Efisiensi Carnot

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Mesin Carnot adalah mesin ideal yang memiliki efisiensi paling tinggi. Siklus carnot terdiri dari 2 proses isothermal dan 2 proses isentropik (adiabatik reversible). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat grafik P-v di bawah ini.

Gambar 1. Siklus Carnot dalam diagram P-v

Secara umum, salah satu parameter baik atau tidaknya suatu mesin adalah dari efisiensinya. Mesin mengkonversikan energi kalor menjadi kerja atau gerak dalam bentuk putaran mesin atau pergerakan piston. Kerja inilah yang dimanfaatkan oleh pengguna mesin. Di sisi lain, mesin kalor dapat bekerja jika ada sumber energi kalor yang berasal dari pembakaran bahan bakar, radiasi matahari, reaksi nuklir atau sumber kalor lainnya. Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang didapatkan dengan kalor yang masuk ke dalam sistem. Oleh karena itu efisiensi dapat dituliskan:

Dalam siklus carnot pembuangan kalor terjadi pada proses dari titik 3 ke 4 dan penerimaan kalor pada proses dari titik 1 ke 2. Kedua proses ini berlangsung secara isothermal. Oleh karena itu efisiensinya dapat dijabarkan menjadi:

Entropi (part 1)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Dalam termodinamika ada beberapa parameter penting yang biasa digunakan untuk menganalisis sebuah proses, seperti: tekanan, temperatur, entalpi, dan lainnya. Salah satu parameter itu adalah entropi. Pada dasarnya entropi merupakan besaran termodinamika yang mungkin dapat dikatan muncul belakangan dibandingakan dengan besaran lainnya. Entropi muncul ketika para insiyur pada saat itu ingin menjelasakan mengenai efisiensi mesin dan pompa kalor.

Seperti yang diketahui bahwa sebuah mesin kalor tidak daat mengubah semua kalor yang diterima sistem menjadi kerja, namun pasti ada kalor yang dibuang. Entropi secara tidak langsung menunjukkan seberapa besar energi yang tidak dapat menjadi kerja itu. Pada sudut pandang molekul, entropi adalah besaran termodinamika yang menunjukkan seberapa besar ketidak-teraturan suatu zat. Besarnya entropi sulit dihitung, namun perubahan entropi suatu zat yang mengalami proses termodinamika memungkinkan untuk dilakukan. Zat dalam wujud padat memiliki entropi yang lebih kecil dibandingkan dengan fasa cair dan gas. Sebagai contoh air dalam fasa padat (es) memiliki susunan molekul yang sangat teratur sedangkan dalam fasa cair memiliki susunan molekul yang lebih acak. Terlebih lagi dalam fasa gas (uap), susunan molekulnya lebih acak lagi. Dalam proses dengan temperatur konstan (isotermal) besarnya perubahan entropinya dapat dihitung dengan:

Sebagai contoh jika ada 1 kg es batu yang bertemperatur 0 ^oC yang diletakkan pada sebuah ruangan, kemudian es ini lambat laun akan mengalami perubahan fasa dari padat menjadi cair (meleleh). Proses ini secara teori berlangsung pada temperatur konstan, yaitu pada 0^oC. Pada proses ini ketidak -teraturan molekul air berubah dari yang tersusun teratur (es) hingga menjadi lebih tidak teratur (air). Ini menunukkan adanya perubahan entropi pada zat tersebut yang besarnya adalah:

Untuk proses yang tidak terjadi secara isotermal maka perlu perubahan entropinya dapat dihitung dengan:

Jika dalam suatu fenomena terdapat lebi dari satu proses maka, perubahan entropinya adalah penjumlahan dari masing-masing prosesya.

Persamaan Gas Ideal (part 1)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Gas ideal sering kali digunakan sebagai asumsi untuk menganalisis proses termodinamika pada suatu gas. Gas ideal sendiri adalah model gas yang terdiri dari partikel-partikel yang bergerak acak. Untuk dapat dikatakan sebagai gas ideal maka ada beberapa asumsi, yaitu:

• Gas terdiri dari partikel yang sangat kecil dengan massa tidak no
• Banyaknya molekul sangat banyak
• Molekul bergerak secara konstan dan acak
• Tumbukan yang terjadi antara partikel dan partikel dinding wadah bersifat lenting sempurna
• Kesuluruhan volume partikel dapat diabaikan jika dibandingkan dengan volume wadah
• Molekul gas berbentuk bola sempurna
• Efek kuantum dan relativistik diabaikan
• Energi kinetik rata-rata molekul gas hanya bergantung pada temperatur sistem

