Siklus Carnot

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Mesin kalor didefinisikan sebagai sebuah perangkat yang dapat mengkonversi energi kalor menjadi kerja. Kerja di sini dapat diartikan sebagai gerakan piston dalam silinder atau putaran mesin. Contoh mesin kalor adalah mesin otto, mesin diesel, mesin brayton, dan mesin stirling. Sedangkan pompa kalor adalah perangkat yang dapat menciptakan kondisi di mana satu bagian mesin menjadi dingin dan bagian lainnya menjadi panas. Dingin dan panas ini relatif terhadap lingkungan. Pompa kalor biasanya diterapkan di pendingin ruangan (AC). Contoh pompa kalor antara lain sistem refrigerasi kompresi uap.

Prinsip kerja dari mesin kalor dan pompa kalor biasanya sebuah siklus termodinamika yang terdiri dari beberapa proses termodinamika. Siklus Carnot adalah siklus ideal (tidak real) yang dimodelkan untuk mengetahui efisiensi dan kinerja tertinggi yang mungkin dapat dicapai dari sebuah mesin kalor atau pompa kalor. Hal ini dikarenakan siklus carnot mengasumsikan beberapa prosesnya berlangsung isentropik dimana proses dianggap reversible (tidak ada gesekan) dan adiabatik (terinsulasi sempurna). Skema proses sistem piston-silinder dan diagram P-v siklus carnot dapat dapat dilihat pada gambar 1 dan 2:

Gambar 1.Skema Proses dalam Siklus Carnot

Gambar 2. Siklus Carnot dalam Diagram P-v

Seperti yang dapat dilihat pada gambar 1, siklus carnot terdiri dari empat proses termodinamika, yaitu:

Proses 1 – 2, yaitu proses ekspansi isothermal pada temperature tinggi T_H. Dalam proses ini sistem (mesin) menerima kalor kemudian terjad proses ekspansi dengan temperatur konstan. Proses ini sulit sekali diterapkan secara nyata. Bisa dibayangkan, jika sebuah sistem piston silinder yang kemudan diberikan kalor (dipanaskan) sehingga sistem memuai tetapi temperaturnya tetap (tidak naik). Dalam hukum termodinamika I, dalam proses isothermal tidak ada perubahan energi dalam (ΔU=0), yang artinya semua kalor yang masuk menjadi kerja. 

Proses 2-3, yaitu proses ekspansi isentropik. Setelah menerima kalor (proses 1-2), proses masih mengalami ekspansi yang mungkin diakibatkan masih adanya momentum dari proses sebelumnya. Akibat proses ini temperatur sistem menjadi turun dari T_H menjadi temperature rendah T_L. Proses ini diasumsikan berlangsung secara reversible (tidak ada geseskan) dan adiabatic (terinsulasi sempurna). Hal ini juga sulit direalisasikan karena gesekan tidak mungkin dihindari dan kalor pasti mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Proses 3-4 proses kompresi secara isothermal. Dalam proses ini pembuangan kalor terjadi dari sistem ke lingkungan.

Proses 4-1, yaitu proses kompresi isentropik. Proses ini juga terjadi secara reversible dan adiabatik.

Proses dari 1-2-3-4-1 terus berlangsung sehingga kerja dalam bentuk putaran mesin atau pergerakan piston juga selalu terjadi selama sistem menerima dan membuang kalor dengan baik. Untuk menunjukkan seberapa baik sebuah mesin kalor, digunakan istilah efisiensi, yaitu perbandingan anta kerja yang didapatkan dengan kalor yang diberikan ke sistem.

Workshop (Short course) Solar Thermal Energy

Energi matahari merupakan salah satu energi terbarukan yang sangat potensial untuk mengurangi konsumsi energi fosil. Dua macam energi yang dapat digunakan dari radiasi matahari adalah cahayanya dan termalnya. Radiasi cahaya digunakan oleh solar Photo voltaic untuk menjadi energi listrik, sedangkan solar thermal memanfaatkan energi termal untuk keperluan tertentu seperti: pemanas air, sistem refrigerasi absorbsi, bahkan pembangkit listrik. T-Lab membuka training singkat mengenai pemanfaatan energi kalor yang berasal dari radiasi matahari. Materi yang dsampaikan pada workshop ini antara lain:

• Pengenalan energi solar thermal.
• Solar thermal collector.
• Aplikasi solar thermal energi.
• Pelatikan secara praktik: pengukuran radiasi matahari, penjelasan alat sederhana, dan perhitungan efisiensi termal.

