1. KELOMPOKAndika Mandagi Carrol Rapar Cindy Wuisang Grif Montolalu Ricky MoniungRyan Rori

2. MOTOR PEMBAKARAN DALAM kebanyakan turbin gas juga tergolong motor pembakaran dalam, istilah ini biasanya berlaku untuk mesin-mesin pembakaran dalam bertorak dengan tipe yang umum dipakai pada mobil, truk dan bus. Mesin-mesin ini memiliki perbedaan jika dibandingkan dengan mesin pembangkit tenaga (power plant) yang dibahas sejauh ini karena proses pembakaran terjadi melalui pengaturan piston-piston silinder secara bolak balik dan bukan melalui suatu deretan komponen-komponen berbeda yang saling terhubung. Ada dua jenis mesin pembakaran dalam bertorak ialah mesin dengan pangapian-nyala (sparkignition) dan kompresi-nyala (compression ignition). 3. 9.1 ISTILAH MESINANALISIS STANDAR UDARA Pembahasan rinci mengenai kinerja dari suatu mesin pembakaran dalam bertorak akan melibatkan berbagai fitur. Fitur-fitur tersebut antara lain adalah proses pembakaran yang terjadi di dalam silinder, dan efek ireversibilitas yang berkaitan dengan gesekan dan dengan perbedaan-perbedaan tekanan dan temperatur. 4. Dalam upaya untuk mempermudah pemahaman mengenai proses termodinamika yang terjadi di dalam motor pembakaran dalam bertorak, maka diperlukan beberapa penyederhanaan. Salah satu prosedur penyederhanaan tersebut adalah penerapan analisis standar udara yang terdiri dari elemen-elemen berikut : 5. 1. Fluida kerja merupakan udara dalam jumlahtertentu yang dimodelkan sebagai gas ideal.2. Proses pembakaran digantikan oleh perpindahankalor yang berasal dari sebuah sumber luareksternal.3. Tidak ada proses isap dan buang sebagaimanaterdapat pada mesin actual. Siklus diselesaikanmelalui sebuah proses perpindahan panas yangterjadi pada volume konstan sementara pistonberada pada posisi titik mati bawah.4. Semua proses yang terjadi bersifat reversible 6. Siklus otto standar udara merupakan siklus ideal yangmengasumsikan bahwa penambahan kalor terjadi seketikaketika piston berada pada titik mati atas. Siklus otto dapatdilihat melalui diagram p-v dan T-s pada gambar 9.3.9.3 diagram p-v dan diagram T-s dari siklus otto standar udara. 7. Siklus tersebut terdiri dari empat buah proses yang secarainternal reversible di dalam satu rangkaian. Proses 1-2merupakan kompresi isentropic pada udara yang terjadiselama piston bergerak dari titk mati bawah menuju titikmati atas. Proses 2-3 merupakan proses terjadinyapelepasan kalor pada volume konstan dari sumbereksternal ke udara ketika piston berada pada titik matiatas. Proses ini merepresentasikan pemantikan campuranudara dan bahan bakar dan proses pembakaran yang cepatyang terjadi selanjutnya. Proses 3-4 merupakan prosesekspansi isentropic (langkah kerja). Siklus diselesaikandengan proses 4-1 yang terjadi pada volume konstan dimana kalor akan dikeluarkan dari udara pada saat pistonberada pada titik mati bawah. 8. Karena siklus otto standar udara terdiridari proses yang secara internalreversible, daerah pada diagram T-s danp-v pada gambar 9.3 secara berturut-turut dapat diartikan sebagai kalor dankerja. Pada diagram T-s, daerah 2-3-a-b-2 mewakili kalor yang ditambahkan persatuan massa dan daerah 1-4-a-b-1mewakili kalor yang dibuang per satuanmassa. Pada diagram p-v daerah 1-2-a-b-1 menunjukan besarnya kerja yangdimasukkan per satuan massa padaproses kompresi dan daerah 3-4-b-a-3merupakan kerja yang telah dilakukanper satuan massa selama prosesekspansi. Daerah yang tertutup padatiap gambar tersebut dapat diartikansebagai besarnya kerja netto yangdihasilkkan, atau ekuivalen dengankalor netto yang ditambahkan. 