37

Click here to load reader

makalah termodinamika

Embed Size (px)

DESCRIPTION

termodinamika

Citation preview

Page 1: makalah termodinamika

Tujuan Pembelajaran : Setelah mempelajari Hukum II termodinamika:

1. Diharapkan mahasiswa dapat mengetahui hukum II termodinamika.2. Diharapkan mahasiswa dapat memahami mesin kalor dan mesin pendingin secara konsep.3. Diharapkan mahasiswa dapat mengetahui siklus dan persyaratannya.4.

Dalam materi sebelumnya telah dibahas mengenai Hukum termodinamika I yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain . Prinsip tersebut juga di kenal dengan istilah konservasi energy, yang berlaku untuk sistem tertutup dan terbuka. Coba perhatikan secangkir kopi panas ditaruh dalam suatu ruangan, maka akan dengan sendirinya kopi tersebut akan menjadi dingin. (Dalam kasus tersebut, hukum termodinamika pertama telah terpenuhi karena energi yang dilepaskan kopisebanding dengan energi yang diterima oleh lingkungan. Tetapi jika dibalik secangkir kopi menjadi panas dalam sebuah ruangan yang dingin, kita tahu bahwa hal tersebut tidak akan terjadi. Atau kita ambil contoh lain, seperti tahanan panas memanaskan sebuah ruangan, jika dibalik, kita memberikan panas pada ruangan, maka tidak mungkin arus akan mengalir dengan arah terbalik dan menghasilkan energi yang sama dengan energi yang dihasilkan listrik sebelumnya. Dari contoh diatas jelas bahwa proses berjalan dalam suatu arah tertentu tidak sebaliknya. Suatu proses yang telah memenuhi hukum termo I, belum tentu dapat berlangsung. Diperlukan suatu prinsip selain hukum termo I untuk menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung, yang dikenal dengan hukum termo II. Atau dengan kata lain suatu proses dapat berlangsung jika memenuhi hukum termo I dan termo II.

Kegunaan hukum termo II tidak terbatas hanya pada mengidenfikasi arah dari suatu proses, tetapi juga bisa untuk mengetahui kualitas energi (hukum I berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi) ; menentukan batas toeritis unjuk kerja suatu sistem ; dan memperkirakan kelangsungan reaksi kimia ( degree of completion of chemical reaction)

Hukum pertama termodinamika hanya mengatakan bahwa energy yang dihasilkan suatu mesin dalam bentuk energi mekanis sama dengan selisih antara energy yang diserap dan yang terbuang dalam bentuk kalor. Hukum ini tidak memberikan batasan arah aliran kerja dan kalor. Dengan hukum pertama saja kita dapat menentukan berapa besar energy yang diserap diubah menjadi energy mekanis

Kedua hal tersebut diatas menunjukkan bahwa tinjauan hukum pertama saja tidak mencukupi untuk menyatakan peristiwa dapat terjadi atau tidak sehingga perlu dirumuskan suatu hukum untuk melengkapinya. Hukum ini disebut hukum kedua termodinamika.

Hukum pertama termodinamika mendefinisikan besaran energi dalam U. Dengan definisi ini, kita dapat menggunakan hukum pertama secara kuantitatif untuk menganalisis suatu proses. Hukum kedua termodinamika juga mendefinisikan suatu besaran lain yang serupa. Dengan besaran ini kita dapat menggunakan hukum kedua secara kuantitatif untuk menganalisis suatu proses. Besaran ini akan kita sebut dengan entropi S. Energi dalam dan juga entropi keduanya merupakan konsep dasar untuk memberikan suaru pengamatan tertentu dalam termodinamika.

5. MESIN KALOR DAN MESIN PENDINGIN.

Page 2: makalah termodinamika

Pada sub bab ini akan di bahas siklus mesin kalor dan mesin pendingin. Untuk setiap kasus yang diberikan, pada saat sistem menjalani siklus terjadi interaksi termal antara tandon dingin dan tandon kalor. Kedua tandon ini berada di sekitar sistem yang menjalani siklus.

a. SIKLUS DAN PERSYARATANNYA

Seperti yang kita lihat sehari-hari hamper semua proses yang terjadi dengan spontan berjalan ke suatu arah tertentu dan pasti. Secangkir teh panas mendingin setelah memberikan kalor ke lingkungannnya, tetapi tidak mungkin teh menjadi panas kembali dengan sendirinya (spontan) dengan mengambil kalor dari lingkungannya. Semangkok es mencair dengan mengambil kalor dari lingkungan, teteapi air tidak akan membeku kembali denngan sendirinya. Dua buah batuk digosok-gosokkan lama-kelamaan benda akan terasa panas karena kerja yang dilakukan untuk melawan gesekan diubah menjadi energy dalam yang menimbulkan kenaikan dari batu tersebut, berdasarkan pengalaman proses sebaliknya tidak akan terjadi secara spontan yaitu perubahan kalor menjadi kerja kembali. Dalam setiap contoh yang dikemukakan ,sistem dapat saja dikembalikan ke keadaan semula tetapi dengan proses spontan. Untuk mempelajari proses kebalikannya yaitu bagaimana kalor dapat mengalir dari benda yang bersuhu lebih rendah ke benda bersuhu lebih tinggi atau bagaimana kalor diubah menjadi kerja, kita harus memiliki sebuah siklus. Siklus adalah proses atau sederetan proses yang dapat mengembalikan sistem ke keadaan semula.

Contoh di atas menuntun kita pada pemikiran mesin kalor dan mesin pendingin dan juga diacu sebagai pompa kalor. Dengan mesin kalor kita dapat mempunyai sistem yang bekerja dalam siklus dan menghasilkan kerja positif neto. Dengan menggunanakan pompa kalor kita dapat mempunyai sistem yang bekerja dalam siklus dan kalor dapat dipindahkan dari suhu rendah ke suhu tinggi meskipun kerja dibutuhkan untuk melakukan ini. Unjuk kerja dari sebuah siklus termodinamik membutuhkan beberapa persyaratan yaitu:

1. Zat kerja 2. Sebuah mesin3. Tandon kalor bersuhu tinggi4. Tandon kalor bersuhu rendah 5. Pompa.

Siklus termodinamik digolongkan menjadi dua yaitu siklus terbuka dan siklus tertutup. Siklus terbuka adalah siklus yang menggunakan atmosfer untuk melengkapi atau menutupi siklus. Sebagai contoh, pembakaran siklus mesin yang menggunakan oksigen dari udara atmosfer uutuk pembakaran dan hasil buangan dikembalikan ke atmosfer. Siklus dikatakan tertutup apabila zat kerja tidak pernah meninggalakan sistem kecuali terjadi kebocoran. Sebagai contoh dari siklus yang ditunjukkan gambar.

