Rasio kalor jenis gas ideal

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Kalor jens suatu zat menunjukkan seberapa banyak kalor yang harus diserap/dibuang untuk menaikkan/menurunkan temperatur sebanyak satu derajat untuk setiap satuan massa zat. Zat yang memiliki kalor jenis yang tinggi membutuhkan lebih banyak energi untuk memanaskannya. Ada dua jenis kalor jenis yaitu untuk proses tekanan konstan (c_p) dan volume konstan (c_v). Perbandingan dari kedua kalor jenis ini disebut dengan rasio kalor jenis (c_p/c_v).disimbolkan dengan k.

Nilai rasio k ini sangat penting untuk menganalisis proses yang berlangsung secara adiabatik/isentropik. Besarnya rasio ini untuk gas ideal dapat diturunkan dengan cara:

Kalor jenis gas ideal gas pada tekanan konstan adalah:

Proses Adiabatik (isentropik) pada gas ideal

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Video penjelasan prose adiabatik dalam termodinamika:

Isentropik adalah proses yang berlangsung tanpa disertai perubahan entropi. Berdasarkan definisi perubahan entropi, proses isentropik berlangsung jika tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (adiabatik) dan tidak ada energi yang hilang akibat gesekan pada saat berlangsungnya proses (reversible).

Proses isentropik seringkali digunakan dalam menganalisis proses yang terjadi dalam permesinan seperti mesin otto dan diesel. Keduanya merupakan merupakan mesin reciprocating yang terdiri dari sistem piston dan silinder dengan fluida kerja udara yang dianggap gas ideal. Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem, oleh karenanya pada hukum termodinamikanya adalah:

Energi Dalam Gas Ideal

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Energi dalam suatu zat dapat didefiniskan sebagai energi kinetik rata-rata yang dimiliki oleh molekul. Secara teori gas yang berada dalam suatu wadah akan selalu bergerak secara acak, saling menumbuk antar molekul, dan juha menumbuk dinding wadah. Gerakan molekul inilah yang menyebabkan adanya tekanan dalam wadah.

Molekul-molekul gas yang berada dalam wadah selalu bergerak ke segala arah. Untuk menyederhanakannya maka ditinjau satu molekul yang bergerak searah sumbu x dengan kecepatan v_x. Molekul ini memiliki massa sehingga memiliki momentum yang kemudian menumbuk dinding wadah dan juga antar molekul. Dalam model gas ideal, tumbukan yang berlangsung terjadi secara lenting sempurna sehingga besar kecepatan setelah tumbukan sama dengan kecepatan sebelum tumbukan dengan arah yang berlawanan.

Pada saat molekul menumbuk dinding maka terjadilah tumbukan dengan lenting sempurna dan impuls sebesar:

Proses Termodinamika pada Ideal (Isobarik, Isokhorik, dan Isotermal)

Proses termodinamika sering kali sangatlah rumit untuk dianalisis. Untuk mempermudah hal ini, maka beberapa asumsi proses sederhana dapat digunakan yaitu isobarik, isokhorik, dan isothermal. Untuk gas ideal proses-proses ini diturunkan dari persamaan gas ideal. Udara sebagai fluida kerja dalam permesinan seperti mesin otto, diesel, dan brayton dianggap berperilaku seperti gas ideal.

Isobarik

Isobarik adalah proses yang berlangsung pada tekanan konstan, hal ini berarti tekanan sebelum dan sesudah proses adalah sama. Proses isobarik umumnya digambarkan dalam sebuah sistem silinder dan piston tak bermassa. Kerja pada proses isobarik dapat diturunkan menjadi:

 

Isokhorik

Isokhorik adalah proses yang tidak mengalami perubahan volume. Contoh yang umum digunakan pada proses ini adalah proses pada tanki kokoh yang jika dimasukkan fluida maka volumenya tetap. Karena tidak ada perubahan volume pada proses isokhorik, maka tidak ada kerja yang dihasilkan dalam proses ini.