9. Analisis siklus. Siklus otto standar udara terdiri dari dua buah proses di manaterjadi kerja tetapi tidak terjadi perpindahan kalor, proses 1-2 dan 3-4, dan duaproses di mana terjadi perpindahan kalor tetapi tidak terjadi kerja, Proses 2-3 dan4-1. Hubungan di antara perpindahan energy ini dapat disederhanakan denganmenganggap bahwa perubahan energy kinetic dan potensial yang terjadi padakesetimbangan energy di dalam system tertutup tersebut dapat diabaikan.Hasilnya adalah: Persamaan 9.2 10. Perhatikan baik-baik bahwa di dalam menuliskan persamaan 9.2, kita melanggarkebiasaan penggunaan tanda untuk kalor dan kerja. Dalam menganalisis siklus,sering kali lebih mudah jika kita menganggap seluruh kerja dan perpindahankalor sebagai kuantitas positif. Jadi W12/m merupakan angka positif yangmenunjukan besarnya kerja yang dimasukkan selama langkah kompresi danQ41/m merupakan angka positif yang menunjukkan besarnya kalor yangdikeluarkan di dalam proses 4-1. Kerja netto dari siklus dapat dinyatakan sebagaiberikut. 11. Siklus disel standar udara merupakan siklusideal yang mengasumsikan bahwapenambahan kalor berlangsung di dalamsebuah proses dengan tekanan konstan yangdimulai dengan kondisi piston berada padatitik mati atas. 12. Analisis siklus. Pada siklus diesel, penambahan kalor terjadi pada tekanan konstan. Oleh karena itu, proses 2-3 melibatkan kerja dan kalor. Kerja diberikan melalui (persamaan 9.9)Kalor yang masuk di dalam proses 2-3 dapat ditentukan melalui kesetimbangan system energytertutup 13. Dengan menggunakan persamaan 9.9 dan menghitung perpindahan kalor(persamaan 9.10)Dimana entalpi spesifik digunakan untuk mempermudah persamaan. Sebagaimanaterdapat pada siklus otto, kalor yang keluar di dalam proses 4-1 diberikan melalui 14. Efisiensi termal adalah perbandingan antara besarnya kerja netto yangdihasilkan pada siklus dengan kalor yang masuk(persamaan 9.11) 15. Untuk mengevaluasi besarnya efisensi termal pada persamaan 9.11 dibutuhkannilai-nilai u1, u4,h2 dan h3 atau mengetahui karakteristik temperature yangterjadi pada tiap proses utama di dalam siklus tersebut. Selanjutnya mari kitapikirkanbagaimana temperature-temperatur tersebut dievaluasi. Untukmenggunakan hubungan persamaan isentropic dan data vr 16. Untuk mengetahui nilai T3, perhatikan bahwa dengan nilai p3 =p2 persamaan gas ideal menjadi lebih sederhana sehinggamemberikanDi mana telah diperkenalkan nilai rc =V3/V2 yang disebut juga cutoff ratio(rasio pemotongan). 17. Karena V4=V1, maka rasio volume pada proses isentropic 3-4 dapat dinyatakansebagai (persamaan 9.12) Di mana rasio kompresi r dan cutoff ratio rc telah diperkenalkan untuk menyingkat penulisan. 18. Dengan menggunakan persamaan 9.12 dan data vr3 padatemperature T3, nilai temperature T4 dapat dihitung melaluiinterpolasi setelah nilai dari vr4 diperoleh melalui persamaanisentropic Pada analisis standar udara dingin, persamaan yang tepat untuk digunakan untuk mendapatkan nilai dari T2 adalah 19. Temperatur T4 dapat dihitung dengan menggunakan hubunganDimana persamaan 9.12 telah digunakan untuk menggantikan rasio volume. 