Page 3: makalah termodinamika

Dalam siklus ini air dipompa ke dalam boiler untuk diubah menjadi uap. Kemudian uap dialirkan ke turbin dan sebagian kalor akan diubah menjadi kerja (poros) mekanis. Sebagian uap yang tidak mampu di konversi menjadi kerja meninggalkan turbin melalui kondensor, disini uap diubah menjadi air. Pompa menggunakan sebagian kerja mekanis yang dihasilkan oleh turbin untuk memompa air masuk ke boiler. Sebuah sistem yang mengalami siklus,perubahan energy nettonya sama dengan nol karena setelah satu siklus sistem akan kembali ke ke keadaan semula. Kesetimbangan energy untuk sistem yang mengalami siklus termodinamika.

(1)

Untuk siklus sehingga

(2)

Persamaan (2) memberikan prinsip kekekalan energy yang harus dipenuhi oleh setiap siklus termodinamika.

MESIN KALOR

Mesin kalor didefinisikan sebagai alat/divais yang mengubah kalor menjadi energy mekanis atau lebih tepat suatu sistem yang bekerja secara terus-menerus dan hanya kalor dan usaha yang dapat melalui permukaan batasnya.

Beberapa contoh dari mesin kalor adalah mesin carnot, mesin Brayton, mesin otto (mesin bakar). Mesin Rankine, dan mesin disel. Pada mesin kalor selalu terdapat dua buah tandon. Tandon yang memberikan kalor besar disebut tandon kalor. Sedang tandon lainnya disebut tandon dingin. Tandon dingin ini berfungsi menyerap kalor dengan dalam jumlah yang besar tanpa terjadi perubahan panas yang berarti.

Page 4: makalah termodinamika

Seperti kita ketahui kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas. Seperti misalnya pengaduk air. Kerja dapat kita berikan pada poros pengaduk sehingga temperatur naik. Tetapi sebaliknya, jika kita memberikan panas pada air, maka poros tidak akan berputar. Atau dengan kata lain, jika memberikan panas pada air, maka tidak akan tercipta kerja (poros). Dari pengamatan di atas, konversi panas menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan dengan mesin kalor (heat engines)Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut :

1. Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).

2. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam dalam bentuk poros yang berputar)

3. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.

Mengacu pada karakteristik di atas, sebenarnya motor bakar dan turbin gas tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena fluida kerja dari motor bakar dan turbin gas tidak mengalami siklus termodinamika secara lengkap.

Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili definisi dari mesin kalor adalah pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran luar dimana fluida kerja mengalami siklus termidinamika yang lengkap.

Perubahan energy dalam dalam mesin kalor secara skematis diberikan pada gambar di atas. Lingkaran menggambarkan mesinnya sendiri. Kalor Qp yang diberikan kepada mesin oleh tandon kalor adalah sebanding dengan luas penampang pipa. Kalor QD yang terbuang melalui saluran pembuangan ke tandon dingin berbanding lurus dengan luas penampang pipa keluar. Sebagian kalor diubah menjadi kerja mekanis W yang dilukiskan pada pipa cabang kekanan. Jadi Qp adalah kalor yang diserap oleh mesin dan QD adalah kalor yang dibuang oleh mesin per siklus. Kalor netto yang diserap adalah ;

Kalor yang diserap dari tandon kalor biasanya diperoleh dari pembakaran bahan bakar.

Page 5: makalah termodinamika

Dengan menggunakan hukum pertama untuk satu siklus lengkap dan dengan mengingat tidak ada perubahan neto energy dalam,kita peroleh:

(siklus daya)

Siklus yang menghasilkan kerja neto yang dipindahkan ke lingkungan pada setiap siklus disebut siklus daya.

Mesin kalor secara ideal mempunyai efisiensi n;

(3)

Nilai dari efisiensi tidak pernah lebih besar 1 (atau 100%). Pada mesin nyata, nilai efisiensi selalu kurang dari satu. Hal ini menunjukan bahwa tidak semua kalor yang diserap di ubah menjadi kerja.

MESIN PENDINGIN.

Siklus kerja mesin pendingin berkebalikan dengan mesin kalor. Diagram alir mesin pendingin diberikan gambar dibawah ini.

Gambar. Diagram alir mesin pendingin.

Dan

Mesin pendingin mengambil kalor dari tandon dan kompresor memberikan kerja mekanis, dan kemudian kalor dibuang ke tandon kalor. Pada lemari es yang biasa digunakan di rumah, makanan dan es batu sebagai tandon dingin dan udara dimana lemari es ditempatkan sebagai tandon kalor dan kerja dilakukan oleh kompresor.

Page 6: makalah termodinamika

Untuk satu kali siklus,kalor QD diambil dari tandon dingin dan kerja dilakukan pada mesin pendingin W dan membuang Qp ke tandon kalor, W dan Qp keduanya besaran negative, berdasarkan hukum pertama, jadi pemakaian kerja mekanis

Persamaan ini berlaku untuk siklus refrijerasi maupun siklus pompa kalor namun tujuan kedua siklus berbeda. Refrijerasi digunakan untuk mendinginkan ruangan atau untuk menjaga suhu dalam rumah lebih rendah dari suhu sekitarnya. Sedangkan pompa kalor digunakan untuk memanaskan ruangan, atau untuk menjaga agar suhu ruangan lebih tinggi dari suhu sekitarnya. Unjuk kerja dari kedua buah siklus ini diberikan oleh besarnya koefisien kinerjanya.

Siklus Refrijerasi.

koefisien kinerja didefinisikan sebagai nisbah antara jumlah kalor yang diserap oleh sistem

dari tandon dingin dengan jumlah kerja yang dilakukan pada sistem dalam satu siklus atau dituliskan sebagai;

(4)

Untuk refrijerasi di rumah, dilepas di ruangan di mana mesin pendingin itu berada. W

digunakan untuk menggerakkan motor listrik refrijerator.

Siklus Pompa Kalor.

