SIKLUS THERMODINAMIKA

Makalah

disusun untuk memenuhi salah satu tugas Mata Kuliah Thermodinamika

yang diampu oleh Drs Saeful Karim, M.Si

Oleh

Tasya Fitria Alifa (1300614 )

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

BANDUNG

2014

A. MESIN PEMBAKAR

1.1 SIKLUS CARNOT

Pada saat belajar termodinamika kalian akan menemui gabungan proses-proses yang

akan kembali ke keadaan semula atau siklus yang dinamakan siklus Carnot. Siklus Carnot

inilah yang dapat digunakan sebagai acuan untuk membuat mesin carnot. Siklus Carnot

terdiri atas empat proses yaitu 2 proses adiabatis

dan 2 proses isotermis lihat Gambar berikut.

AB dan CD adalah proses isotermis.

Sedangkan BC dan DA adalah proses adiabatis.

Pada proses AB proses menyerap kalor Q1 dan

saat proses CD melepas kalor sisa Q2. Selama

siklus terjadi dapat menghasilkan usaha.

Dan berlaku hubungan seperti persamaan

berikut.

atau

1.2 Mesin Kalor

Dari siklus Carnot diatas untuk kemudian dapat dibuat suatu mesin yang dapat

memanfaatkan suatu aliran kalor secara spontan sehingga dinamakan mesin kalor. Perhatikan

mesin kalor pada Gambar berikut.

Sesuai dengan siklus carnot maka dapat

dijelaskan prinsip kerja mesin kalor. Mesin kalor

menyerap kalor dari reservois bersuhu tinggi T1

sebesar Q1. Mesin menghasilkan kerja sebesar W

dan membuang sisa kalornya ke reservois bersuhu

rendah T2 sebesar Q2. Hubungan Q1, W dan Q2

sesuai persamaan

Dari penjelasan diatas terlihat bahwa tidak

ada sebuah mesin yang memanfaatkan semua kalor yang diserap Q1 untuk melakukan kerja

W. Pasti selalu ada yang terbuang. Artinya setiap mesin kalor selalu memiliki efisiensi. Efi-

siensi mesin kalor ini didenisikan sebagai berikut.

 %

Jika disubstitusikan nilai W dari persamaan  dapat diperoleh persamaan

berikut.

 %

 %

1.3 Efisiensi Maksimum

Siklus Carnot merupakan model mesin kalor yang ideal. Apakah sifat-sifatnya? Pada

mesin ideal ini kalornya sebanding dengan suhu.

Dari hubungan tersebut dapat ditentukan efisiensi mesin ideal, yang berarti efisiensi

itu merupakan efisiensi maksimum. Efisiensi maksimum dari mesin carnot tersebut sebagai

berikut.

 %

2.1 SIKLUS DIESEL (Tekanan Tetap)

Siklus diesel adalah siklus teoritis untuk compression-ignition engine atau mesin

diesel. Perbedaan antara siklus diesel dan Otto adalah penambahan panas pada tekanan

tetap. Karena alasan ini siklus Diesel kadang disebut siklus tekanan tetap. Dalam diagram

P-v, siklus diesel dapat digambarkan seperti berikut:

Gambar 2.1 Siklus Diesel Diagram P-v [Ref.7]

Proses dari siklus tersebut yaitu:

6-1 = Langkah Hisap pada P = c (isobarik)

1-2 = Langkah Kompresi, P bertambah, Q = c (isentropik / reversibel adiabatik)

2-3 = Pembakaran, pada tekanan tetap (isobarik)

3-4 = Langkah Kerja P bertambah, V = c (isentropik / reversibel adiabatik)

4-5 = Pengeluaran Kalor sisa pada V = c (isokhorik)

5-6 = Langkah Buang pada P = c

Motor diesel empat langkah bekerja bila melakukan empat kali gerakan (dua kali

putaran engkol) menghasilkan satu kali kerja. Secara skematis prinsip kerja motor diesel

empat langkah dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Langkah hisap

Pada langkah ini katup masuk membuka dan katup buang tertutup. Udara mengalir ke

dalam silinder.

2. Langkah kompresi

Pada langkah ini kedua katup menutup, piston bergerak dari titik TBM ke TMA

menekan udara yang ada dalam silinder. 5ᵒ setelah mencapai TMA, bahan bakar

diinjeksikan.