20. Analisis siklus. Karena siklus rangkap terdiri dari jenis proses yang sama dengansiklus otto dan siklus diesel, kita dapat dengan mudah menuliskan hubungan-hubungan untuk kerja dan kalor dengan mengacu kepada pengembangan-pengembangan sebelumnya. Jadi, selama proses kompresi isentropic 1-2 tidakterjadi perpindahan kalor, dan kerja dinyatakan sebagai 21. Seperti pada proses serupa yang terdapat pada siklus otto, di dalambagian volume konstan dari proses penambahan kalor, proses 2-3, tidakterdapat kerja, dan perpindahan kalor dinyatakan sebagai 22. Didalam bagian tekanan konstan pada proses penambahan kalor, proses 3-4, terdapat kerja dan perpindahan kalor, seperti terdapat di dalam prosesserupa pda siklus dieselSelama proses ekspansi isentropic 4-5 tidak terdapat perpindahankalor, dan kerja adalah 23. Akhirnya, proses pelepasan kalor 5-1 pada volume konstan yang mengakhiri siklusini melibatkan proses perpindahan kalor, tapi tidak terdapt kerjaEfisiensi termal adalah rasio antara kerja netto dari siklus terhadap kalor totalyang ditambahkan(persamaan 9.14) 24. PEMBANGKIT TENAGA TURBIN GAS Turbin gas memiliki karakteristik ringan serta lebih ringkas jika dibandingkan dengan turbin uap. Nilai rasio output tenaga terhadap berat yang tinggi yang dimiliki turbin gas membuatnya sangat cocok untuk di pakai di dalam aplikasi transportasi. 25. 9.5 PEMODELAN PEMBANGKIT TENAGA TURBIN GASPembangkit tenaga turbin gas dapat dioperasikan baik pada systemterbuka maupun system tertutup.Bentuk penyederhanaan yang sering dipakai di dalam studi mengenaipembangkit tenaga turbin gas siklus terbuka analisis standar udara. Didalam analisis standar udara ada dua asumsi yang senantiasa digunakan: 26. (1)Fluida kerja yangdigunakan adalahudara yang berlakusebagai gas ideal,dan (2) kenaikannilai temperatureyang disebabkanoleh prosespembakaran dicapaimelaluiperpindahan kaloryang berasal darisumber eksternal. 27. 9.6 SIKLUS BRAYTON STANDAR UDARADiagram skematik dari turbin gas standar udaradiperlihatkan pada gambar 9.9. 28. Arah perpindahan energy utama yang terjadi ditunjukkan olehtanda panah. Sesuai dengan asumsi-asumsi di dalam analisisstandar udara, naiknya nilai temperature yang akan dihasilkan olehproses pembakaran diperoleh melalui perpindahan kalor menujufluida kerja dari sumber eksternal dan fluida kerja dianggap adalahudara yang memiliki sifat gas ideal. Dengan menggunakanidealisasi standar udara, udara akan dihisap dari lingkungan sekitarke dalam kompresor pada kondisi 1 dan nantinya dikembalikan lagike lingkungan pada kondisi 4 dengan temperature yang lebihtinggi dari suhu lingkungan. Setelah berinteraksi denganlingkkungan, setiap unit massa udara yang dilepaskan akankembali ke kondisi yang sama seperti saat akan memasukikompresor, dengan demikian kita dapat menganggap bahwa udarayang melewati turbin gas sedang menjalani sebuah siklustermodinamika. Representasi yeng sederhana untuk tahap-tahapyang dilewati oleh udara di dalam siklus semacam itu dapat dibuatdengan menganggap bahwa udara buangan dari turbindikembalikan ke kondisi seperti pada saat memasuki kompresordengan cara melewati sebuah alat penukar kalor yang di dalamnyaterjadi pembuangan kalor ke lingkungan sekitar. 29. 