Pompa kalor adalah suatu alat yang mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Tujuan dari mesin pendingin adalah untuk menjaga ruang refrigerasi tetap dingin dengan meyerap panas dari ruang tersebut. Tujuan pompa kalor adalah menjaga ruangan tetap bertemperatur tinggi. Proses pemberian panas ruangan tersebut disertai dengan menyerap panas dari sumber bertemperatur rendah.

Koefisien kinerja pompa kalor didefinisikan sebagai nisbah antara kalor yang dilepaskan

dari sistem ke tandon kalor dengan kerja neto yang dilakukan pada sistem dalam satu siklus atau dituliskan sebagai:

(5)

Page 7: makalah termodinamika

Dari persamaan di atas tampak bahwa koefisien kerja tidak pernah kurang dari satu. Untuk

pompa kalor di rumah, kalor diambil dari udara, tanah , atau perairan di sekitar. W umumnya

menggunakan motor listrik.

PERNYATAAN HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA.

Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua - pernyataan Kelvin -Plank, yang diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan Clausius, yang diperuntukkan untuk mesin pendingin/pompa kalor.

PERNYATAAN CLAUSIUS CLAYPERON DAN KELVIN-PLANCK.

a. Pernyataan Clausius dapat di ungkapkan sebagai berikut :

Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media

bertemperatur tinggi.

Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur rendah. Pernyataan Clausius tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang dapat memindahkan panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi asalkan ada efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan/diwakili oleh kompresor yang mendapat energi dari energy listrik misalnya.

b. Pernyataan Kelvin-Planck dapat di ungkapkan sebagai berikut:

Tidak mungkin seluruh kalor yang diserap oleh suatu sistem, seluruhnya diubah menjadi usaha/kerja.

Pernyataan Clausius pada dasarnya menyatakan bahwa untuk memindahkan kalor dari tandon dingin ke tandon kalor diperlukan kerja/ usaha oleh “sistem perantara”. Sedang pernyataan Kelvin-Planck pada dasarnya menyatakan bahwa perubahan kalor menjadi kerja tidak dapat terjadi 100%. Jadi selalu ada kalor yang terbuang. Hukum yang didasarkan pada dua pernyataan ini disebut Hukum Kedua Termodinamika.

Hukum kedua termodinamika merupakan hukum alam. Bahwa kerja dapat diubah menjadi kerja seluruhnya akan tetapi,kalor tidak dapat diubaha menjadi kerja secara keseluruhan. Peristiwa ini menunjukan bahwa kesatuarahan proses alam. Seandainya hukum kedua ini tidak benar maka orang dapat menggerakan kapal dengan mengambil kalor dari lautan. Semua proses spontan dari alam dapat dipelajari dari hukum kedua ini. Kalor selalu mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah.

Page 8: makalah termodinamika

Garam dapat larut dengan sendirinya tetapi garam tidak akan memisah dengan sendiriya dari air garam. Dan semuanya menunjukan contoh proses ireversibel yang terjadi secara alami.

KESETARAAN PERNYATAAN CLAUSIUS CLAYPERON DAN KELVIN-PLANCK.

Gambar 1a menunjukkan mesin pendingin yang menentang pernyataan Clausius dimana kerjanya sama dengan nol (W=0) dan mesin kalor biasa. Kita gunakan mesin pendingin “sempurna” ini serempak dengan mesin kalor biasa. Mesin pendingin “sempurna” menerima sejumlah kalor QD

dari tandon dingin dan membuangnya dengan jumlah yang sama QD ke tandon kalor. Mesin kalor mengambil sejumlah kalor QP dipindahkan dari tandon kalor ke mesin kalor dan kemudian membuang kalor sebesar QD maka kerja yang dilakukan W = QP - QD, diusahakan agar seluruh kalor yang dibuang oleh mesin kalor diserap seluruhnya oleh mesin pendingin. Jadi tidak ada kalor neto yang dibuang ke tandon dingin. Hal ini berarti tandon dingin tidak diperlukan, maka gabungan mesin pendingain “sempurna” dan mesin kalor biasa membentuk mesin kalor yang menentang pernyataan Kelvin-Planck karena kalor yang diserap seluruhnya diubah menjadi kerja, ditunjukkan gambar 1b.

Jika argumen dibalik, kita dapat mempunyai mesin kalor yang menentang pernyataan Kelvin-Planck yang disebut saja mesin kalor “sempurna”. Mesin ini menyerap kalor sebesar QP dari tandon kalor dan mengubah seluruhnya menjadi kerja (W = QP). Dengan menghubungkan mesin kalor “sempurna” dengan mesin pendingin biasa, maka kerja dapat digunakan untuk menjalankan mesin pendingin, mengambil kalor QD dari tandon dingin dan memindahkan kalor QD bersama-sama dengan kerja yang telah diubah menjadi oleh mesin pendingin ke tandon kalor. Jadi kalor neto yang diserap oleh tandon kalor sama dengan QD (=QP + QD - QP). Maka gabungan mesin kalor “sempurna”. Dengan mesin pendingin biasa membentuk mesin pendingin yang menentang

Gambar 1. (a) Mesin pendingin “sempurna” dan mesin kalor biasa (b) hasil akhir gabungan.

pernyataan Clausius, karena kalor yang diserap mesin pendingin dari tandon dingin sama dengan kalor yang dibuang ke tandon kalor (=QD) tanpa kerja dari luar,ditunjukkan gambar 2a-b

Page 9: makalah termodinamika

Gambar 2. (a) Mesin kalor “sempurna” dan mesin pendingin biasa. (b) Hasil akhir gabungan.

PROSES REVERSIBEL DAN IREVERSIBEL

Jika kita tidak mungkin mendapatkan mesin dengan efisiensi 100% dari mesin kalor, berapakah efisiensi maksimum yang dapat kita peroleh?. Langkah pertama untuk menjawab pertanyaan ini adalah mendefinisikan suatu proses ideal yang disebut proses reversible. Dan kemudian membandingkan dengan suatu peralatan riil yang bekerja pada keadaan riil.

Proses reversible didefinisikan sebagai serangkaian proses yang berlangsung pada suatu sistem yang pada akhirnya mengembalikan keadaan sistem ke keadaan semula tanpa perubahan pada keadaan sistem-sistem yang lain atau sekelilingnya. Proses yang tidak memenuhi syarat tersebut disebut proses ireversibel. Ireversibelitas proses dapat terjadi di dalam sistem , sekitarnya atau keduanya. Ireversibelitas yang terjadi di dalam sistem disebut Ireversibelitas internal dan Ireversibelitas yang terjadi disekitar sistem disebut Ireversibelitas eksternal.

