Post on 25-Dec-2015
TUGAS UMUM HEAT CONDUCTION
Hukum-Hukum yang Berlaku Pada Heat Conduction Aparatus
Konduksi adalah suatu perpindahan energi dengan interaksi dari molekul-
molekul suatu substansi di mana terjadinya perpindahan panas dalam bentuk
liquid, gas, padat tanpa adanya perpindahan partikel-partikel dalam bahan
tersebut dalam medium tetap.
Contoh peristiwa konduksi :
a. Ujung sendok logam secara tiba-tiba dicelupkan dalam secangkir kopi panas
sehingga logam tersebut akan panas karena adanya konduksi energi melalui
sendok.
b. Pada medium dingin, terjadi kehilangan energi dari ruangan yang dipanaskan
terhadap udara luar melalui dinding yang memisahkan udara dalam ruangan
dengan udara luar.
Konduksi memindahkan energi dari bagian panas ke bagian dingin dari
substansi oleh interaksi molekul. Dalam fluida, pertukaran energi utamanya
dengan tabrakan langsung. Pada solid, mekanisme yang utama adalah vibrasi
molekuler. Konduktor listrik yang baik juga merupakan konduktor panas yang
baik.
Persamaan yang berlaku untuk aliran panas konduksi, pertama kali
dinyatakan sebagai berikut:
aliran panas konduksi = ¿ [ luas permukaan ¿ ]¿¿
¿
¿¿
konstanta kesebandingan dimiliki oleh setiap material. Dalam bentuk matematik,
dengan menganggap bahwa temperatur bervariasi dalam arah-X yang dinotasikan
dengan qx = dQ / dt dalam arah-x
qx = −k A
dTdx
. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .(1 )
atau qx =
q x
Ax
= −kdTdx
.. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . ..(2 )
Hukum Fourier untuk heat konduksi ini sesuai untuk seluruh jenis solid,
liquid dan gas. Koefisien k adalah sifat transport dari suatu material dan disebut
thermal conductivity, qx = q / A sesuai untuk beberapa analisa. Kuantitas Ax
adalah luas permukaan normal untuk arah x. Jika T(x,y,z) adalah suatu fungsi
multi dimensi, hukum Fourier menjadi suatu vektor.
q ``=`` ital iq rSub { size 8{x} } + jqx ``+`` ital kq rSub { size 8{x} } = −k [i ∂ T∂ x
+ j∂T∂ y
+ k∂T∂ z ]
atau q ~=~ - k`` nabla T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \( 3 \) } {¿
Bila bahan/material adalah isotropis maka konduktivitasnya tidak
bervariasi terhadap arah. Catatan bahwa tanda negatif pada persamaan Fourier di
atas diperoleh dari Hukum II Termodinamika untuk meyakinkan bahwa laju
panas positif dalam arah penurunan temperatur (dari daerah panas ke daerah
dingin).
Gradien suhu (temperatur gradien) yang terdapat dalam suatu bahan
homogen akan menyebabkan perpindahan energi di dalam medium itu, yang
lajunya dapat dihitung dengan:
qx = −k A∂ T∂ η
di mana ∂T /∂ η ialah gradien suhu dalam arah normal (tegak lurus) terhadap
bidang A. Konduktivitas termal k ialah suatu konstanta (tetapan) yang ditentukan
dari eksperimen dengan medium itu. Satuan k adalah btu/hr ft oF atau W/mK.
Jika profil suhu di dalam medium itu bersifat linier, maka gradien suhu itu
(yang merupakan turunan parsial) dapat diganti dengan :
ΔTΔx
=T 2 − T1
x2 − x1
Sifat linier di atas selalu ditemukan pada medium homogen yang
mempunyai k tertentu dalam perpindahan kalor benda itu termasuk titik-titik pada
permukaan benda.