Isothermal

Isotermal adalah proses yang tidak mengalami perubahan temperatur. Oleh karenanya tidak ada perubahan energi dalam pada proses ini.

Namun, karena tekananya tidak konstan maka besarnya kerja dapat diturunkan dari definisi kerja.

Efisiensi Siklus Brayton

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Pada dasarnya mesin brayton menerapkan system open loop dalam mekanismenya. Untuk menganalisis siklus brayton maka penyederhanaan menjadi sistem closed loop dilakukan. Hal ini dilakukan dengan cara mengasumsikan bahwa siklus brayton terdiri dari empat proses yaitu: kompresi, penambahan kalor, ekspansi turbin, dan pembuangan kalor. Penyederahanaan siklus dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. (a) Open loop siklus brayton, (b) Close loop siklus brayton

Untuk siklus brayton ideal, proses kompresi dan ekspansi turbin berlangsung secara isentropik. Oleh karena itu proses dalam diagram tekanan-volume (P-v) dan analisisnya dapat dilakukan dengan cara:

Mesin Brayton

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Mesin brayton merupakan salah satu mesin kalor yang termasuk dalam siklus daya gas. Hal ini dikarenakan fluida kerja selalu dalam fasa gas tanpa adanya perubhan fasa. Berbeda dengan mesin otto dan diesel yang menggunakan sistem piston silinder, mesin brayton mengguunakan kompresor untuk menaikkan tekanan fluida kerja. Pada awal perkembangannya memang piston silinder digunakan untuk menghasilkan tekanan tinggi, namun mesin brayotn modern sudah tidak menggunakan piston silinder lagi. Oleh sebab itu mesin brayton tidak termasuk dalam jenis mesin reciprocating.

Mesin brayton sering kali disebut dengan turbin gas. Mesin jenis ini paling banyak digunakan dalam mesin jet pesawat terbang. Selain itu mesin jenis ini juga banyak digunakan pada pembangkit listrik. Terlebih lagi, karena gas buangan dari mesin brayton bertemperatur tinggi, mesin ini terkadang diterapkan dalam siklus kombinasi (combined cycle) dengan siklus rankine. Gas bertemperatur tinggi ini digunakan untuk memanaskan air sehingga uap bertekanan tinggi dapat dihasilkan.

Gambar 1. Skema siklus brayton

Prinsip kerja dari mesin brayton dapat dilihat pada gambar 1. Proses yang terjadi dapat dijabarkan sebagai berikut:

• Udara yang kaya akan oksigen (titik 1) masuk ke dalam kompresor sehingga tekanan dan temperatur udara yang keluar dari kompresor menjadi sangat tinggi (titik 2).
• Kemudian udara bertekanan dan bertemperatur tinggi (titik 2) ini masuk ke dalam ruang ruang pembakaran. Selanjutnya bahan bakar juga masuk ke dalam ruang bakar sehingga bercampur dengan udara bertekanan dan temperatur tinggi dan mengakibatkan pembakaran terjadi. Gas hasil pembakaran ini memiliki energi yang sangat tinggi.
• Gas hasil pembakaran dialirkan ke turbin sehingga dihasilkan kerja dalam bentuk putaran. Sebagian kerja yang dihasilkan ini digunakan untuk memutar kompresor agar berfungsi sebagaimana mestinya. Perbandingan kerja yang digunakan kompresor dengan kerja yang dihasilkan turbin disebut dengan rasio back work. Sedangakan gas buang hasil pembakaran kemudian dikeluarkan ke udara lingkungan.

Dibandingkan dengan mesin kalor lainnya, mesin brayton memiliki beberapa kelebihan, antara lain:

• Dapat digunakan sebagai penggerak maupun pembangkit listrik
• Efisiensi termal dapat mencapai 44%
• Dapat digunakan pada siklus kombinasi (combined cycle)
• Rasio daya dan berat masih tinggi