Siklus refrigerasi carnot adalah sebuah siklus ideal yang merupakan kebalikan dari mesin kalor carnot. Sama halnya dengan mesin kalor carnot, pada siklus refrigerasi carnot juga terdiri dari empat proses yaitu: kompresi adiabatik (isentropik), kompresi isothermal, ekspansi adiabatik (isentropik), dan ekspansi isotermal, namun arah siklusnya yang berlawanan dengan mesin kalor carnot. Dalam diagram P-V, siklus refrigerasi/pompa kalor carnot ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Gambar 8.1 siklus refrigerasi/pompa kalor carnot
Perlu diingat bahwa siklus refrigerasi dan siklus pompa kalor adalah sama, yang membedakan adalah adalah siklus refrigerasi memanfaatkan proses penyerapan kalor sedangnkan pompa kalor memanfaatkan proses pembuangan kalor. Siklus refrigrasi/pompa kalor carnot memiliki nilai koefisien kinerja (COP) yang paling tinggi. Jadi tidak mungkin ada sistem refrigerasi/pompa kalor yang memiliki nilai COP lebih besar dibandingkan dengan COP carnot.
Besarnya nilain COP carnot dapat diturunkan dari definisi dan asumsi yang ada dalam siklus refrigerasi/pompa kalor carnot. Dengan mengacu pada gambar 8.1, maka dapat diambil informasi yaitu:
Untuk siklus refrigerasi, maka penyerapan kalor adalah yang dimanfaatkan, sehingga outputnya adalah kalo yang diserap pada proses 2 ke 3. COP refrigerasinya dapat ditulis:
Besarnya kalor yang diserap pada proses 2 ke 3 adalah:
Sedangkan besarnya kalor yang dibuang pada proses 4 ke 1 adalah:
Lalu dari proses adiabatik 1 ke 2 dan 3 ke 4, dapat dituliskan:
Oleh karena itu dengan mensubtitusi semua persamaan di atas, maka COP refrigerasi carnot dapat dihitung menjadi:
Dengan cara yang sama, COP untuk pompa kalor adalah:
Contoh:
Sebuah siklus refrigerasi carnot memiliki temperatur reservoir tinggi 40 oC dan reservoir rendah -3 oC. Jika kerja yang dibutuhkan dalam sistem ini adalah 100 W, berapakah kapasitas pendinginan sistem ini (kalor yang diserap)?
Pada
kasus kompresor dan turbin uap, penentuan sifat zatnya relatif mudah karena
fasanya yang berupa gas. Namun untuk pompa yang fluidanya dalam keadaan subcooled
liquid agak sulit untuk menentukan sifatnya jika asumsi isentropik
digunakan. Hal ini dikarenankan terbatasnya tabel compressed liquid yang
memiliki tekanan terendah 5 MPa sehingga untuk menentukan sifat zat dibawah
tekanan tersebut tidak mudah dilakukan.
Pada
pompa tidak terjadi perubahan fasa, yaitu saat masuk pompa dalam keadaan liquid
dan begitu pula saat keluar pompa masih dalam keadaan liquid. Volume spesifik
dari fasa liquid tidak berubah secara signifikan baik jika temperatur atau
tekanannya diubah selama tidak terjadi perubahan fasa. Oleh karena itu, asumsi
bahwa volume spesifik liquid konstan dapat diterapkan dalam prinsip isentropik
dibawah ini:
Jika
hukum termodinamika I diterapkan pada pompa isentropik maka:
Karena
isentropik maka nilai dq = 0, oleh
karenanya:
Di
sisi lain entalpi spesifik (h) merupakan:
Jika
persamaan (2) digunakan untuk substitusi maka:
Fluida
kerja pada pompa dalam keadaan cair, baik saturasi cair maupun subcooled liquid. Selama fasa masih
dalam keadaan cair, volume spesifik tidak berubah signifikan terhadap tekanan.
Oleh karena itu dapat diasumsikan bahwa volume spesifiknya konstan sehingga:
Contoh:
Pompa
digunakan untuk menaikkan tekanan air dari tekanan 100 kPa, 30 oC
menjadi tekanan 2 MPa. Tentukan berapa kerja yang dibutuhkan pompa ini jika
diasumsikan proses berlangsung secara isentropik?
Untuk
menyederhanakan proses pada turbin, pompa dan kompresor, proses isentropik
sering kali diterapkan. Proses ini mengasumsikan bahwa proses berlangsung
secara adiabatik dan reversible.