9.7 TURBIN GAS REGENERATIFTemperature di pembuangan turbin pada sebuah turbin gas biasanyajauh lebih besar jika dari temperature lingkungan. Olehkarenanya, gas panas yang keluar dari pembuangan turbin memilikipotensial untuk digunakan yang akan hilang tak kembali jika gastersebut langsung dibuang ke lingkungan. Salah satu cara untukmemanfaatkan potensi tersebut adalah dengan menggunakan alatpenukar kalor yang dinamakan regenerator, di mana udara yangkeluar dari kompresor akan melalui proses pra-pemanasan yangdibutuhkan untuk pembakaran 30. Siklus brayton standar udara yang sudah dimodifikasi denganmemakai regenerator diperlihatkan pada gambar 9.14. regeneratoryang ditunjukkan merupakan alat penukar kalor kontra aliran dimana udara panas dari pembuangan turbin dan udara lebih dinginyang meninggalkan kompresor lewat dengan arah yang berlawanan.Idealnya, tidak terdapat penurunan tekanan akibat gesekan di dalamkedua aliran tersebut. Gas pembuangan turbin akan didinginkandari kondisi 4 sampai kondisi y, sementara udara yangmeninggalkan kompresor dipanaskan padakondisi 2 sampai kondisix. dengan demikian, perpindahan kolor yang berasal dari sumbereksternal ke dalam siklus hanya dibutuhkan untuk manaikkantemperature udara dari kondisi x sampai kondisi 3, dan bukan darikondisi 2 menuju kondisi 3, yang merupakan proses yang terjadi didalam kasus tanpa regenerasi. Penambahan kalor per satuan massadiberikan melalui 31. Qin/m = h3/hxKerja netto yang dihasilkan per satuan massa aliran tidakberubah dengan adanya penambahan regenerator. Olehkarena itu, karena penambahan kalorberkurang, efisiensi termal akan meningkat. 32. 9.8 TURBIN GAS REGENERATIF DENGAN PEMANASANULANG DAN INTERCOOLING1. TURBIN GAS DENGAN PEMANASAN ULANG Dengan alasan-alasan metalurgis, temperature dari gas hasil pembakaran yang memasuki turbin harus dibatasi. Temperature ini dapat dikontrol dengan cara memberikan udara berlebih dari yang dibutuhkan dalam proses pembakaran di dalam ruang bakar. Sebagai konsekuensinya, gas yang meninggalkan ruang bakar mengandung udara yang cukup untuk mendukung pembakaran bahan akar tambahan. Beberapa pembangkit tenaga turbin gas memanfaatkan udara berlebih ini melalui penerapan turbin multi tingkat yang dilengkapi dengan reheat combustor di antara tingkat-tingkat yang ada. 33. 2. KOMPRESI DENGAN INTERCOOLINGBeberapa kompresor besar memiliki beberapa tingkatan kompresi denganintercooling di antara tiap tingkatan. Penentuan jumlah tingkatan dankondisi pengoperasian berbagai intercooler merupakan masalah di dalamoptimalisasi. Penggunaan kompresi multi tingkat dengan intercooling didalam pembangkit tenaga turbin gas meningkatkan kerja netto yangdihasilkan dengan cara mengurangi kerja kompresi. Kompresi denganintercooling itu sendiri tidak akan selalu meningkatkan efisiensi termal padaturbin gas, karena temperature udara yang memasuki ruang bakar akanberkurang. 34. PEMANASAN ULANG DAN INTERCOOLINGPemanasan ulang di antara tingkatan turbin dan intercooling diantara tingkatan kompresor akan memberikan dua keuntunganpenting: keluaran kerja netto akan meningkat, dan potensi untukregenerasi akan bertambahSalah satu pengaturan yang melibatkan pemanasan ulang,intercooling dan regenerasi dapat terlihat pada gambar 9.19.Turbin gas ini memiliki dua tingkatan kompresi dan dua tingkatanturbin. Diagram T-s yang tertera telah digambarkan untukmengindikasikan ireversibilitas di dalam tingkatan-tingkatankompresor dan turbin. Penurunan tekanan yang terjadi ketikafluida kerja melewati intercooler, regenerator dan ruang bakartidak ditunjukkan. 35. 9.9 TURBIN GAS PADA PROPULSI PESAWAT TERBANGTurbin gas terutama sangat cocok untuk digunakan untuk propulsi pesawatterbang karena memiliki rasio tenaga terhadap berat yang sangat baik.Mesin turbojet umum digunakan untuk tujuan tersebut. Seperti terlihatpada gambar 9.20, tipe mesin ini terdiri dari tiga bagian utama: diffuser,generator gas, dan nozel. 