TMA ke TMB, piston akan menekan ruang bilas di bawahnya

-       Pada titik tertentu piston (ring piston) akan melewati lubang gas pembuangan dan lubang gas pemasukan, (biasanya lubang pembuangan lebih dulu). Saat piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam ruang pembakaran keluar

-       Sedang saat piston melewati lubang pemasukan gas yang berada dalam ruang pembilasan tertekan dan terpompa masuk ruang pembakaran sekaligus menekan gas yang berada dalam ruang pembakaran keluar ke lubang pembuangan

-       Piston terus menuju ke ruang bilas sampai TMB sekaligus memompa gas dalam ruang bilas menuju ruang pembakaran

Langkah ke 2:

-       Piston bergerak dari TMB ke TMA, piston akan mengisap percampuran udara, bahan bakar dan pelumas ke dalam ruang bakar (percampuran dilakukan oleh karbuarator/sistem injeksi)

-       Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston akan menekan sampai TMA gas yang berada dalam ruang pembakaran

-       Sebelum sampai TMA terjadi waktu penyalaan (timing ignition) sehingga dihasilkan tenaga. Pembakaran terjadi sebelum TMA karena untuk pembakaran memerlukan waktu

Siklus Otto

Kerja pada siklus Otto:

Ø  Proses 1 – 2, kompresi adiabatis (dQ = 0)

Q = U + W                  dQ = dU + dW

dW = - dU                  W1 = - Cv ( T2 – T1)

Ø  Proses 2 – 3, isokoris (dV = 0 W = 0)

Q = U

Qin = Cv ( T3 – T2)

Ø  Proses 3 – 4, ekspansi adiabatis (dQ = 0)

W1 = - Cv ( T4 – T3)

Ø  Proses 4 – 1, isokorik (dV = 0)

Qout = Cv ( T1 – T4) panas ini dilepas ke lingkungan (terbuang)

Efisiensi mesin Otto:

Proses adiabatik (1-2) dan (3-4)

2.     Aplikasi Refrigator Carnot Pada Kulkas

Ada dua perumusan untuk Hukum kedua Termodinamika, yaitu : 1. Rumusan Kelvin Planck Menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus secara terus menerus, menerima kalor dari suatu reservoir dan mengubah kalor tersebut seluruhnya menjadi usaha luar. 2. Rumusan Clausius Menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang bekerja menurut satu siklus, mengambil kalor dari reservoir bersuhu rendah dan memberikannya pada tandon bersuhu tinggi tanpa dilakukan kerja dari luar. Hukum kedua termodinamika dirumuskan untuk menyatakan pembatasan-pembatasan yang berhubungan dengan pengubahan kalor menjadi kerja, dan juga untuk menunjukkan arah perubahan proses di alam. Dalam bentuknya yang paling umum, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan mempergunakan suatu fungsi keadaan yang disebut entropi. Jika ΔS as ialah perubahan entropi yangterjadi di alam semesta, maka bagi setiap proses spontan berlaku, ΔS as > 0.

Dengan memandang alam semesta itu sebagai sistem dan lingkungan, maka dapat pula dikatakan bahwa untuk semua proses spontan berlaku, ΔS Sistem + ΔS lingkungan > 0 dengan ΔS sistem ialah perubahan entropi sistem dan ΔS lingkungan ialah perubahan entropi lingkungan. Ukuran penampilan dari sebuah mesin pendingin disebut koefisien performansi (diberi lambang Cp). Koefisien performansi merupakan hasil bagi kalor Q2 yang dipindahkan dari reservoir dingin dengan usaha W yang dibutuhkan untuk memindahkan kalor ini.

Kulkas menjadi salah satu kebutuhan yang krusial bagi rumah tangga masyarakat Indonesia di masa sekarang. Kulkas umumnya digunakan untuk menyimpan bahan makanan mentah, sayur-sayuran, buah-buahan, minuman kaleng, dan es krim agar tidak membusuk, tahan lama, dan tetap terjaga awet di dalam suhu yang telah dikondisikan. Kulkas adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas.

Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya. Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi Th (ruangan).

Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Qh dikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (QL) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali.

Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna.

Jadi kesimpulannya, kulkas menggunakan penerapan Hukum kedua Termodinamika, dan bisa dikatakan kulkas menggunakan salah satu konsep Termodinamika.

1. Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas

Pertama-tama, dengan adanya aliran listrik, kompresor akan bekerja menghisap gas refrigeran yang bersuhu dan bertekanan rendah dari saluran hisap dan evaporator. Kompresor kemudian memampatkan gas refrigeran sehingga menjadi uap/gas bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Gas tersebut dipaksa keluar oleh kompresor memasuki kondensor yang dingin. Gas refrigeran yang panas dan bertekanan tinggi tersebut di dalam kondensor akan didinginkan oleh udara di luar 15 lemari es (panas berpindah dari kondensor ke lingkungan luar) sehingga suhunya turun, mencapai suhu kondensasi (pengembunan) dan wujudnya berubah menjadi cair, tapi tekanannya tetap tinggi.

Refrigeran ini kemudian mengalir ke dalam penyaring (strainer dan drier), lalu masuk ke dalam pipa kapiler yang berdiameter kecil dan panjang sehingga tekanannya turun drastis dari pipa kapiler, refrigeran cair yang tekananya sudah sangat rendah ini selanjutnya memasuki ruang evaporator yang memiliki tekanan yang rendah hingga vakum, sehingga titik didihnya semakin rendah. Oleh sebab itu, refrigeran segera berubah wujud menjadi gas.

Skematik komponen – komponen lemari es. Bagian belakang lemari es tempat terjadinya pertukaran panas antara refrigeran dengan lingkungan

Untuk dapat menguap di dalam evaporator, refrigeran memerlukan kalor. Oleh karena refrigeran memiliki kalor laten penguapan yang besar, kalor diserap dari sekeliling evaporator, yaitu isi lemari es. Kerja ini diperkuat oleh adana daya hisap kompresor yang menyebabkan molekul-molekul gas refrigeran mendapat percepatan sehingga bergerak melesat sepanjang evaporator sambil mengambil panas dari sekelilingnya dengan efek resultan isi lemari es menjadi dingin.

Selanjutnya gas refrigeran memasuki akumulator untuk dipisahkan dengan refrigeran yang masih berwujud cair. Hanya refrigeran yang berwujud gas yang boleh memasuki saluran hisap, kemudian kembali lagi ke kompresor untuk dimampatkan, kemudian dipompakan lagi ke kondensor, begitu seterusnya.

Selain cooling cycle, lemari es juga memiliki kerja pendukung yaitu mencairkan es (defrost). Bila defrost tidak berfungsi, maka bunga es akan semakin menumpuk di luar pipa evaporator sehingga akhirnya daya mendinginkan akan semakin berkurang.

Kerja mencairkan es di evaporator dikerjakan oleh defrost heater (pemanas listrik) yang dibantu oleh komponen-komponen listrik kecil yang membentuk rangkaian listrik dengan berbagai variasi rangkaian , namun memiliki prinsip kerja yang sama, yaitu mengatur waktu pendinginan dan pencairan es secara bergantian agar tercapai pendinginan yang optimal di dalam lemari es.

2. Jenis Aliran Udara Pendingin

Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam :

a.    Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atas dekat evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dingin akan mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari es karena berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalir naik ke atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingin dan berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah.

b.    Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakai fan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian dari lemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan melalui evaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran atau cerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es.