Jika suhu berubah menurut waktu, tentulah ada energi yang menumpuk
atau dikeluakan dari benda itu. Laju penumpukan energi itu adalah:
q menumpuk = m. Cp
∂T∂ x
Dimana m adalah hasil kali volume V dan densitas
Pemisahan variabel dan integrasi persamaan Fourier dimana arah gradien ialah x,
menghasilkan:
q ∫x1
x2
dx−kA ∫T1
T 2
dT
atau :
q=−kAT 2−T1
X2−X1
=−kAT2−T 1
Δx
Persamaan ini dapat disusun kembali sehingga menghasilkan,
q=T1−T 2
ΔxkA
=Beda potensial termaltahanan termal
Perhatikan bahwa tahanan terhadap aliran kalor berbanding lurus dengan
tebal bahan. Tetapi berbanding terbalik dengan konduktivitas termal bahan dan
berbanding terbalik dengan tegak lurus terhadap arah perpindahan kalor.
Dalam keadaan steady, laju perpindahan kalor yang masuk melalui
permkaan kiri sama dengan yang keluar dari muka kanan.
Jadi,
q=T1−T 2
ΔxαkαA dan
q=T 1−T3
Δ xbkbA
Kedua persamaan ini memberikan :
q=T 1−T 2
ΔxαkαA
+ Δ xbkαA
Kedua persamaan diatas menggambarkan analogi antara perpindahan kalor
konduksi dan aliran arus listrik. Dan analogi ini berakar pada kesamaan hukum
Fourier dan hukum Ohm.
Hukum Fourier dapat dinyatakan dengan mudah sebagai:
Aliran kalor konduksi= Beda Suhu menyeluruh
Jumlah semua tahanan termal
Sifat-sifat bahan:
1. Konduktivitas termal zat padat
Konduktivitas thermal logam dalam fase padat yang telah diketahui
komposisinya dan hanya tergantung pada suhu saja. Konduktivitas termal logam
dalam jangkauan suhu yang cukup luas biasanya dinyatakan dengan rumus:
K = Ko (1+ b + C2)
Dimana = T – T rujukan
Ko = konduktivitas pada suhu rujukan T rujukan
Kisaran suhu ini, pada berbagai penerapan teknik, biasanya cukup kecil dan
biasanya hanya beberapa ratus derajat, sehingga:
K = Ko ( 1 + h )
Konduktivitas termal bahan homogen biasanya sangat bergantung pada
aparent bulk density, yaitu massa bahan dibagi dengan volume total.
2. Konduktivitas termal zat cair
Dalam hal ini k bergantung pada suhu, tetapi tidak peka terhadap tekanan.
Konduktivitas termal kebanyakan zat cair berkurang bila suhu makin tinggi,
kecuali air dimana k bertambah sampai 300oF dan berkurang pada suhu yang lebih
tinggi. Air mempunyai konduktivitas termal paling tinggi diantara semua zat cair,
kecuali logam cair.
3. Konduktivitas termal gas
Konduktivitas termal gas bertambah jika suhu makin tinggi tetapi pada
tekanan di sekitar tekanan atmosfir. Hampi tidak tergantung pada besarnya
tekanan. Dua gas yang sangat penting ialah udara dan uap air.
Konduksi Steady State pada one dimensional
Kondisi steady state adalah suatu keadaan dimana variabel-variabel yang
ada pada suatu sistem tidak berubah. Pada tekanan steady state kita mengabaikan
tambahan kerja dan sistem tidak dapat berubah.
Dengan kata lain, Penambahan panas pada sistem harus seimbang dengan
panas yang hilang. Istilah one dimensional berarti bahwa sistem variabel seperti t,
hanya berbeda pada satu dimensi atau spasi koordinat, dinotasikan dengan x.
Kasus-kasus Persaman Konduksi :
1. Persamaan Fourier (tanpa konversi energi dalam)
∂T∂ x
+ ∂T∂ y
+ ∂ T∂ z
= 1α
∂T∂ t
2. Persamaan Poison (keadaan steady state dengan konversi energi)
∂T∂ x
+∂T∂ y
+∂ T∂ z
=0
3. Persamaan Laplace (Keadaan staedy state tanpa konversi energi dalam)
∂T∂ x
+ ∂T∂ y
+ ∂ T∂ z
+ qk=0
Hukum-Hukum Dasar Termodinamika
Di dalam mempelajari termodinamika akan selalu mengacu kepada hukum-
hukum dasar termodinamika yang ada. Ada tiga hukum yang sangat penting,
yaitu hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga. Ketiga hukum ini
bersama-sama dengan hukum termodinamika ke nol membentuk suatu dasar yang
membangun pengetahuan termodinamika. Hukum-hukum ini bukanlah dalil
(teorema) dalam pengertian dapat dibuktikan, tetapi sebenarnya adalah postulat
yang berdasarkan kenyataan eksperimental. Seperti halnya hukum termodinamika
pertama, suatu eksperimental telah dilakukan Joule (1840-1878) sebagai suatu
perwujudan dan pembuktian dari hukum pertama tersebut. Dalam buku
termodinamika bagian pertama ini hanya dibahas hukum pertama dan kedua saja.
