fisika industri 12

Fisika Industri

Penerapan Ilmu Termodinamika Dalam Industri Otomotif dan

Sistim Pendingin Ruangan

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan prosesTermodinamika adalah cabang fisika yang berkaitan dengan hubungan antara kalor dan bentuk energi lainnya. Secara khusus, ia menjelaskan bagaimana energi kalor diubah ke dan dari bentuk-bentuk lain dari energi dan bagaimana hal itu mempengaruhi materi.

PROSES-PROSES TERMODINAMIKA Proses Isobarik (1)

Tekanan konstan Proses Isotermis (2) Temperatur kontan Proses Adiabatis (3) Tidak ada kalor yang hilang Proses Isokorik (4) Volume konstan

Hukum-hukum Dasar TermodinamikaTerdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:Ø Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika .Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.Ø Hukum Pertama TermodinamikaHukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Ø Hukum kedua TermodinamikaHukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.Ø Hukum ketiga TermodinamikaHukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperature nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolute bernilai nol.

1. Motor BakarMotor bakar adalah mesin kalor atau mesin konversi energi yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik berupa kerja. Pada dasarnya mesin kalor (Heat Engine)

2. Mesin pendingin merupakan mesin yang berfungsi untuk memindahkan panas dari lingkungan bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi.

Mesin Kalor : Mesin Pembakaran Luar

- Mesin uap

Mesin Pembakaran Dalam- Motor Bakar Torak

Macam bahan bakar yang bisa digunakan lebih banyak Mesin uap lebih bebas getaran Turbin uap lebih praktis untuk daya tinggi, misal > 2000 PS

Mesin lebih sederhana, kompak, ringanTemperatur seluruh bagian mesin lebih rendahLebih efisien

Motor Bakar

Bahan Bakar

DayaMotor Bakar

• Automobiles• Power Generation• Submarines• Diesel Locomotive

Energi Kimia Energi Panas Power

Motor Bakar

• Motor bakar 4 langkah (four strokes engine)Setiap satu siklus kerja memerlukan 4 kali langkah kerja, 2 putaran poros engkol

1. Langkah hisap- Torak dari TMA TMB- Katup isap (KI) terbuka- Katup buang (KB) tertutup- Campuran bahan bakar dan udara masuk

2. Langkah kompresi- Torak dari TMB TMA- KI dan KB tertutup- Tekanan dan Temperatur naik akibat kompresi

4. Langkah buang- Torak dari TMA TMB- KI tertutup- KB terbuka- Gas hasil pembakaran keluar

3. Langkah Ekspansi- Sebelum torak mencapai TMA busi menyala dan terjadi pembakaran.- Terjadi langkah kerja torak dari TMA TMB- KI dan KB tertutup

Motor bakar 2 langkah (two strokes engine)Setiap satu siklus kerja memerlukan 2 kali langkah kerja, 1 kali putaran poros engkol.

Motor bakar 2 langkah tidak mempunyai katup isap maupun katup buang, dan digantikan oleh dua lubang yaitu lubang buang dan lubang isap.

Siklus Ideal Motor Bakar Jenis Motor Bakar :

Motor Bensin (Spark Ignition Engine) Motor Diesel (Compression Ignition Engine)

Siklus Udara pada Motor Bakar : Siklus udara volume-konstan (siklus Otto) Siklus udara tekanan-konstan (siklus Diesel) Siklus udara tekanan terbatas (siklus Gabungan)

Siklus Ideal Otto

1. Fluida kerja dianggap gas ideal2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses tekanan

konstan.3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan proses

isentropik4. Proses pembakanan pada volume konstan (2 →

3) adalah proses pemasukan kalor.5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses

isentropik6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap sebagai

proses pengeluaran kalor pada volume konstan.

7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada tekanan konstan

0

Thermal Efficiency of the Otto cycle:

thnet

in

net

in

in out

in

out

in

WQ

QQ

Q QQ

QQ

1

Now to find Qin and Qout. Apply first law closed system to process 2-3, V = constant.

Thus, for constant specific heats,

Q U

Q Q mC T Tnet

net in v

,

, ( )23 23

23 3 2

Apply first law closed system to process 4-1, V = constant.

Thus, for constant specific heats,Q U

Q Q mC T T

Q mC T T mC T T

net

net out v

out v v

,

, ( )

( ) ( )

41 41

41 1 4

1 4 4 1

The thermal efficiency becomes

th Otto out

in

v

v

QQmC T TmC T T

,

( )( )

1

1 4 1

3 2

th OttoT TT TT T TT T T

,( )( )

( / )( / )

1

1 11

4 1

3 2

1 4 1

2 3 2

Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so

Since V3 = V2 and V4 = V1, we see thatTT

TT

orTT

TT

2

1

3

4

4

1

3

2

The Otto cycle efficiency becomes

th OttoTT, 1 1

2

Is this the same as the Carnot cycle efficiency? Since process 1-2 is isentropic,

where the compression ratio is r = V1/V2 and

th Otto kr, 1 11

Contoh:Sebuah siklus Otto mempunyai perbandingan kompresi 8. Pada awal proses kompresi tekanan dan temperature udara 100 kPa dan 17 oC. Panas yang diberikan selama proses volume konstan 800 kJ/kg udara. Jika harga k = 1,4 dan cv = 718 J/kg K. Hitunglah :1.Temperatur dan tekanan pada setiap siklus2.Kerja bersih 3.Efisiensi termal4.Tekanan efektip rata-rata

Penyelesaian:

1.Temperatur dan tekanan pada setiap siklusPada titik 1:Temperatur , T1 = 290 KTekanan, p1 = 100 kPa

Mesin Pendingin Siklus Kompresi Uap

Cara kerja dari mesin pendingin dengan siklus refrigerasi kompresi uap adalah sebagai berikut :“Fluida kerja dikompresikan di dalam kompresor dari tingkat keadaan 1 ke tingkat keadaan 2, pada tekanan tinggi ini fluida kerja ini diembunkan di dalam kondensor ke tingkat keadaan 3 dan kemudian diekspansikan dengan katup ekspansi ke tingkat keadaan 4 dan berevaporasi di dalam evaporator kembali ke tingkat keadaan 1.”

Sistim Pendingin Siklus Kompresi Uap