Gas ideal mengikuti persamaan gas ideal yaitu:

Seperti yang telah diketahui jumlah partikel adalah:

Dalam termodinamika teknik, sering kali sifat zat diberikan untuk setiap satu satuan massa. Seperti yang diketahui bahwa jumlah mol adalah:

Beberapa nilai R dari gas sering digunakan yaitu:

Energi dalam setiap satuan massa yang menunjukkan energi kinetik rata-rata molekul gas ideal dapat dituliskan menjadi:

Turbin Uap

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Afiliasi: Rekayasa Instrumentasi dan Energu Tel-U

Salah satu komponen penting dalam termodinamika adalah turbin, yaitu komponen yang dapat mengubah energi kalor menjadi kerja (khususnya putaran rotor). Prinsip dasar dari turbin adalah fluida berenergi tinggi dialirkan melalui turbin, kemudian sebagian energinya digunakan untuk memutar turbin sedangkan sisanya keluar dari turbin.

Ada beberapa jenis turbin yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari seperti turbin air, turbin uap, dan turbin angin. Ketiganya memiliki persamaan dalam hal konversi energi menjadi kerja. Perbedaan menasar dari ketiga turbin ini adalah jenis fluida yang dialirkan. Turbin sering kali digambarkan dalam skema seperti pada gambar dibawah ini.

Skema turbin 

Untuk menganalisis proses termodinamika pada turbin, hukum kekekalan massa dan energi perlu menjadi dasar dalam perhitungannya. Oleh karenanya kedua hukum ini dapat dituliskan menjadi:

Contoh soal:

Sebuah pembangkit listrik tenaga uap menggunakan sebuah turbin uap. Rotor (bagian yang berputar) dari turbin dicoupling ke generator listrik sehingga terdapat tegangan listrik yang kemudian dapat juga dilairkan ke rumah-rumah. Uap air yang masuk bertekanan tinggi yaitu 5MPa dan temperatur 600 ^OC. Jika kerja yang dihasilkan adalah 5 MW. Dan fluida keluaran (output) dari turbin adalah bertekanan 200 kPa dengan kondisi saturasi gas, tentukan:

a. Temperatur fluida saat keluar dari turbin

b. Berapa laju aliran massa fluida (air) agar dapat mencapai kapasitas 5 MW

Jawaban:

Heat Exchanger (Penukar Kalor)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Penukar kalor (Heat exchanger) adalah suatu perangkat yang berfungsi untuk memindahkan kalor dari satu medium ke medium lainnya. Banyak sekali aplikasi dari penukar kalor yang digunakan pada industri dan domestik seperti radiator pada kendaraan bermotor dan evaporator pada AC.

Jika ditinjau dari jenis fluidanya, penukar kalor dapat dikelompokkan menjadi liquid-liquid, gas-liquid, dan liquid-gas. Pada penukar tidak terjadi pemindahaan/pencampuran massa, yang terjadi hanya pertukaran energi kalor. Semua heat exchanger mengalirakan setidaknya dua fluida yaitu panas dan dingin. Fluida dingin akan menyerap kalor dari dluida yang panas, sedangkan fluida yang panas akan melepaskan kalor ke fluida yang dingin seperti pada gambar 1. 

Gambar 1. skema penukar kalor sederhana.

Pada gambar terlihat bahwa fluida B mengalami pemanasan dengan menyerap kalor dari fluida A sehingga temperaturnya menjadi naik. Sebaliknya, fluida A melepaskan kalor ke fluida B sehingga temperaturnya turun. Hukum kekekalan energi dan massa tetap berlaku, sehingga dapat dituliskan menjadi

Dengan mengabaikan energi potensial dan energi kinetik karena relatif sangat kecil nilainya maka persamaan kekekalan energi dapat dituliskan

Contoh soal:

Air mengalir sebanyak 0.1 liter/detik dengan temperatur 80 ^oC ingin ddidinginkan dengan menggunakan sebuah penukar kalor. Sebagai fluida dingin, air bertemperatur 17 ^oC dialirakan dalam penukar kalor tersebut sebanyak 0.2 liter/detik. Jika air dingin ini pada saat keluar bertemperatur 27 ^oC, tentukan berapa temperatur air panas setelah didinginkan? 

Soal: Fluida Dinamis (Tanki bocor)

Sebuah tanki silinder vertikal berdiameter 1 m dan tinggi 1.5 m berisi air penuh. Jika terdapat lubang di dasar tanki dengan diameter 2 cm, tentukan berapa lama air akan habis?