a. Hukum Termodinamika I dan Formulasinya
Hukum I Termodinamika menerangkan tentang prinsip konservasi energi yang
menyatakan bahwa, energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, namun
demikian energi tersebut dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain
menjadi kerja misalnya. Dari konsep ini, dapat dikatakan bahwa energi dapat
diubah menjadi kerja dan juga kerja dapat diubah menjadi energi. Dalam kaitan
dengan Termodinamika salah satu bentuk dari energi yang dimaksud adalah
Panas (Heat), dan kerja (Work). Ditinjau suatu sistem tertutup, persamaan energi
di peroleh dari penyusunan Neraca Energi untuk sistem tertutup tersebut, yaitu
seperti berikut :
Keterangan : Q = Panas yang berpindah dari atau ke sistem ( Qin – Qout )
W = Kerja dalam berbagai bentuk ( Wout – Win )
= Perubahan Energi total dari sistem, ( E2 – E1 )
Perubahan Energi total ΔE dinyatakan sebagai jumlah dari perubahan energi
dalam (ΔU), energi potensial (ΔEp) , dan energi kinetik (ΔEk), pada suatu sistem,
maka persamaan (9) dapat ditulis dalam bentuk :
(10)
Keterangan :
kebanyakan sistem tertutup adalah stasioner sehingga perubahan energi kinetik
dan potensial dapat diabaikan, persamaan (10) menjadi :
(11)
Telah menjadi suatu kesepakatan umum, bahwa tanda “ + “ dan “ – “ dari
nilai Q dan W adalah seperti berikut ini.
Gambar 4. Sistem tertutup dan notasi kerja dan panas
Untuk menghitung nilai Kerja (W) dari suatu proses pada sistem tertutup ini, akan
diilustrasikan dari pergerakan piston di dalam sebuah silinder, seperti gambar
berikut ini.
Gambar 5. Silinder Piston
Menurut Hukum thermodinamika pertama, energi dalam ΔU dari sistem
akan berubah bila sistem akan berubah bila sistem tersebut menerima kerja atau
melepaskan panas. Dari gambar diatas dapat dikatakan bahwa bila piston ditekan
dengan tekanan tertentu secara konstan, maka volume cairan akan berubah sampai
suatu saat sistem tersebut diberikan sejumlah kalor (panas) sehingga cairan
tersebut kembali mengekspansi sampai ke keadaan semula. Akhirnya satu siklus
proses tadi dapat dikatakan reversibel pada tekanan tetap dan volume tetap. Dalam
bentuk formulasi matematisnya dapat dinyatakan sebagai berikut.
Kerja (W) = Gaya (F) x Jarak perpindahan (L) (12)
Untuk Gambar 5 tersebut, Gaya (F) = P x A, dimana A adalah luas penampang
lintang piston yang bekerja pada cairan, dengan demikian kerja (W) dapat ditulis
sebagai :
(13)
Atau (14)
Untuk perubahan volume yang sangat kecil (dV), maka persamaan (14) dapat
ditulis sebagai :
dW = P dV (15)
integrasi persamaan (15) akan menghasilkan :
(16)
Enthalpi
Secara eksplisit, enthalpi didefinisikan dalam bentuk persamaan matematis seperti
berikut ;
H = U + PV (17)
keterangan : H = enthalpi
P = tekanan absolut
V = volume
semua variabel yang ada dipersamaan (17) harus mempunyai satuan yang sama.