36. Perubahan keseluruhan yang terjadi pada kecepatan gas relativeterhadap mesin membangkitkan gaya propulsive, atau gaya dorong.Beberapa turbojet dilengkapi dengan afterburner, seperti terlihat padagambar 9.21. 37. 9.10 SIKLUS GABUNGAN TURBIN GAS TENAGA UAP Siklus tenaga gabungan terdiri dari dua buah siklus tenaga sedemikian rupa sehingga energy yang dikeluarkan memalui kalor dari satu siklus digunakan sebagian atau keseluruhan sebagai masukan untuk siklus yang satunya. Aliran yang meninggalkan turbin di dalam sebuah turbin gas berada pada temperature tinggi. Salah satu cara untuk memanfaatkan potensi dari aliran gas bertemperatur tinggi ini, sehingga meningkatkan pemanfaatan bahan bakar secara keseluruhan, adalah dengan menggunakan regenerator yang memakai gas buangan dari turbin untuk memanaskan udara antara kompresor dan ruang bakar. Metode lainnya diberikan oleh siklus gabungan yang diperlihatkan pada gambar 9.23, yang melibatkan siklus turbin gas dan siklus tenaga uap. Kedua siklus tenaga tersebut digabungkan sehingga perpindahan kalor ke siklus pembangkit tenaga uap diberikan oleh siklus turbin gas, yang dapat disebut siklus topping. 38. Di dalam banyak aplikasi, siklus gabungan ekonomis untuk digunakan,dan penggunaannya sebagai pembangkit daya listrik terus meningkat diseluruh dunia. 39. Mengacu kepada gambar 9.23, efisiensi termal dari siklus gabungan adalah (persamaan 9.28)Dimana Wgas adalah daya notto yang dihasilkan oleh turbin gas dan Wuapadalah daya notto yang dihasilkan oleh siklus uap. Qin adalah lajuperpindahan kalor total ke siklus gabungan, termasuk perpindahan kalortambahan, jika ada, yang dipakai untuk memanasi lebih lanjut (superheat)uat pang memasuki turbin uap. Perhitungan kuantitas-kuantitas yangmuncul di dalam persamaan 9.28 mengikuti prosedur yang telah digunakandidalam subbab tentang siklus uap dan turbin gas. 40. Hubungan untuk perpindahan energy dari siklus gas menuju siklus uap padasystem di dalam gambar 9.23 diperoleh dengan cara menerapkankesetimbangan laju massa dan energy ke volume atur yang melingkupi alatpenukar kalor. Untuk pengoperasian pada kondisi tunak, perpindahan kalorke lingkungan yang dapat diabaikan, dan tidak terdapat perubahan-perubahan signifikan pada energy kinetic dan potensial, hasilnya adalahDimana mg dan mv berturut-turut adalah laju aliran massa dari gasdan uap. 41. 9.11 SIKLUS ERICSSON DAN STIRLINGGambar 9.24a menunjukkan siklus tertutup turbin gas regenerative yangideal yang memiliki beberapa tingkatan kompresi dan ekspansi dansebuah regenerator yang memiliki keefektifan 100%.Setiap intercooler diasumsikan mengembalikan fluida kerja ke temperatureTc di awal tingkatan kompresi pertama dan setiap alat pemanas ulangmengembalikan fluida kerja ke temperature TH pada awal tingkatan turbinpertama. 42. Regenerator mengijinkan masukan kalorpada proses 2-3 didapat dari kalor yangterbuang pada proses 4-1. Dengan demikiansemua penambahan kalor dari luar terjadi didalam alat-alat pemanas ulang, dan semuakalor yang terbuang ke lingkungan terjadi didalam intercooler. Pada kondisi limit, dimana tingkatan pemanasan ulang danintercooler yang dipakai memiliki jumlah takterhingga, semua penambahan kalor terjadipada saat fluida kerja mencapai temperaturetertinggi, TH, dan semua kalor yang terbuangterjadi pada saat fluida kerja mencapaitemperature terendah, Tc,. Siklus limit ini,yang diperlihatkan pada gambar 9.24b,dinamakan siklus Ericsson. Karenaireversibilitas diasumsikan tidak ada dansemua kalor dipasok dan dibuang secaraisothermal, efisiensi termal pada siklusEricsson adalah sama dengan siklur tenagareversible manapun yang dioperasikandengan penambahan kalor pada temperatureTH dan pembuangan kalor pada temperatureTC : maks= 1- Tc/TH. Persamaan ini telahdigunakan sebelumnya untuk mengevaluasiefisiensi termal dari siklus tenaga Carnot.Meskipun detail dari siklus Ericsson berbedadengan siklus Carnot, kedua siklus tersebutmemiliki nilai efisiensi termal yang samaketika beroperasi antara temperature TH danTC. 