Proses reversible adalah murni dan bersifat hipotesis. Proses reversible harus memenuhi kriteria berikut:

1. Tidak ada gesekan internal atau mekanis2. Perbedaan suhu dan tekanan antara zat kerja dan lingkungan harus infinitesimal. 3. Pemampatkan atau pemuaian yang terbatas.4. Aliran arus listrik melalui tahanan adalah nol.5. Reaksi kimia yang terbatas.6. Magnetisasi ,polarisasi7. Pencampuran dua sampel zat yang sama pada keadaan yang sama.

Hampir semua proses actual adalah ireversibel. Proses ireversibel adalah proses yang berlangsung dengan sangat sempurna dan tak pernah terjadi. Meskipun demikian terdapat beberapa proses yang dapat diamsumsikan secara internal mendekati reversible, contohnya adalah proses dalam silinder dengan piston yang dapat bergerak. Zat kerja dalam kesetimbangan dan dikatakan zat kerja mengalami proses reversibel secara internal. Akan tetapi, prosesnya ireversibel secara eksternal karena lingkungan mengalami perubahan keadaan yang tidak pernah dapat dikembalikan lagi.

Akan tetapi apabila piston bergerak tanpa gesekan dalam silinder dan gerakkannya dilakukan secara perlahan agar rugi-rugi kekentalan dapat diabaikan. Kerja dilakukan pada gas akan sama

Page 10: makalah termodinamika

dengan energy mekanis yang diterima oleh lingkunga. Selian itu, energy mekanis yang diterima oleh lingkungan dapat disimpan dan digunakan untuk mengembalikan sistem dan lingkungan kembali ke keadaan semula secara internal maupun eksternal.

Banyak peralatan lain yang dapat dibuat mendekati proses reversibel. Misalnya, pada peralatan digunakan pelumas untuk mengurangi gesekan sehingga mengurangi ireversibelitas proses.

Namun tidak semua proses dapat diamsumsikan reversibel secara internal seperti proses dalam mesin turbo. Ireversibelitas dari proses ini desebabkan adanya derajad turbelasi yang tinggi dari zat kerja.

Gambar. Pegas dan massa di atas bidang licin sempurna.

Pegas diikat dengan diikat dengan benda bermassa m dan proses ekspansi adalah dua contoh yang masing-masing merupakan contoh proses yang terjadi secara reversibel dan ireversibel.

Pegas diikat dengan benda bermassa m. Proses gerakan benda yang mengalami pergerakkan pada bidang licin adalah reversibel karena keadaan dapat dicapai tanpa mengubah sistem lain, di tunjukan pada gambar.(Pegas dan massa di atas bidang licin sempurna. Pada umumnya, semua gerakan pada proses mekanis murni tanpa gesekan adalah proses reversibel.

Proses ekspansi bebas. Kita ingat bahwa pada proses ekspansi bebas taka da perubahan suhu dan energy dalam,taka ada kerja yang dilakukan, dan taka da kalor yang diserap. Kemudian keadaan kita

Page 11: makalah termodinamika

PENERAPAN HUKUM II TERMODINAMIKA.

2.1. MESIN CARNOT

Menurut hukum II Termodinamika, tak mungkin didapatknan mesin panas yang bekerja antara dua tandon panas dengan efisiensi 100 persen. Carnot menemukan bahwa semua mesin reversibel yang bekerja antara dua tandon panas mempunyai efesiensi yang sama dan bahwa tidak ada mesin yang dapat mempunyai yang lebih besar daripada efesiensi mesin reversibel. Hasil ini dikenal sebagai teorema Carnot yaitu :

“tidak ada mesin yang bekerja di antara dua tandon panas yang tersedia yang dapat lebih efesien daripada mesin reversibel yang bekerja di antara kedua tandon itu”.Beberapa syarat yang diperlukan agar proses bersifat reversibel:

1. Tidak ada energi mekanik yang dapat hilang karena gesekan, gaya viskos, atau gaya disipatif lain yang menghasilkan panas.

2. Tidak ada konduksi panas karena beda temperatur.3. Proses harus kuasi-statik agar sistem selalu dalam keadaan setimbang (atau sangat

dekat dengan keadaan setimbang).

Page 12: makalah termodinamika

Tiap proses yang melanggar salah satu kondisi diatas merupakan proses irriversibel. Kebanyakan proses yang terjadi di alam bersifat irriversibel.

Carnot, dalam tahun 1824, adalah orang yang pertama kali memperkenalkan suatu proses siklik kedalam teori termodinamika yang sekarang dikenal sebagai siklus Carnot. Carnot terutama sekali tertarik di dalam meningkatkan mesin uap. Usaha Carnot ini dapat dikatakan sebagai landasan pengetahuan tentang termodinamika.

Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan system yang bersifat apapun. Boleh zat padat, cair atau gas, atau juga saput permikaan (surface film), atau zat paramagnetic. Bahkan system boleh juga mengalami perubahan fase selama siklus tersebut. Dan mesin reversibel yang memakai gas ideal sebagai zat kerjanya , dikenal dengan istilah yaitu siklus Carnot.

Siklus Carnot

. Gambar 1.1 siklus Carnot untuk gas ideal.

Sumber: wattsupwiththat.com Mechanical Efficiency of Heat Engines: James R. Senft: 9780521169288: Amazon.com: Books

Siklus dimulai pada keadaan 1 dengan absorsi panas isotermal kuasi-statik dari tandon panas pada temperatur Th. kerena panas diserap secara isotermal, proses dapat dibalik tanpa melanggar hukum kedua Termodinamika. Usaha dilakukan oleh gas ketika berekspansi ke keadaan 2. Dari keadaan 2 ke keadaan 3, gas berekspansi secara adiabatik, artinya tanpa pertukaran panas. Jika ekspansi ini dilakukan secara kuasi statik, maka proses ini bersifat reversibel. Lebih banyak usaha dikerjakan oleh gas, dan temperatur gas turun menjadi Tc. bagian ketiga siklus ini adalah kompresi isotermal pada temperatur Tc, dari keadaan 3 ke keadaan 4. Selama tahapan siklus ini, usaha dilakukan pada gas, dan panas │Qc│ dibuang ke tandon dingin pada temperatur Tc. bagian terakhir siklus ini adalah kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan awal 1. Usaha kembali dilakukan selama kompresi ini. Usaha neto yang dilakukan selama siklus ini dinyatakan oleh luasan bayang-bayang dalam gambar.