Hasil kali P dengan V mempunyai satuan energi, demikian juga dengan U. Oleh
karena U, P dan V adalah fungsi keadaan (state functions), bentuk differensial dari
persamaan (17) dapat ditulis sebagai :
dH = dU + d(PV) (18)
persamaan (18) ini digunakan apabila adanya suatu perubahan differensial pada
suatu sistem. Integrasi persamaan (18) akan menghasilkan :
(19)
enthalpi sebagai salah satu properti thermodinamika, sangat berguna dalam
banyak pemakaian, terutama pada persoalan-persoalan yang melibatkan proses
alir yang seringkali memunculkan suku-suku U dan PV.
Proses Alir ( Flow-System) Steady-state
Untuk kebanyakan proses dalam industri, analisis terhadap proses alir
steady-state sering dijumpai, terutama pada peristiwa mengalirnya fluida di dalam
suatu peralatan. Analisis dan perhitungan yang dilakukan terhadap peristiwa
demikian tetap akan didasari pada hukum termodinamika pertama dalam bentuk
yang sesuai dengan kebutuhan yang ada. Istilah steady state dalam hal ini
berkaitan dengan berlangsungnya suatu proses tidak tergantung kepada waktu atau
dengan kata lain, tidak terjadi akumulasi massa dan energi dari suatu sistem yang
ditinjau. Sebagai dasar dari perhitungan proses alir ini, disusunlah suatu
persamaan kontinuitas.
Persamaan kontinuitas menggambarkan suatu hubungan tekanan, kecepatan
aliran, dan luas penampang aliran dari titik inlet ke titik outlet tanpa melalui suatu
sistem peralatan proses. Berikut ini akan diturunkan persamaan kontinuitas untuk
suatu aliran satu dimensi. Sebagai Illustrasi perhatikan Gambar 7.
Gambar 7. Aliran melalui Potongan Tabung
Apabila proses mengalirnya fluida di dalam tabung tersebut berlangsung secara
steady-state, maka massa fluida yang mengalir melalui tiap penampang harus
sama, dengan kata lain :
(20)
atau (21)
Persamaan (21) dikenal sebagai Persamaan Kontinuitas untuk aliran satu dimensi.
Dengan menggunakan differensial Logaritmik, diperoleh bentuk :
(22)
Persamaan kontinuitas adalah pernyataan matematik dari prinsip kekekalan massa,
dan bersama-sama dengan persamaan energi sebelumnya, sangat membantu
penyelesaian soal-soal keteknikan.
Untuk memudahkan dalam mendapatkan bentuk umum dari persamaan
energi proses alir, Pertimbangkan suatu proses alir seperti pada Gambar 8 berikut.
Gambar 8. Proses Alir Steady-state
Suatu fluida mengalir melalui peralatan-peralatan seperti tersebut pada gambar,
dari titik inlet (1) ke titik outlet (2). Pada titik inlet (1) kondisi fluida ditandai
dengan subskrip 1. Pada titik ini pula fluida berada pada ketinggian z1 dari bidang
datumnya, dengan kecepatan v1, memiliki volume spesifik v1, tekanan P1 dan
energi dalam (U1). Dengan cara yang sama, untuk titik outlet ditandai dengan
subskrip 2. Sistem dianalisis dalam besaran per satuan massa fluida. Perubahan
energi per satuan massa untuk sistem tersebut melibatkan perubahan energi
kinetik, potensial dan energi dalamnya seperti pada persamaan (10).