3. Langkah ekspansi

Karena injeksi bahan bakar kedalam silinder yang bertemperatur tinggi, bahan bakar

terbakar dan berekspansi menekan piston untuk melakukan kerja sampai piston

mencapai TMB. Kedua katup tertutup pada langkah ini.

4. Langkah buang

Ketika piston hampir mencapai TMB, katub buang terbuka, katub masuk tetap

tertutup. Ketika piston bergerak menuju TMA sisa pembakaran terbuang keluar ruang

bakar. Akhir langkah ini adalah ketika piston mencapai TMA. Siklus kemudian

berulang lagi [Ref.3].

Gambar 2.2 Siklus Motor Diesel 4 langkah [Ref.6]

2.2 Siklus Aktual Motor Diesel`

Dalam siklus diesel, kerugian-kerugian lebih rendah daripada yang terjadi pada siklus

otto. Kerugian utama adalah karena pembakaran tidak sempurna dan penyebab utama

perbedaan antara siklus teoritis dan siklus mesin diesel. Dalam siklus teoritis pembakaran

diharapkan selesai pada akhir pembakaran tekanan tetap, tetapi aktualnya after burning

berlanjut sampai setengah langkah ekspansi. Perbandingan efisiensi antara siklus aktual

dan teoritis adalah sekitar 0,85.

Gambar 2.3 Siklus Aktual Motor Diesel 4 Langkah [Ref.4]

2.3 Mesin Diesel

Salah satu penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin yang

menggunakan energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau yang mengubah energi

termal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses

pembakaran, proses fisi bahan bakar nuklir atau proses-proses yang lain. Ditinjau dari

cara memperoleh energi termal ini, mesin kalor dibagi menjadi dua golongan yaitu mesin

pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam.

Pada mesin pembakaran luar proses pembakaran terjadi di luar mesin dimana energi

termal dari gas hasil pembakaran dipindah ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding

pemisah. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam atau dikenal dengan motor bakar,

proses pembakaran terjadi di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran

yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Motor diesel disebut juga motor

bakar atau mesin pembakaran dalam karena pengubahan tenaga kimia bahan bakar

menjadi tenaga mekanik dilaksanakan di dalam mesin itu sendiri.

Di dalam motor diesel terdapat torak yang mempergunakan beberapa silinder yang di

dalamnya terdapat torak yang bergerak bolak-balik (translasi). Di dalam silinder itu

terjadi pembakaran antara bahan bakar solar dengan oksigen yang berasal dari udara. Gas

yang dihasilkan oleh proses pembakaran mampu menggerakkan torak yang dihubungkan

dengan poros engkol oleh batang penggerak. Gerak tranlasi yang terjadi pada torak

menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi tersebut

mengakibatkan gerak bolak-balik torak [Ref.3]. Konsep pembakaran pada motor diesel

adalah melalui proses penyalaan kompresi udara pada tekanan tinggi. Pembakaran ini

dapat terjadi karena udara dikompresi pada ruangan dengan perbandingan kompresi jauh

lebih besar daripada motor bensin (7-12), yaitu antara (14-22). akibatnya udara akan

mempunyai tekanan dan temperatur melebihi suhu dan tekanan penyalaan bahan bakar.

Hal ini berbeda untuk percikan pengapian mesin seperti mesin bensin yang

menggunakan busi untuk menyalakan campuran bahan bakar udara. Mesin dan siklus

termodinamika keduanya dikembangkan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1892.

3. 1 SIKLUS ATKINSON

Sebelum lebih dalam, kita harus tahu dulu dasar dari mesin 4 langkah. Secara umum, piston

di dalam mesin 4 langkah itu naik dan turun sebagai berikut:

1. Langkah pertama adalah ketika piston turun sambil mengisap bahan bakar dan udara.

2. Langkah kedua, piston naik ke atas sambil menekan campuran udara bahan bakar tersebut

hasilnya tekanan makin tinggi, campuran makin padat dan siap dibakar oleh percikan api

busi.

3. Langkah ketiga terjadi setelah busi memercikkan apinya. Ledakan keras yang terjadi

mendorong piston ke bawah. Inilah yang Anda rasakan sebagai tenaga mesin.

4.Setelah itu piston kembali bergerak ke atas. Kali ini untuk mendorong sisa pembakaran

keluar ke knalpot.

Nah, di mesin 4 langkah normal, jarak gerak piston di setiap langkah tersebut selalu sama.