Dengan cara yang sama, panas yang dibuang ke tandon dingin sama dengan usaha yang dilakukan pada gas sealama kompresi isotermal pada temperatur Tc dari keadaan 3 ke keadaan 4.

Page 13: makalah termodinamika

Usaha ini besarnya sama dengan usaha yang dilakukan oleh gas jika mengembang dari keadaan 4 ke keadaan 1.

Kita dapat menghubungkan volume V1, V2, V3,dan V4 dengan menggunakan persamaan untuk ekspansi adiabatik kuasi-statik:Dengan menggunakan persamaan ini pada ekspansi dari keadaan 2 ke keadaan 3, kita mendapatDengan cara yang sama, untuk kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan 1, kita mendapatkanDengan membagi kedua persamaan ini, kita dapatkan

Dengan demikian, = . Selanjutnya ln( )= ln( ), sehingga kita dapat meniadakan suku logaritmik

pada persamaanPersamaan diatas berlaku untuk tiap mesin reversibel yang bekerja di antara tandon dengan

temperatur Th dan Tc. mesin ini menghasilkan efesiensi terbesar yang mungkit untuk mesin yang bekerja di antara temperatur-temperatur ini. Tidak ada mesin yang dapat mempunyai efisiensi carnot, mesin dengan efisiensi yang lebih besar dari mesin ini akan melanggar hukum II Termodinamika.

2.2. MESIN KALOR Mesin kalor adalah suatu alat yang mempertukarkan kalor dengan lingkungannya dan melakukan usaha berulang-ulang secara terus-menerus dalam suatu rangkaian proses.

Gagasan dasar di balik mesin kalor adalah bahwa energi mekanik bisa didapat dari energi termal hanya ketika kalor dibiarkan mengalir dari temperature tinggi ke temperature yang lebih rendah. dalam proses ini, sebagian kalor dapat diubah menjadi kerja mekanik. Artinya, masukan kalor Qh pada temperatur tinggi Th sebagian diubah menjadi kerja W dan sebagian dibuang sebagai kalor QL pada temperatur yang lebih rendah TL. dengan kekekalan energi , Qh = W + QL. temperature tinggi Th dan temperature rendah TL disebut temperature operasi mesin. Efisiensi e dari mesin kalor dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja yang dilakukan W terhadap masukan kalor pada temperature tinggi Th.

Perlu diketahui bahwa kita hanya meninjau mesin kalor yang melakukan kerja secara terus menerus. Agar kerja bisa dilakukan secara terus menerus maka kalor harus mengalir secara terus menerus dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Jika kalor hanya mengalir sekali saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi mekanik yang dihasilkan sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita manfaatkan secara optimal. Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan kerja secara terus menerus. Dengan kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor cukup banyak sehingga bisa kita gunakan untuk menggerakkan sesuatu.

a. Mesin BensinMesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran

dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis.

Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi,

Page 14: makalah termodinamika

keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar seproporsional mungkin. Hal ini dsebut EFI

Mesin bensin sering digunakan dalam :

1. Sepeda motor.2. Mobil.3. Pesawat.4. Mesin untuk pemotong rumput5. Mesin untuk speedboat dan sebagainya.

Tipe-tipe mesin bensin berdasarkan siklus proses pembakaran adalah :

1. Mesin satu tak, setiap langkah piston terjadi proses pembakaran.2. Mesin dua tak, memerlukan dua langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.3. Mesin empat tak, memerlukan empat langkah piston dalam satu siklus proses

pembakaran.4. Mesin enam tak, memerlukan enam langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.5. Mesin wankel (rotary engine/wankel engine). memerlukan satu putaran penuh rotor dalam

satu siklus pembakaran.

Tiga syarat utama supaya mesin bensin dapat berkerja :

1. Kompresi ruang bakar yang cukup.

2. Komposisi campuran udara dan bahan bakar yang sesuai.

3. Pengapian yang tepat (besar percikan busi dan waktu penyalaan/timing ignition)

Sistem-sistem dalam mesin bensin mencakup :

1. Sistem bahan bakar (fuel system).2. Sistem pengapian (ignition system).3. Sistem pemasukan udara dalam ruang bakar (intake system).4. Sistem pembuangan udara hasil pembakaran (exhaust system).5. Sistem katup (valve mechanism)6. Sistem pelumasan (lubricating system)7. Sistem pendinginan (cooling system).8. Sistem penyalaan (starting system).

Siklus Otto

Page 15: makalah termodinamika

Ini adalah gambar mesin pembakaran dalam empat langkah alias 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 alias 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 diulangi.

Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada

tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = ) 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 si 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… Panas timbul akibat adanya gesekan.

Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah… (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin).

Page 16: makalah termodinamika

Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (d-a).

Siklus Diesel

Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada langkah awal kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik = penekanan yang dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor alias panas tidak sempat mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk kasus ini adalah silinder). Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap bensin, maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja… Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, si solar langsung terbakar… Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram di bawah… bandingkan dengan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram siklus otto

Page 17: makalah termodinamika

Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal alias sempurna… Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d-a). Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknik-otomotifan.Gurumuda hanya memberimu pengetahuan dasar saja.

Dari penjelasan yang bertele-tele di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin bensin adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.

Prinsip KerjaPrinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia

di dapatkan melalui proses reakasi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pada motor diesel ruang bakarnya bisa terdiri dari satu atau lebih tergantung pada penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.

Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi. Berdasarkan cara menganalisa sistim kerjanya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistim airless injection (solid injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistim air injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan siklus otto).Gambar 1.6. siklus pada mesin diesel

Pada mesin Diesel, dibuat ”ruangan” sedemikian rupa sehigga pada ruang itu akan terjadi peningkata suhu hingga mencapai ”titik nyala” yang sanggup ”membakar” minyak bahan bakar. Pemampatan yang biasanya digunakan hingga mencapai kondisi ”terbakar” itu biasanya 18 hingga 25 kali dari volume ruangan normal. Sementara suhunya bisa naik mencapai 500 oC . Cara kerjanya mudah, minyak solar yang sudah dicampur udara (seperti yang keluar dari semprotan obat nyamuk) disemprotkan ke dalam ruangan yang telah ”mampat” dan bersuhu tinggi, sehingga dapat langsung membuat ”kabut solar” tadi meledak dan mendorong ”piston” yang kemudian akan menggerakkan poros-poros roda, singkatnya menjadi TENAGA. Kejadian ini berulang-ulang dan tenaga yang muncul pun dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan mobil, generator listrik, dan sebagainya.

Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan

Page 18: makalah termodinamika

penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection).

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.

Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen : Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin selalu para putaran yang diinginkan. Apabila putaran mesin turun terlalu banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun sehingga peralatan listrik tidak dapat berkerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila putaran mesin terlalu tinggi maka bisa mengakibatkan over voltage yang bisa merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai tujuan ini melalui elektronik kontrol modul (ECM) atau elektronik kontrol unit (ECU) – yang merupakan “komputer” dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.

Keunggulan dan kelemahan mesin diesel dibanding dengan mesin busi-nyala (mesin bensin)

Untuk keluaran tenaga yang sama, ukuran mesin diesel lebih besar daripada mesin bensin karena konstruksi besar diperlukan supaya dapat bertahan dalam tekanan tinggi untuk pembakaran atau penyalaan. Dengan konstruksi yang besar tersebut penggemar modifikasi relatif mudah dan murah untuk meningkatkan tenaga dengan penambahan turbocharger tanpa terlalu memikirkan ketahanan komponen terhadap takanan yang tinggi. Mesin bensin perlu perhitungan yang lebih cermat untuk modifikasi peningkatan tenaga karena pada umumnya komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat untuk modifikasi mesin dengan biaya murah.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin bertujuan meningkatkan jumlah udara yang masuk dalam ruang bakar dengan demikian pada saat kompresi akan menghasilkan tekanan yang tinggi dan pada saat penyalaan atau pembakaran akan menghasilkan tenaga yang besar. Penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin diesel tidak berpengaruh besar terhadap pemakaian bahan bakar karena bahan bakar disuntikan secara langsung ke ruang bakar pada saat ruang bakar dalam keadaan kompresi tertinggi untuk memicu penyalaan agar terjadi proses pembakaran. Sedangkan penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin bensin sangat memengaruhi pemakaian bahan bakar karena udara dan bahan bakar dicampur dengan komposisi yang tepat sebelum masuk ruang bakar, baik untuk mesin bensin dengan sistem karburator maupun sistem injeksi.

2.3. MESIN PENDINGIN

a. Cara Kerja Mesin Pendingin

Page 19: makalah termodinamika

       Bagaimana cara kerja mesin pendingin AC? sehingga mampu memberikan efek pendingin dalam ruangan Anda? AC alias Air Conditioner alias Pengkondision Udara merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama mengkondisikan ruangan menjadi lebih rendah suhunya dibanding suhu lingkungan sekitarnya.

Jadi, cara kerja sistem AC dapat diuraikan sebagai berkut :

(Gambar : siklus sistem kerja AC)

Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan.

Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator. Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam

Page 20: makalah termodinamika

evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.

Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada di dalam substansi yang akan didinginkan.

Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka entalpi, substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya enthalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan. Dengan adanya mesin pendingin listrik ini maka untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur suatu substansi dapat dengan mudah dilakukan.

Perlu diketahui :

Kunci utama dari AC adalah refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon yang mengalir dalam sistem, menjadi cairan dan melepaskan panas saat dipompa (diberi tekanan), dan menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi. Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairan lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi mejadi dua area: sebuah penyaring udara, kipas, dan cooling coil (kumparan pendingin) yang ada pada sisi ruangan dan sebuah kompresor (pompa), condenser coil (kumparan penukar panas), dan kipas pada jendela luar. Udara panas dari ruangan melewati filter, menuju ke cooling coil yang berisi cairan refrigerant yang dingin, sehingga udara menjadi dingin, lalu melalui teralis/kisi-kisi kembali ke dalam ruangan. Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil lalu dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas dan menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Sebuah thermostat mengontrol motor kompresor untuk mengatur suhu ruangan.

beberapa komponen untuk mengalirkan refrigran yaitu: 1. Kompresor

Merupakan bagian yang paling penting dari mesin pendingin, kompresor menekan bahan pendingin kesemua bagian dri system. Pada system refrigerasi kompresor bekerja membuat perbedaan tekanan pada masing – masing bagian. Karena dengan adanya perbedaan antara sisi tekanan tinggi dan tekanan rendah, maka bahan pendingin cair dapat melalui alat pengatur aliran ke evaporator. Fungsi kompresor sendiri adalah menghisap gas refrigerant dari evaporator yang bertekanan dan bertemperatur rendah kemudian memampatkan gas tersebut menjadi gas yang bertekanan dan bertemperatur yang tinggi.

2. KondensorKondensor adalah alat untuk membuat kondensasibahan pendingin gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Untuk penempatanya sendiri, kondensor ditempatkan diluar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat membuang panasnya keluar. Kondensor merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Refrigerant yang yang dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa kondensor, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigerant yang sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator.

Page 21: makalah termodinamika

3. Filterfilter berfungsi untuk menyarin refrigran agar dalam keadaan bersih saat melewati expansi, filter hanya sebagai tambahan sehingga boleh ada atau boleh tidak, letak filer terdapat setelah kondensor.

4. Expansiexpansi berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigran, expansi terletak setelah filter.

5. EvaporatorEvaporator merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai penguapan. Zat cair yang berasal dari pipa kondensor masuk ke evaporator lalu berubah wujud menjadi gas dingin karena mengalami penguapan. Selanjutnya udara tersebut mampu menyerap kondisi yang ada dalam ruangan mesin pendingin. Selanjutnya gas yang ada dalam evaporator akan mengalir menuju kompresor karena terkena tenaga hisapan.

6. Akumulatorakumulator berfungsi sebagai penyaringan gas dari cairan, sehingga refrigran yang masuk ke dalam kompresor dalam keadaan gas (kompresor dirancang untuk memompa gas bukan cairan), akumulator hanya sebagai tambahan boleh ada atau boleh tidak, akumulator terletak setelah evaporator dan sebelum kompresor.

b. Lemari Es (Kulkas) Adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas.

Gambar Lemari Es (Kulkas)

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).