Untuk informasi lebih lanjut hubungi: thermolab.teknis@gmail.com

Keyword: solar thermal, thermodynamics, energi

Cara memperkirakan kapasitas pendiginan dan pembuangan kalor dari modul termoelektrik/peltier

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Memeperkirakan kemampuan modul pendingin termoelektrik (peltier) untuk mendinginkan sebuah objek merupakan salah satu hal penting yang perlu dilakukan sebelum menerapkannya. Seperti yang sudah dibahas sebelumnya bahwa jika modul peltier dialiri arus listrik maka akan terjadi fenomena pompa kalor sehingga satu sisi akan menyerap kalor (dingin) dan sisi yang lainnya melepaskan kalor (panas). Bagaimana menentukan besarnya kalor yang diserap dan dibuang ini?

Cara yang paling mudah adalah dengan melihat grafik yang didapat dari data teknis modul peltiernya. Sebagai contoh adalah TEC1-12706. Peltier jenis ini mungkin yang paling banyak di pasaran karena harganya relatif murah dan memiliki kinerja yang cukup baik. Dari data teknisnya diberikan grafik seperti ini.

Gambar 1. Grafik data teknis TEC1-12706

Grafik sebelah kanan adalah grafik jika temperatur sisi panasnya 25 ^oC sedangkan yang sebelah kiri adalah grafik jika temperatur sisi panasnya 50 ^oC. Sumbu horizontal menunjukkan perbedaan temperatur dari kedia sisi modul peltier atau Delta T. Tegangan dan kapasitas pendinginan ditunjukkan oleh sumbu vertikal yaitu V dan Qc. Sealin itu, arus juga digambarkan dengan garis miring yang terdapat dalam grafik.

Untuk lebih jelas membaca grafik di atas, perhatikan contoh berikut:

Sebuah modul peltier digunakan untuk pendingin. Sisi panasnya ditempelkan heatsink-fan agar terjaga temperaturnya tidak lebih dari 50 ^oC. Modul peltier ini kemudian disambungkan dengan tegangan 12 VDC. Jika temperatur sisi dinginnya 10 ^oC, berapakah:

a. arus yang mengalir?

b. Laju penyerapan kalor pada sisi dingin?

c. Laju pembuangan kalor pada sisi panas?

Penyelesaian:

Karena temperatur sisi panas adalah 50 ^oC maka yang digunakan adalah grafik sebelah kanan. Dari kasus di atas dapat dilihat bahawa DeltaT adalah 40 ^oC, karena sisi dinginnya 10 ^oC. Sebelum melihat berapa kalor yang diserap dan dibuang, maka arus yang mengalir perlu dicari terlebih darhulu. Arus yang mengalir dapat diperkirakan besarnya dengan menggunakan dari grafik kanan-atas. Dari grafik itu didapat arus yang mengalir adalah sekitar I=4 A (lihat garis merah). Kemudian, laju penyerapan kalornya dilihat dari grafik kanan-bawah. Dari grafik itu didapat penyerapan kalornya yaitu Qc =18 Watt.

Modul termoelektrik adalah sebuah pompa kalor sehingga berlaku

dimana Q_h adalah kalor yang dibunag dan W adalah kerja (dalam hal ini adalah daya listrik). Oleh karenenya pembuangan kalor yang terjadi adalah:

Keyword: Peltier, Termoelektrik, Perhitungan, estimasi

Siklus Rankine

oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Siklus rankine adalah sebuah siklus termodinamika yang mengkonversi energi kalor menjadi kerja (energi gerak) berupa pergerakan piston atau putaran turbin. Prinsip kerja dari sikus ini pada dasarnya adalah dengan membuat uap bertekanan dan temperatur tinggi kemudian dialirkan ke turbin sehingga terjadi kerja. Uap yang keluar dari turbin kemudian dicairkan lagi sehingga berfasa liquid. Air dalam fasa liquid ini kemudian dipompa lagi ke boiler untuk dijadikan uap lagi. Proses ini berlangsung terus menerus sehingga putaran turbin juga terjadi secara kontinu. Siklus ini banyak diterapkan pada pembangkit listrik tenaga uap (Steam Power Plant).