Lantas satu pembakaran terjadi tiap kruk as berputar dua kali.

Sedangkan di siklus Atkinson, setang piston tak terhubung langsung dengan kruk as.

Di antaranya terdapat sambungan mekanikal yang didesain untuk membuat piston bergerak 2

kali lebih cepat sehingga pembakaran terjadi tiap 1 kali putaran. Sepintas mirip 2 langkah,

Namun siklus pembakaran yang terjadi tetap 4 langkah. Bukan hanya itu, sambungan di kruk

as memungkinkan perbedaan gerakan piston di tiap langkah. Alhasil ketika langkah isap dan

kompresi piston bergerak lebih pendek, sedangkan ketika langkah usaha dan buang ia

bergerak lebih panjang. Ini membuat konsumsi BBM seperti mesin lebih kecil, lantas energi

yang dihasilkan bisa tetap diberikan secara efisien untuk gerakan piston ke bawah.

Kelemahannya, mesin ini memiliki rentang tenaga maksimum sempit. Sehingga

fleksibilitasnya kurang baik, kecuali dipadu dengan transmisi CVT serta tenaga dari motor

listrik. Persis seperti yang terjadi di mobil hybrid.

Lexus RC F menghindari mengecilkan kapasitas mesin dan menambahkan turbo

4.1 SIKLUS STIRLING

Siklus Stirling terdiri atas empat tahap termodinamika antara lain;

1. Poin 1-2, Perluasan Isotermal.

Udara berekspansi secara isotermal, pada temperatur konstan T1 dari v1 ke v2. Kalor

yang diberikan sumber eksternal diserap selama proses.

Kerja yang dilakukan selama proses 1-2 :

 

2. Poin 2-3, Isokhorik.

Udara lewat melalui regenerator dan didinginkan pada volume konstan ke temperatur

T3. Pada proses ini kalor dibuang ke generator.

Kerja ygang dilakukan selama proses 2-3 :

3. Poin 3-4, Kompresi Isotermal.

Udara dikompresi secara isotermal di dalam tabung dari V3 ke V4. Lagi kalor dibuang

oleh udara.

Kerja yang dilakukan selama proses 3-4 :

4. Poin 4-1, Isokhorik.

Udara dipanaskan pada volume konstan ke temperatur T1 dengan melewatkan udara

ke regenerator dalam arah yang berlawanan dengan proses 2-3. Pada proses ini kalor

diserap oleh udara dari regenerator.

Kerja yang dilakukan selama proses 4-1 :

Sehingga kerja total system adalah :

 

4.2 Mesin Stirling

Mesin Stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus

tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara

permanen terkurung di dalam system. Mesin stirling adalah mesin kalor yang unik

karena efisiensi teoretisnya mendekati efisiensi teoretis maksimum, yang lebih

dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin stirling ditemukan tahun 1816 oleh

Robert Stirling (1790-1878). Saat itu disebut mesin udara dengan model mesin

pembakaran luar siklus tertutup.

Mesin stirling bekerja karena adanya ekspansi gas ketika dipanaskan dan

diikuti kompresi gas ketika didinginkan. Mesin itu berisi sejumlah gas yang

dipindahkan antara sisi dingin dan panas terus-menerus. Perpindahan gas ini

dimungkinkan karena adanya piston displacer yang memindahkan gas antara dua sisi

dan piston power mengubah volume internal karena ekspansi dan kontraksi gas.

Piston yang berpindah disebut sebagai regenerator yang dapat membangkitkan

kembali udara.

Prinsip kerja mesin stirling adalah memanfaatkan adanya perubahan tekanan

dan volume pada gas dalam system tertutup. Gas pada sisitem dikontakan pada

reservoir panas sehingga system menyerap panas. Panas yang dihasilkan disimpan di

dalam sebuah regenerator. Akibat adanya panas ini menyebabkan volume gas

bertambah. Karena system dalam keadaan tertutup maka tidak ada gas yang keluar

sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan menimbulkan perubahan

tekanan yang cukup besar. Tekanan yang dihasilkan ini kemudian digunakan untuk

menggerakan piston. Sementara itu gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin,

dengan melepas panas pada saat bersamaan. Karena penurunan suhu ini volume gas

berkurang dan sisitem menerima kerja kompresi yang menyebabkan volume gas

kembali ke keadaan awal. Keadan tersebut terjadi berulang secara periodik sehingga

terjadi gerakan piston yang dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik dengan

menghubungkannya ke turbin.