Page 22: makalah termodinamika

Gambar . Prinsip kerja kulkas

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 aka nada lemari Es yang sempurna.

Prinsip Kerja KulkasKulkas memiliki dua prinsip kerja yang utama yaitu:

1. Kerja mendinginkan (cooling)Saat kulkas sedang menunaikan tugas fungsinya, berlaku beberapa hukum fisika yang menjadi dasar kerja proses pendinginan di kulkas, yang paling menonjol adalah penerapan hukum II termodinamika. Salah satu pernyataan khusus Clausius, bahwa kalor (panas) berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Hukum fisika ini dijalankan dengan baik oleh bagian yang bernama “Evaporator” di dalam cooling system/cycles. Agar kita lebih mudah memahami proses yang terjadi di Evaporator, dapat diberikan contoh sebagai berikut: apabila kita baru selesai mandi di kolam renang dan keluar dari kolam renang ke udara luar maka tubuh kita akan terasa dingin walaupun pada saat itu matahari sedang memencar kea rah kulit kita dengan kuatnya. Hal ini terjadi karena sisa-sisa air pada kulit ketika sedang menguap akan mengambil panas dari kulit sehingga kita akan merasakan dingin. Sensasi dingin akan diperkuat bila saat itu ada angina bertiup menerpa kulit kita. Bila Anda tidak pernah berenang, ada contoh lain yang mirip, ketika baru selesai mandi kemudian kita keluar dari kamar mandi dengan membawa sedikit sisa-sisa air di kulit dan tanpa diselimuti handuk atau memakai baju,maka kita akan merasakan sensasi dingin sebab sisa-sisa air yang sedang menguap pada saat bersamaan mengambil panas dari kulit kita.

Page 23: makalah termodinamika

kulit kita dapat disamakan dengan evaporator yang ada di dalam kulkas, udara luar disamakan dengan ruang bagian dalam pipa evaporator, jaringan di bawah kulit diibaratkan sebagai bahan pendingin (refrigerator) yang sedang menguap di dalam pipa evaporator. Sekarang kita menuju ke kulkas, refrigerant yang menguap (berubah wujud daric air menjadi gas) di dalam evaporator akan mengambil kalor/panas dari bagian dalam (isi) kulkas dan pada saat yang sama fan motor (kipas) membantu meniupkan hawa dingin yang berasal dari sekeliling dinding bagian luar evaporator yang dilapisi bunga es. Sebagai akibat adanya perputaran udara di ruang bagian dalam kulkas, maka terjadi perpindahan kalor, hawa panas terhisap naik kearah evaporator dan hawa dingin di hembuskan secara merata keseluruh bagian dalam ruang kulkas sehingga lama-kelamaan isi kulkas menjadi dingin. Proses pendingin kulkas juga didukung oleh pemakaian zat refrigerant yang mempunyai karakteristik spesifik tertentu sehingga manusia mampu menghasilkan temperature isi kulkas jauh di bawah nol derajat Celcius bagaikan di kutub. Namun secara keseluruhan proses pendinginan kulkas sebenarnya bukan melalui hasil kerja si evaporator tetapi merupakan kerja bareng berbagai bagian dan komponen dari coling system dan defrost system.

Gambar. Skema cooling cycles pada lemari es (kulkas)

Secara ringkas, alurperjalanan refrigerant sebagai berikut:Kompresor kondensor strainer dan drier pipa kapiler atau katup ekspansi evaporator akumulator saluran hisap kembali ke kompresor, dst siklus ini berulang-ulang.

Page 24: makalah termodinamika

2. Kerja mencaikan es (defrost)Kalau kerja mendinginkan (cooling) merupakan syarat muntlak yang harus dilakukan lemari pendingin, maka kerja mencairkan es (defrost) merupakan kerja pendukung yang sangat diperlukan kulkas agar berfungsi sebagaimana mestinya. Bila defrost tidak bekerja maka bunga es akan semakin banyak bertumpuk di luar pipa evaporator sehingga akhirnya daya mendinginkan kulkas jauh berkurang dan kulkas tidak bisa mendinginkan lagi.

Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.

Jenis Aliran Udara PendinginJenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam :

1. 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.

2. 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.

C. Penyejuk Udara (AC)Air conditioner atau alat pengkondisi udara membantu manusia memberikan udara sejuk

dan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi tubuh. Air conditioner bentuknya lebih kecil dari lemari es, tetapi tenaga motor listrik sebagai penggerak yang diperlukan jauh lebih besar. Proses pendinginan yang harus dilakukan yaitu untuk menyejukkan udara dalam suatu ruangan luas atau kamar, adalah jauh lebih lebih besar dari pada lemari pendingin atau kulkas. Secara umum dapat dibedakan menjadi 2 jenis :

1. AC Window/Jendela2. AC Split

Prinsip kerja AC mirip seperti lemari es, AC beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungan yang hangat. Meskipun mirip namun perincian perancangan

Page 25: makalah termodinamika

sebenarnya berbeda karena penyejuk udara mengambil kalor QL dari dalam ruangan atau gedung pada temperature rendah , dan membuang kalor Qh keluar lingkungan pada temperature yang tinggi.

Kalor secarra alami mengalir darri temperatur tinggi ke temperatur rendah. Penyejuk udara melakukan kerja untuk melakukan yang sebaliknya (membuat kalor mengalir dari dingin ke panas). Kita bisa mengatakan bahwa penyejuk udara “memompa” kalor dari daerah dingin kedaerah yang lebih panas, melawan kecenderungan alami kalor untuk mengalir dari panas ke dingin, sebagaimana air dapat di pompa menaiki bukit, melawan kecenderungan alami untuk mengalir ke bawah bukit.

Gambar. Prinsip Kerja AC Prinsip Kerja AcPrinsip kerja AC dapat dibagi 3 bagian :

1. Kerja bahan pendingin, Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.

2. Kerja Aliran Udara, kerja aliran udara ada 2 bagian yang terpisah yaitu : bagian muka atau bagian depan dan bagian belakang atau bagian yang panas. Bagian depan bagian dari evaporator merupakan bagian dingin, dimana fan menghembuskan udara meniup evaporator sehingga udara yang keluar dari bagian depan udara dingin. Sedangkan bagian belakang fan meniup kondensor untuk mendinginkan sehingga udara yang keluar udara panas dari kondensor.