43. Siklus stirling. Siklus lain yang juga menggunakan regenerator adalah siklusstirling, diperlihatkan oleh diagram p-v dan T-sSiklus tersebut terdiri dari empat proses yang reversible secara internal:kompresi isothermal dari kondisi 1 sampai kondisi 2 pada temperature TC,pemanasan pada volume konstan dari kondisi 2 sampai kondisi 3, ekspansiisothermal dari konsisi 3 sampai kondisi 4 pada temperature TH, pendinginanpada volume konstan dari kondisi 4 menuju kondisi 1 untuk melengkapi siklusini.Dan dapat disimpulkan bahwa nilai efisiensi termal pada siklus stirling diberikan melaluipersamaan yang sama seperti yang digunakan pada siklus Carnot maupun Ericsson.Siklus Ericsson dan stirling terutama diperlukan untuk tujuan-tujuan teoritis sebagai siklus yang menunjukan efisiensi termal yangsama seperti siklus Carnot. Walau demikian, sebuah mesinpraktis bertipe piston silinder yang dioperasikan berdasarkan siklusregenerative tertutup dan memiliki ciri yang mirip dengan siklusstirling telah dikembangkan dalam beberapa tahun belakanganini. 44. ALIRAN KOMPRESIBEL MELALUI NOZEL DAN DIFUSER Di dalam banyak aplikasi teknik, gas bergerak pada kecepatan yang relative tinggi dan menunjukkan perubahan-perubahan kerapatan yang cukup besar. Aliran yang melewati nozel dan diffuser pada mesin jet merupakan contoh penting. Contoh-contoh lain adalah aliran yang melewati terowongan angin, tabung kejut, dan ejector uap. Aliran-aliran tersebut dikenal dengan nama aliran kompresibel. 45. 9.12 PENDAHULUAN MENGENAI ALIRAN KOMPRESIBELPERSAMAAN MOMENTUM UNTUK ALIRAN SATU DIMENSI TUNAK Analiis mengenai aliran kompresibel membutuhkan penerapan prinsip- prinsip konservasi massa dan energy, hukum kedua termodinamika, dan hubungan di antara sifat-sifat termodinamika dari gas yang mengalir. Sebagai tambahan, hukum gerak kedua Newton juga dibutuhkan. Penerapan hukum gerak kedua Newton ke system dengan massa konstan (system tertutup) melibatkan bentuk persamaan yang sudah dikenal F=maMomentum juga dapat dibawa masuk dan keluar dari volume aturmelalui lubang-lubang masuk dan keluar, dan perpindahan-perpindahanyang terjadi dapat dihitung melalui 46. (persamaan 9.30)Didalam persamaan tersebut, momentum per satuan massa yang mengalirmelewati batas daerah volume atur diberikan melalui vector kecepatan V. sesuaidengan model aliran satu dimensi, vector memiliki arah normal (tegak lurus)terhadap lubang masuk maupun lubang keluar dan memiliki orientasi yangsearah dengan aliran. 