Gambar
1. Skema proses turbin, pompa, dan kompresor
Proses
pada turbin dan komporesor yang berlangsung secara isentropik nilai sifat
zatnya mudah didapatkan dengan menggunakan tabel sifat zat. Dalam tabel ada
satu sifat zat yaitu entropi spesifik yang disimbolkan dengan s dalam
satuan kJ/(kg.K). Sama halnya dengan entalpi dan energi dalam, entropi spesifik
ini merupakan nilai relatif dengan referensi tertentu. Bisa jadi dengan
menggunakan tabel yang diterbitkan oleh institusi lain akan menunjukkan nilai
yang berbeda. Namun, jika melihat selisih nilai dari dua keadaan yang berbeda
maka hasilnya akan sama. Proses isentropik berarti tidak ada perubahan entropi
dalam prosesnya. Untuk lebih jelasnya perhatikan contoh berikut:
Contoh
turbin:
Uap
masuk ke dalam turbin dalam keadaan 5 MPa dan 600 oC. Saat keluar
dari turbin menjadi 200 kPa. Jika laju aliran massa uap adalah 5.2 kg/s,
tentukan berapakah kerja yang dihasilkan oleh turbin ini!
Contoh
Kompresor R134a:
Refrigeran
R134a dinaikkan tekanannya dengan menggunakan kompresor dari tekanaan 60 kPa
dan temperatur 0 oC menjadi tekanan 1 MPa. Jika proses terjadi
secara isentropik, berapakah temperatur pada saat keluar dari kompresor dan
kerja yang dibutuhkan setiap 1 kg massa refrigeran!
Sehingga
didapatkan bahwa temperatur R134a saat keluar kompresor adalah 101.26 oC
dan kerja yang dibutuhkan adalah 79.84 kJ untuk setiap kg massa.
Hukum termodinamika pertama dapat menjelaskan konsep
kekekalan energi. Pada prinsipnya energi tidak dapat diciptakan atau
dimusnahkan, namun bentuknya dapat dikonversi menjadi bentuk lain atau
dipindahkan ke objek yang lain. Jika segelas air panas diletakkan di ruangan
yang sejuk, maka lambat laun temperatur air dalam gelas akan turun hingga sama
dengan temperatur ruangan. Hal ini terjadi karena energi kalor yang dimiliki
air berpindah dari air ke ruangan. Akibatnya air kelilangan kalor dan ruangan
menerima kalor dengan besar yang sama. Kasus ini sangat mudah dijelaskan dengan
hukum termodinamika I.
Namun kasus sebaliknya tidak mungkin terjadi. Jika
segelas air yang temperaturnya sama dengan ruangan maka segelas air tidak akan
menjadi panas karena mendapatkan kalor dari ruangan. Jika ditinjau dari hukum
kekekalan energi, kasus ini tidak ada masalah artinya seharusnya proses ini
memungkinkan, tapi kenyataannya tidak. Begitu pula dengan kasus-kasus lain,
pada saat gelas yang jatuh dan pecah akan mengeluarkan suara. Namun jika gelas
yang pecah itu diberikan suara yang sama persis dengan suara gelas yang pecah,
maka pecahan gelas tidak akan menjadi gelas utuh lagi. Hal-hal seperti inilah
yang tidak dapat dijelaskan oleh hukum termodinamika pertama. Oleh karena itu
dibutuhkan hukum ke dua termodinamika.
Terdapat dua pernyataan mengenai hukum termodinamika
II, yaitu:
“Tidak mungkin ada alat yang dapat menerima sejumlah
kalor dari sebuah reservoir dan menghasilkan kerja”
Pernyataan yang dikemukakan oleh Kelvin-Plank ini
mengindikasikan bahwa tidak mungkin efisiensi sebuah mesin kalor bernilai 100%
karena harus ada kalor yang tidak tergunakan menjadi kerja dan harus dibuang
dari sistem.
“Tidak mungkin membuat sebuah alat yang dapat
memindahkan kalor daritemperatur rendah ke temperatur tinggi secara spontan”
Pernayataan ini dikemukakan oleh Clausius yang
menjelaskan bahwa untuk dapat menarik kalor dari benda yang temperatur rendah
ke benda temperatur tinggi tidak mungkin dapat terjadi dengan sendirinya. Namum
diperlukan kerja atau energi eksternal.