Keyword: Mekanika fluida, Hukum Bernoulli, fluida dinamis

Kompresor dan Pompa

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Kompresor dan pompa adalah komponen yang berfungsi menggerakkan fluida dan menaikkan tekana fluida. Kedua komponen ini dapat dibedakan dari fasa zat yang dialirknannya, kompresor mengalirakan fasa fluida gas sedangkan kompresor mengalirakan fasa fluida cair.

Kedua komponen ini juga sering kali ditemui pada kehidupan sehari-hari. Pompa biasasnya digunakan untuk mengalirakan air dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi. Sedangkan kompresor biasanya digunakan untuk menampung udara bertekanan tinggi. Selain itu kompresor juga selalu digunakan dalam sistem refrigerasi kompresi uap (AC dan Lemari Es) untuk mengalirkan refrigeran (freon) dari tekanan rendah ke tekanan tinggi.

Kompresor dan pompa dapat berfungsi jika ada kerja yang masuk dalam sistem tersebut. Perhatikan gambar 1. Kerja W_i masuk ke dalam sistem sehingga massa fluida input terhisap dan didorong ke keluar di output.

Gambar 1. Skema proses pompa dan kompresor

Hukum kekekalan massa dan energi untuk proses ini dapat dituliskan sebagai berikut:

Contoh:

Refrigeran R134a dinaikkan tekanannya dengan menggunakan kompresor dari tekanaan 200 kPa dan temperatur 0 ^oC menjadi tekanan 1 MPa dan 60 ^oC. berapakah kerja yang dibutuhkan setiap 1 kg massa refrigeran?

Pada kasus kompresor, penentuan sifat zatnya relatif mudah karena fasanya yang berupa gas. Namun untuk pompa yang fluidanya dalam keadaan subcooled liquid agak sulit karena terbatasnya tabel compressed liquid yang memiliki tekanan terendah 5 MPa sehingga untuk menentukan sifat zat dibawah tekanan tersebut dapat dilikaukan dengan pendekatan sifat zat subcooled dengan sifat zat pada saturasi cair pada temperatur terkait. Untuk lebih jelasnya perhatikan contoh di bawah ini.

Contoh:

Pompa digunakan untuk menaikkan tekanan air dari tekanan 100 kPa, 30 ^oC menjadi tekanan 2 MPa, 80^oC. Tentukan berapa kerja yang dibutuhkan pompa jika laju massa 0.5 kg/s?

Katup Ekspansi (Expansion valve)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Katup ekspansi adalah komponen yang berfungsi untuk menghambat aliran fluida sehingga tekanan sebelum katup ekspansi menjadi tinggi dan setelah katup ekspansi menjadi rendah. Katup ekspansi biasanya digunakan dalam sistem refrigerasi kompresi uap (SRKU).

Secara teknis katup ekspansi yang umum digunakan pada AC dan lemari es adalah berupa pipa kapiler, yaitu pipa yang memiliki luas penampang yang sangat kecil. Refrigeran pada SRKU dapat mengalir di pipa karena adanya kompresor. Kemudian, pipa ini disambungkan ke katup ekspansi sehingga aliran refrigeran ini menjadi terhambat. Tekanan tinggi pada refrigeran terjadi sebelum melewati katup ekspasi. Sebaliknya tekanan rendah terjadi setelah melewati katup ekspansi.

Gambar 1. Skema proses pada katup ekspansi

Proses pada katup ekspansi diasumsikan tidak ada energi kalor yang masuk atau keluar sistem, sehingga energi kalor sebelum dan sesudah proses ini adalah sama atau dapat dikatakan isoenthalpi. Oleh karena itu dari hukum kekekalan energi dan massa, proses ini daapt dituliskan menjadi:

Contoh soal:

Dalam sebuah mesin pendingin R134a mengalami proses ekspansi pada sebuah katup ekspansi. Awalnya refrigeran memiliki tekanan 1 MPa dengan temperatur 40 ^oC kemudian mengalami ekspansi sehingga tekanan menjadi 80 kPa. Tentukan kualitas x dan temperatur refrigeran saat keluar dari katup ekspansi.