47. Dengan kata lain, hukum gerak kedua Newton yang diterpkan kepada volume aturadalah 48. Pada kondisi tunak, total momentum yang terkandung di dalam volume atur adalahkonstan terhadap waktu. Dengan demikian, pada saat menerapkan hukum gerak keduaNewton terhadap volume atur, yang perlu diperhatikan hanyalah momentum yangmenyertai aliran benda-benda yang masuk dan keluar dan gaya yang bekerja padavolume atur. Hukum Newton kemudian menyatakan bahwa besarnya gaya resultan Fyang bekerja pada volume atur adalah setara dengan selisih di antara laju momentumyang keluar dan yang masuk melalui volume atur yang menyertai aliran massa. Inidinyatakan di dalam persamaan momentum berikut(persamaan 9.31) Oleh karena m1 dan m2 pada kondisi tunak, aliran massa di dalam persamaan ini akan diberikan notasi m saja. Gaya resultan terdiri dari gaya-gaya yang disebabkan oleh tekanan yang bekerja pada lubang masuk dan lubang keluar, gaya-gaya yang bekerja di bagian volume atur di mana tidak terjadi aliran massa, dan gaya gravitasi. Persamaan hukum gerak kedua Newton diberikan oleh persamaan 9.31 sudah cukup untuk diskusi lebih lanjut. Formulasi volume atur yang lebih umum biasanya diberikan di dalam naskah- naskah mekanika fluida. 49. KECEPATAN SUARA DAN BILANGAN MACHGelombang suara merupakan gangguan tekanan kecil yang merambat melaluigas,zat cair, ataupun zat padat pada kecepatan c yang tergantung dari sifat medianya.Didalam subbab ini kita akan mencari persamaan yang menghubungakan kecepatansuara, atau kecepatan sonic, dengan property-property lain. Kecepatan suaramerupakan property yang penting di dalam studi mengenai aliran kompresibel.PROPERTI-PROPERTI STAGNASIKondisi stagnasi merupakan kondisi yang akan dicapai oleh fluida yang mengalirjika kecepatannya dikurangi secara isentropic hingga mencapai nol.kita dapatmembayangkan situasi ini terjadi di dalam sebuah diffuser yang beroperasi padakondisi tunak. Dengan merduksi kesetimbangan energy pada diffuser semacamitu, dapat disimpulkan bahwa entalpi pada kondisi stagnasi yang berhubungandengan kodisi actual di dalam aliran yang memiliki entalpi spesifik h dan kecepatanV diberikan melaluiho = h + V2/2 (persamaan 9.39)entalpi ditandakan melalui ho di sini disebut sebagai entalpi stagnasi. Tekananpo dan temperature To pada kondisi stagnasi disebut berturut-turut sebagaitekanan stagnasi dan temperature stagnasi. 50. 9.13 ALIRAN TUNAK SATU DIMENSI DI DALAM NOZELDAN DIFUSER1. EFEK PERUPAHAN AREA DI DALAM ALIRAN SUBSONIK DAN SUPERSONIKPersamaan diferensial yang mengatur. Kita akan memulai denganmemperhatikan sebuah volume atur yang melingkupi sebuah nozel atau diffuser.Pada kondisi tunak, laju aliran massa memiliki nilai konstan, sehingga AV = konstanBentuk diferensialnya adalah Atau setelah menbagi tiap suku dengan (persamaan 9.40) 51. Dengan menggunakan persamaan 9.39, terbukti bahwa entalpi stagnasi padakondisi 1 dan 2 memiliki nilai sama :ho2=ho1. Karena setiap konsisi yang berada didaerah hilir dari lubang masuk dapat dianggap sebagai kondisi 2, hubunganberikut antara entalpi spesifik dan energy kinetic harus dapat dipenuhi padasetiap kondisi (persamaan 9.41)Persamaan ini menunjukkan bahwa jika kecepatan meningkat(berkurang) searah dengan aliran, entalpi spesifik harusberkurang (meningkat) searah dengan aliran, dan sebaliknya. 52. Sebagai tambahan dari persamaan 9.40 dan 9.41 yang menyatakan konservasimassa dan energy, hubungan di antara berbagai property juga harusdipertimbangkan. Dengan mengasumsikan bahwa aliran terjadi secaraisentropic, hubungan property(persamaan 9.42)Persamaan ini menunjukanbahwa tekanan meningkatatau berkurang searah dengan aliran, entalpi spesifikakan berubah dengan cara yang sama. 53. Jika kita mengambil diferensial dari hubungan property p = p(p,s)Suku yang kedua akan hilang di dalam aliran isentropic.Dengan menggunakan persamaan 9.36a kita dapatmemperolehYang menunjukkan bahwa jika tekanan meningkat(berkurang) searah