3. Kerja Alat-alat Listrik, Alat-alat listrik dari AC adalah bagian-bagian yang paling banyak variasinya dan paling banyak menimbulkan gangguan-gangguan. Pada prinsipnya dapat dibagi dalam 2 bagian : fan motor dan kompresor dengan alat-alat pengaman dan pengaturnya.

Secara garis besar prinsip kerja air conditioner adalah sebagai berikut:

Page 26: makalah termodinamika

1. Udara di dalam ruangan dihisap oleh kipas sentrifugal yang ada dalam evaporator dan udara bersentuhan dengan pipa coil yang berisi cairan refrigerant. Dalam hal ini refrigerant akan menyerap panas udara sehingga udara menjadi dingin dan refrigerant akan menguap dan dikumpulkan dalam penampung uap.

2. Tekanan uap yang berasal dari evaporator disirkulasikan menuju kondensor, selama proses kompresi berlangsung, temperatur dan tekanan uap refrigerant menjadi naik dan ditekan masuk ke dalam kondensor.

3. Untuk menurunkan tekanan cairan refrigerant yang bertekanan tinggi digunakan katup ekspansi untuk mengatur laju aliran refrigerant yang masuk dalam evaporator.

4. Pada saat udara keluar dari condensor udara menjadi panas. Uap refrigerant memberikan panas kepada udara pendingin dalam condensor menjadi embun pada pipa kapiler. Dalam mengeluarkan panas pada condensor, dibantu oleh kipas propeller.

5. Pada sirkulasi udara dingin terus-menerus dalam ruangan, maka perlu adanya thermostat untuk mengatur suhu dalam ruangan atau sesuai dengan keinginan.

6. Udara dalam ruang menjadi lebih dingin dibanding diluar ruangan sebab udara di dalam ruangan dihisap oleh sentrifugal yang terdapat pada evaporator kemudian terjadi udara bersentuhan dengan pipa/coill evaporator yang didalamnya terdapat gas pendingin (freon). Di sini terjadi perpindahan panas sehingga suhu udara dalam ruangan relatif dingin dari sebelumnya.

7. Suhu di luar ruangan lebih panas dibanding di dalam ruangan, sebab udara yang di dalam ruangan yang dihisap oleh kipas sentrifugal dan bersentuhan dengan evaporator, serta dibantu dengan komponen AC lainnya, kemudian udara dalam ruangan dikeluarkan oleh kipas udara kondensor. Dalam hal ini udara di luar ruangan dapat dihisap oleh kipas sentrifugal dan masuknya udara melalui kisi-kisi yang terdapat pada AC.

8. Gas refrigerant bersuhu tinggi saat akhir kompresi di condensor dengan mudah dicairkan dengan udara pendingin pada sistem air cooled atau uap refrigerant menyerap panas udara pendingin dalam condensor sehingga mengembun dan menjadi cairan di luar pipa evaporator.

9. Karena air atau udara pendingin menyerap panas dari refrigerant, maka air atau udara tersebut menjadi panas pada waktu keluar dari kondensor. Uap refrigerant yang sudah menjadi cair ini, kemudian dialirkan ke dalam pipa evaporator melalui katup ekspansi. Kejadian ini akan berulang secara terus menerus.

Jadi intinya prinsip pendinginan udara pada AC melibatkan siklus refrigerasi, yakni udara didinginkan oleh refrigerant/pendingin (biasanya freon), lalu freon ditekan menggunakan kompresor sampai tekanan dan suhunya naik, kemudian didinginkan oleh udara lingkungan sehingga mencair. Proses tersebut diatas berjalan berulang-ulang sehingga menjadi suatu siklus yang disebut siklus pendinginan pada udara yang berfungsi mengambil kalor dari udara dan membebaskan kalor ini ke tempat lain semisal di luar ruangan.

Page 27: makalah termodinamika

BAB III

PENUTUP

3.1. KESIMPULAN Penerapan Hukum II Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari begitu banyak, mulai dari yang

sederhana hingga yang kompleks. Mesin kalor merupakan salah satu aplikasi dari rumusan Kelvin-Plank. mesin kalor adalah suatu alat yang mempertukarkan kalor dengan lingkungannya dan melakukan usaha berulang-ulang secara terus-menerus dalam suatu rangkaian proses atau siklus. Bagian dari mesin kalor itu sendiri menyangkut juga tentang mesin bensin dan mesin diesel yang aplikasinya dapat kita rasakan setiap hari contohnya adalah kendaraan bermotor (sepeda motor, mobil, dll).

Selain itu, penerapan hukum II Termodinamika juga dimanfaatkan untuk mesin-mesin pendingin, seperti AC dan Refrigerator yang merupakan aplikasi dari pernyataan Clausius. Mesin pendingin merupakan kebalikan dari mesin kalor. Mesin pendingin adalah hasil refrigasi atau proses perputaran refrigan, tentu saja refrigan tidak akan berputar sendiri. Tanpa ada usaha dari luar.

3.2. SARAN Besar harapan tim penyusun agar makalah ini dapat menjadi inspirasi bagi semua pihak. Sebagai seorang calon guru yang mana nantinya akan menghadapi Perkembangan kemajuan teknologi yang semakin pesat, maka kiranya makalah ini dapat membantu pembaca khususnya yang akan menjadi seorang guru sebagai bacaan yang sekiranya mampu menuntun para guru dalam memberikan pelajaran bagi para muridnya dengan mengembangkan sains sebagai bagian dari pemecahan masalah perkembangan zaman yang semakin kompleks.

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I (terjemahan). Jakarta : Erlangga.

Hadi, Dimsiki.1993. Termodinamika. Jakarta : Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.

Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I ( Terjemahan). Jakarta :Erlangga.

Halliday, David, dkk. .Dasar-Dasar Fisika (versi diperluas) Jilid 2. Binarupa Aksara: Tanggerang.

KRS,Aini.2010.Termodinamika.Yogyakarta:Graha Ilmu.

Sugeng,Agung.. Diktat Termodinamika Dasar. Program Semi Que IV.Fakultas Teknik Jurusan Mesin: Universitas Brawijaya.

Tipler, P.A.1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan). Jakarta :Erlangga.

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2002. Fisika Universitas (terjemahan). Jakarta :Erlangga.

Page 28: makalah termodinamika

http://poojetz.wordpress.com/2012/aplikasi-hukum-II-Termodinamika.html//

http://mediaonlinefisika.blogspot.com/feeds/posts/default?alt=rss