Jawaban:

Combine Heat and Power (CHP)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Dalam bidang energi terbarukan, energi dalam bentuk energi kalor (panas) lebih sering tersedia dibandingkan dengan sumber energi bentuk lain. Radiasi kalor matahari, panas bumi, panas laut, dan pembakaran bioenergi merupakan bebrapa jenis energi terbarukan dalam bentuk kalor. Jenis energi ini dapat langsung dimanfaatkan seperti untuk pengering, pemanas, atau keperluan mamasak. Selain langsung digunakan, energi kalor ini juga dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik. Agar memiliki efisisensi yang tinggi sering kali energi kalor ini dimafaatkan dalam sistem combine heat and power (CHP) di mana dalam sistem itu pemanfaatan panas secara langsung dan pembagkit listrik berada dalam satu sistem.

Seperti namanya, CHP terdiri dua fungsi yaitu kalor digunakan sebagi pemanas dan pembangkit listrik. Energi kalor selain dapat dimanfaatkan sebagai pemanas, energi ini juga dapat dimanfaatkan untuk pendingin yang salah satunya adalah dengan menggunakan sistem refrigerasi absorpsi. Sistem yang memanfaatkan energi kalor untuk pembangkit listrik, pemanas, dan pendingin dinamakan Trigeneration atau combine cooling, heat, and power (CCHP).

Sumber energi kalor untuk sistem CHP biasanya dalam bentuk pembakaran bahan bakar sehingga dapat menghasilkan temperatur yang cukup tinggi. Bahan bakar yang digunakan dapat memanfaatkan baik bahan fosil atau bahan bakar terbarukan seperti biogas, biomass, dll. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar di bawah ini.

Skema CCHP (sumber gambar Wikipedia)

Energi kalor dari pembakaran bahan bakar digunakan untuk pembangkit listrik terlebih dahulu. Pembangkitan listrik ini bisa menggunakan siklus Rankine atau siklus turbin gas sehingga memutar turbin. Tidak semua kalor dari pembakaran bahan bakar dapat dikonversikan menjadi listrik. Pada sistem pembangkit listrik biasa yang memanfaatkan energi kalor, sisa kalornya dibuang ke lingkungan. Pada sistem CHP, energi kalor sisa dari pembangkit listrik ini dimanfaatkan kembali untuk kebutuhan pemanas atau pendingin.

Kalor buangan dari pembangkit listrik biasanya dapat digunakan sebagsi sumber energi dalam sistem refrigerasi absorpsi sehing efek pendinginan dapat dihasilkan. Efek pendinginan ini dapat dimanfaatkan untuk sistem HVAC bangunan atau lainnya. Selain untuk pendingin, sisa kalor dari pembangkit listrik juga dimanfaatkan sebagai pemanas, seperti untuk boiler yang menghasilkan uap bertekanan dan temperatur tinggi.

Pemanfaatan panas buangan ini dapat meningkatkan efisiensi kalor. Pembangkit listrik biasa yang menggunakan batu bara atau reaksi nuklir sebagai bahan bakar memiliki efisiensi sekitar 33%. Dengan menggunakan sistem CHP distrubusi konversi dari kalor adalah sekitar 45 % listrik, 40% pemanas dan pendingin, rugi kalor 13% dan 2% rugi listrik. Ini artinya pemanfaatan kalor bisa mencapai 85% dari energi kalor masukan.

Mesin Kalor

Mesin kalor (Heat Engine) adalah suatu alat yang mengkonversikan energi kalor menjadi energi gerak. Secara teoritis mesin kalor menerima kalor dari reservoir panas kemudian mengkonversi sebagian energi ini menjadi kerja. Sedangakan energi sisanya (tidak menjadi kerja) dibuang di reservoir dingin. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 1.

Gambar 1. Skema Mesin Kalor

Mesin kalor selalu menghasilkan daya mekanik yang dapat dimanfaatkan sesuai kebutuhan seperti alat transportasi, pembangkit listrik, pompa air, dan lain-lain. Tidak semua energi kalor yang masuk ke mesin kalor dikonversikan menjadi kerja, oleh karenanya pada mesin kalor memiliki efisiensi yaitu perbandingan antara besar kerja yang dihasilkan mesin dengan energi kalor yang masuk ke dalam mesin atau dapat ditulis:

Jika hukum kekekalan energi diterapkan dalam mesin kalor maka besarnya kalor yaang masuk Q_in sama dengan jumlah dari kerja yang dihasilkan W dan kalor yang dibuang Q_out, sehingga dapat ditulis:

Contoh:

Tentukan efisiensi dari sebuha mesin kalor yang menerima kalor sebesar 500 Watt dan membuang kalor sebesar 200 Watt!

Jawaban:

(Tri Ayodha Ajiwiguna)