dengan aliran, perubahan kerapatan akanberubah dengan cara yang sama. 54. Kesimpulan tambahan dapat diambil dengan menggabungkan persamaan-persamaan diferensial di atas. Dengan menggabungkan persamaan 9.41 dan 9.42akan diperoleh(persamaan 9.44)Yang menunjukkan bahwa jika kecepatan meningkat (berkurang) searahdengan aliran, tekanan akan berkurang (meningkat) searah dengan aliran,dan sebaliknya. Dengan menghilangkan dp di antara persamaan 9.43 dan 9.44 dan menggabungkan hasilnya dengan persamaan 9.40, maka akan didapatkan Atau dengan bilangan Mach (M) (persamaan 9.45) 55. 2. EFEK TEKANAN BALIK TERHADAP LAJU ALIRAN MASSATekanan balik adalah tekanan di daerah pembuangan di bagian luar nozel. Kasusnozel divergen akan dibahas lebih dahulu, dan setelah itu nozel konvergendivergen akan dibahas.Nozel konvergen. Gambar 9.29menunjukkan pipa konvergen dengankondisi stagnasi di lubang masuk, yangmembuang ke daerah di mana tekananbalik pB dapat diubah-ubah. Untuk suatuurutan kasus yang diberi symbol a sampaie, marilah kita memperhatikan bagaimanalaju aliran massa m dan tekanan keluarnozel pE berubah ketika tekanan balikditurunkan sementara kondisi inlet dijaga 56. Nozel konvergen-divergen. Gambar 9.30 memberikan illustrasi mengenaiefek tekanan balik terhadap nozel konvergen-divergen. 57. 9.14 ALIRAN DI DALAM NOZEL DAN DIFUSER UNTUK GAS IDEAL DENGAN KALORSPESIFIK KONSTANFungsi aliran isentropic. Kita muali dengan mengembangkan persamaan-persamaan yang menghubungkan suatu kondisi di dalam aliran kompresibeldengan kondisi stagnasi yang bersesuaian. Untuk kasus gas ideal dengan cpkonstan persamaan 9.39 menjadiDimana To adalah temperature stagnasi. Dengan menggunakan cp= kR/(k=1),bersama-sama dengan persamaan 9.37 dan 9.38, hubungan antara temperature T danbilangan Mach M dari gas yang mengalir dan temperatus stagnasi To yangbersesuaian adalah (persamaan 9.50) 58. Dengan menggunakan persamaan 6.45, hubungan antara temperature Tdan tekanan p di dalam gas yang mengalir dan temperature stagnasi Toyang bersesuaian adalahMemasukkan persamaan 9.50 di dalam persamaan diatas akanmemberikan (persamaan 9.51) 59. Walaupun kondisi sonic pada kenyataannya tidak mencapai di dalam aliranini, akan memudahkan jika kita menggunakan persamaan yangmenghubungkan area A di suatu seksi tertentu dengan area A* yangdiperlukan untuk mencapai aliran sonic (M=1) dengan laju aliran massa dankondisi stagnasi yang sama. Area-area tersebut berhubungan melaluiDimana p* dan V* berturut-turut adalah kerapatandan kecepatan ketika M=1. Dengan menggunakanpersamaan keadaan untuk gas ideal, bersama-samadengan persamaan 9.37 dan 9.38, dan memecahkanA/A* Dimana T* dan p* berturut-turut adalah temperature dan tekanan ketika M=1. Sehingga dengan menggunakan persamaan 9.50 dan 9.51 60. Variasi A/A* terhadap M diperlihatkan pada gambar 9.33 untuk k=1,4. Gambartersebut menunjukkan bahwa terdapat nilai unik dari A/A* yang berpasangandengan nilai M. akan tetapi, untuk A/A* selain satu, terdapat dua pilihan bilanganMach, satu subsonic dan satu supersonic. Hal ini konsisten dengan pembahasangambar 9.28, di mana ditemukan bahwa celah konvergen-divergen yang di dalamnyaterdapat suatu daerah minimum diperlukan untuk mengakselerasi aliran darikecepatan subsonic ke supersonic. 61. Fungsi gelombang kejut normal. Selanjutnya, kita akanmengembangkan persamaan dalam bentuk tertutupuntuk gelombang kejut normal untuk kasus gas idealyang memiliki kalor spesifik konstan.