Suhu 0 Kelvin adalah suhu terendah yang mingkin dicapai dan
secara teori tidak mungkin ada yang bisa lebih dingin dari pada suhu ini. Pada
titik ini tidak ada energi kalor yang dimiliki oleh zat. Telah disepakati bahwa
0 Kelvin ini setara dengan -273.15 oC.
Apakah pernah ada experimen yang dapat mencapai suhu ini?
Jawabannya tidak (belum ada). Pada tahun 1994 tercatat bahwa
NIST (National Institute of Standards and Technology) dapat mencapai 700 nK. Lalu
pada tahu 2003, para peneliti di MIT memecahkan rekor di 450 pK.
Kalau memang belum ada eksperimen yang dapat mencapai suhu 0
K, bagaiaman para ilmuwan memiliki teori bahwa -273.15 oC adalah
suhu terendah yang mungkin dicapai?
Penentuan suhu absolut nol ini diperoleh dari ekstrapolasi hasil
eksperimen. Mari kita bahas pelan-pelan. Jika ada sebuah wadah kokoh tertutup
berisi gas maka di dalam wadah tersebut akan memiliki tekanan tertentu. Asumsikan
bahwa volume wadah teresbut tidak berubah, maka tekanan pada wadah itu akan
naik jika suhunya naik, begitu juga sebaliknya tekanan akan turun jika suhunya
turun. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat digambar ini:
Ilustrasi
tekanan
dan suhu di dalam wadah
Dengan eksperimen, kita dapat mengambil data kedua besaran
tersbut. Misalnya begini, pertama kita panaskan wadah tersebut, akibatnya
tekanan dalam wadah tesebut tinggi. Dengan mengguanakan alat ukur, kita bisa
ukur dan catat berapa tekanan dan berapa suhunya. Lalu, kita tunggu beberapa
saat sehingga suhunya turun. Dengan suhu yang lebih rendah maka tekanannya pun
juga rendah. Lagi, dengan cara yang sama kita catat berapa tekanan dan suhunya.
Begitu seterusnya hingga kita bisa dapatkan beberapa pasangan data. Kalau
data-data ini kita buat dalam grafik maka kurang lebih gambarnya akan seperti
ini:
Ilustrasi
grafik suhu dan tekanan pada wadah tertutup
Titik-titik merah didapat dari data percobaan. Dari data
tesebut kita bisa buat “trendline” atau “fitting curve”, ditunjukkan oleh garis
biru. Nah, kalau kita panjangkan (ekstrapolasi) garis tersbut sampai tekanan 0
kPa, maka kita bisa dapatkan suhunya adalah di sekitar -273 oC.
Semakin baik alat ukur dan peralatan eksperimen maka kita bisa dapatkan hasil
yang lebih akurat.
Secara teori kinetik gas, molekul gas yang berada di dalam
wadah selalu bergerak dengan kecepatan tertentu. Akibtanya molekul-molekul gas
ini memiliki energi kinetik. Molekul-molekul gas ini saling menumbuk satu sama
lain dan juga menumbuk dinging wadah. Hal ini mengakibatkan adanya tekanan
dalam wadah. Saat suhunya tinggi, maka kecepatan bergerak molekul makin cepat,
energi kinetik meningkat, dan tekanan juga meningkat. Begitu pula sebaliknya, saat
suhunya turun, molekul-molekul gas bergerak lebih lambat, energi kinetik
menurun dan tekanan menurun. Nah, berdasarkan ekstrapoalasi, pada saat
tekanannya nol, suhunya adalah sekitar -273 oC. Tekanan nol ini
dapat juga diartikan energi kinetik molekul gas dalam wadah juga nol. Hal in
berimplikasi bahwa molekul-molekul gas tidak bergerak. Itulah mengapa secara
teori pada saat suhu berada di 0 K (-273.15 oC) dikatakan bahwa molekul
pada sebuah zat akan diam.
Secara
skematik sistem CFWH ditunjukkan gambar dibawah. Penukar kalor digunakan dalam
sistem ini untuk memanaskan air yang akan masuk ke boiler dengan menggunakan
sebagian uap yang keluar dari turbin. Analisis aliran energi dan massa siklus
dijabarkan berikut:
Gambar 3 skema CFWH
Keywords: Closed Feed Water Heater, Regeranatif, Siklus Rankine, Steam Power plant, PLTU