B. MESIN PENDINGIN

1.1 Siklus Refrigasi

Penjelasan Siklus Refrigerasi:

A-B : Un-useful superheat (kenaikan temperatur yg menambah beban kompresor) Sebisa

mungkin dihindari kontak langsung antara pipa dan udara sekitarnya dgn cara menginsulasi

pipa suction.

B-C : proses kompresi (gas refrigerant bertekanan dan temperatur rendah dinaikkan

tekanannya sehingga temperaturnya lebih tinggi dari media pendingin di kondenser. Pada

proses kompresi ini refrigerant mengalami superheat yg sangat tinggi.

C-D : Proses de-superheating (temperatur refrigerant mengalami pemurunan, tetapi tdk

mengalami perubahan wujud, refrigerant masih dalam bentuk gas)

D-E : Proses kondensasi (terjadi perubahan wujud refrigerant dari gas menjadi cair tanpa

merubah temperaturnya.

E-F : Proses sub-cooling di kondenser ( refrigerant yg sudah dalam bentuk cair masih

membuang kalor ke udara sekitar sehingga mengalami penurunan temperatur). Sangat

berguna untuk memastikan refrigerant dalam keadaan cair sempurna.

F-G : Proses sub-cooling di pipa liquid (Refrigerant cair masih mengalami penurunan

temperatur karena temperaturnya masih diatas temperatur udara sekitar). Pipa liquid line tdk

diinsulasi, agar terjadi perpindahan kalor ke udara, tujuannya untuk menambah kapasitas

refrigerasi. (Note: dalam beberapa kasus ..pipa liquid harus diinsulasi…nanti dijelaskan

dalam pembahasan khusus)

G-H : Proses ekspansi/penurunan tekanan (Refrigerant dalam bentuk cair diturunkan

tekanannya sehingga temperatur saturasinya berada dibawah temperatur ruangan yg

didinginkan, tujuannya agar refrigerant cair mudah menguap di evaporator dgn cara

menyerap kalor dari udara yg dilewatkan ke evaporator)

Terjadi perubahan wujud refrigerant dari cair menjadi bubble gas sekitar 23% karena

penurunan tekanan ini. Jadi refrigerant yg keluar dari katup ekspansi / masuk ke Evaporator

dalam bentuk campuran sekitar 77% cairan dan 23% bubble gas.

H-I : Proses evaporasi (refrigerant yg bertemperatur rendah menyerap kalor dari udara yg

dilewatkan ke evaporator. Terjadi perubahan wujud refrigerant dari cair menjadi gas. Terjadi

juga penurunan temperatur udara keluar dari evaporator karena kalor dari udara diserap oleh

refrigerant)

I-A : Proses superheat di evaporator: Gas refrigerant bertemperatur rendah masih menyerap

kalor dari udara karena temperaturnya yg masih dibawah temperatur udara. Temperatur

refrigerant mengalami kenaikan). Superheat ini bergua untuk memastikan refrigerant dalam

bentuk gas sempurna sebelum masuk ke Kompresor.

1.2 Mesin Refrigasi

Model mesin pendingin sistem 2 evaporator (multistage)

Komponen pada refrigerator multistage (2 evaporator)

1. Kompressor 9. Capilary tube

2. Kondensor 10. Evaporator I

3. Liquid receiver 11. EVR

4. Filter Drier 12. Thermostat I

5. Sight glass 13. Thermostat II

6. Solenoid valve 14. Pressure Gauge

7. TXV 15. Manual Valve

8. Evaporator II

9. Capilary tube

Komponen utamanya adalah kompressor, kondensor, kapiler (sebagai “throttling device”)

dan evaporator.

Catatan : Sebelum mengisi refrigerant, sistem harus di vakum terlebih dahulu agar tidak ada

gas yang non kondensibel.

Referensi :

- AutoBild.2015.[online] tersedia di : http://autobild/mesinn-otto.html. [diakses: 19

april 2015]

- Hartomo.Unnu.2014.[online] tersedia di : http://unnuhartomo/mesin-atkinson-otto-

diesel.blogspot.com. [diakses: 20 april 2015]

- Wikipedia.2014.[online] tersedia di : http://wikipedia/mesin-carnot.com/. [diakses: 20

aprol 2015]

- Pane.Ali.Advance Learning Program. Modul-thermodinamika-penyelesaian-siklus-

pembangkit-daya.pd