Dari penjelasan di atas maka proses yang terjadi pada siklus rankine adalah penguapan/pendidihan, ekspansi turbin, kondensasi, dan pemompaan. Setiap proses tersebut terjadi di masing-masing komponen, yaitu boiler, turbin, kondenser, dan pompa. Untuk lebih jelasnya dapat dilihar gambar 1.

Gambar 1. Skema Siklus Rankine

Pada gambar telihat bahwa dalam siklus rankine terdapat empat komponen utama yaitu: boiler, turbin, kondenser, dan pompa. Oleh karena itu dalam siklus ini juga terdapat empat proses yaitu:

1. Titik 1 ke 2 adalah proses pendidihan fluida kerja. Pada proses ini fluda yang berfasa liquid masuk ke dalam boiler untuk mendapatkan kalor sehingga terjadi perubahan fasa menjadi uap bertekanan dan temperatur tinggi.
2. Titik 2 ke 3 adalah proses ekspansi turbin. Pada proses ini fluida kerja di titik2 masuk ke turbin sehingga putaran turbin berupa kerja dihasilkan. Fluida kerja yang keluar dari turbin bertekanan dan temperatur lebih rendah. Kerja turbin inilah yang dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti pembangkit listrik.
3. Titik 3 ke titik 4 adalah proses kondensasi. Pada proses ini fluida kerja yang keluar dari turbin masih berfasa uap. Oleh karena itu perlu dikondensasikan dengan melepaskan kalor sehingga fasanya berubah menjadi liquid.
4. Titik 4 ke 1 adalah proses pompa. Pada proses ini fluida kerja di titik 4 yang sudah liquid dipompakan kembali ke boiler. Kerja eksternal diperlukan agar proses pemompaan berjalan. Setelah dipompa maka tekanan fluida kerja menjadi tinggi.

Proses yang terjadi pada setiap komponen berlaku hukum kekekaan energi dan massa. Dalam siklus rankine sederhana ini aliran massa tidak berubah. Aliran energi yang masuk ke dalam sistem rankine terjadi pada boiler berupa kalor dan pada pompa berupa kerja. Sedangkan energi yang keluar sistem ini terjadi pada komponen kondenser berupa kalor dan pada turbin berupa kerja.

Siklus ini merupakan salah satu siklus mesin kalor, sehingga performansinya dinyatakan dengan nilai efisiensi, yaitu perbandingan antara kerja bersih yang dihasikan dan energi kalor yang masuk ke dalam sistem atau dapat dituliskan sebagai berikut:

Contoh soal:

Sebuah pembangkit listrik tenaga uap menggunakan siklus rankine sebagai prinsip dasarnya. Air masuk ke dalam boiler pada tekanan 5 MPa dan temperatur 80 ^oC. Uap yang dihasilkan boiler bertekanan 5 MPa dan temperatur 600 ^oC. Uap ini kemudian masuk ke dalam turbin sehingga menghasilkan kerja sebesar 5 MW. Uap yang keluar dari turbin bertekanan 150 kPa dengan keadaan saturasi gas. Setelah itu uap dicairkan melalui kondenser sehingga temperaturnya 70 ^oC.

Tentukan:

1. Berapa laju aliran massa fluida kerja?
2. Berapa energi kalor yang dibutuhkan pada boiler?
3. Berapa energi kalor yang buang oleh kondenser?
4. Berapa kerja yang butuhkan oleh pompa?
5. Berapa efisiensi dari mesin ini?

Solusi:

 

 

 

 

   

Keyword: Power plant, siklus rankine, efisiensi, pembangkit listrik tenaga uap