Keterangan :
sehingga secara umum, persamaan energi untuk proses alir steady-state dapat
ditulis sebagai :
m(u2 – u1) + 1/2 m(u22 – u1
2)+ mg(z2 – z1) = Q – W (23)
W pada persamaan (23) menyatakan semua kerja yang dilakukan oleh fluida, dan
nila kerja (W) tesebut merupakan jumlah dari Kerja Poros (Shaft Work, Ws) dan
Kerja hasil kali PV dari fluida yang mengalir. Yang dimaksud dengan kerja poros
(Ws) adalah kerja yang yang dilakukan atau diterima oleh fluida yang mengalir
melalui suatu peralatan sehingga dihasilkan suatu kerja mekanik (misalnya dapat
memutar suatu poros atau menggerakan baling-baling pada turbin dan banyak lagi
lainnya). Secara matematis dapat dituliskan :
W = Ws + P2V2 – P1V1 (24)
selanjutnya substitusikan persamaan (24) ke dalam persamaan (23), sehingga
diperoleh :
m(u2 – u1) + 1/2 m(u22 – u1
2)+ mg(z2 – z1) = Q – [Ws + P2V2 – P1V1] (25)
diketahui bahwa, V2 = mv2 dan V1 = mv1, dengan menyusun kembali persamaan
(2-23) akan diperoleh :
m[(u2 + P2V2) –(U1 + P1V1)] + mg(z2 – z1) = Q – Ws (26)
oleh karena h = u + P V, maka persamaan (24) menjadi :
m(h2 – h1) + 1/2 m(u22 – u1
2)+ mg(z2 – z1) = Q – Ws (27)
atau (28)
Persamaan (28) merupakan persamaan umum proses alir steady-state.
Untuk kebanyakan pemakaian di dalam thermodinamika, perubahan energi
kinetik dan energi potensial aliran relatif lebih kecil (sering diabaikan) jika
dibandingkan dengan energi bentuk lainnya, sehingga persamaan (28) menjadi :
atau
(29)
dalam hal ini, diketahui bahwa enthapi (h) adalah fungsi keadaan, sehingga ia
punyai nilai tertentu pada kondisi P dan T tertentu pula, untuk itu sering juga nilai
enthalpi ini dapat dilihat pada Tabel-tabel data thermodinamika untuk zat-zat
murni tertentu.
HUKUM TERMODINAMIKA 2
Hukum termodinamika pertama telah terpenuhi karena energi yang
dilepaskan kopi sebanding dengan energi yang diterima oleh lingkungan. Tetapi
jika dibalik secangkir kopi menjadi panas dalam sebuah ruangan yang dingin, kita
tahu bahwa hal tersebut tidak akan terjadi. Atau kita ambil contoh lain, seperti
tahanan panas memanaskan sebuah ruangan, jika dibalik, kita memberikan panas
pada ruangan, maka tidak mungkin arus akan mengalir dengan arah terbalik dan
menghasilkan energi yang sama dengan energi yang dihasilkan listrik
sebelumnya. Dari contoh diatas jelas bahwa proses berjalan dalam suatu arah
tertentu tidak sebaliknya. Suatu proses yang telah memenuhi hukum termo I,
belum tentu dapat berlangsung. Diperlukan suatu prinsip selain hukum termo I
untuk menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung, yang dikenal dengan
hukum termo II. Atau dengan kata lain suatu proses dapat berlangsung jika
memenuhi hukum termo I dan termodinamika II.
Kegunaan hukum termo II tidak terbatas hanya pada mengidenfikasi arah
dari suatu proses, tetapi juga bisa untuk mengetahui kualitas energi (hukum I
berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi) ; menentukan
batas toeritis unjuk kerja suatu sistem ; dan memperkirakan kelangsungan reaksi
kimia ( degree of completion of chemical reaction)
RESERVOIR ENERGI PANAS (Thermal Energy Reservoirs)
Sebelum membahas mengenai hukum termo II, perlu diketahui istilah
reservoir energi panas (Thermal Energy Reservoir) atau lebih umum disebut
dengan reservoir. Reservoir mempunyai pengertian adalah suatu benda/zat yang
mempunyai kapasitas energi panas (massa x panas jenis) yang besar. Artinya
reservoir dapat menyerap/ menyuplai sejumlah
Panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperatur. Contoh
dari benda/zat besar yang disebut reservoir adalah samudera, danau dan sungai
untuk benda besar berujud air dan atmosfer untuk benda besar berujud udara.
Sistem dua-fasa juga dapat dimodelkan sebagai suatu reservoir, karena sistem
dua-fasa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami perubahan
temperatur. Dalam praktek, ukuran sebuah reservoir menjadi relatif. Misalnya,
sebuah ruangan dapat disebut sebagai sebuah reservoir dalam suatu analisa panas
yang dilepaskan oleh pesawat televisi. Reservoir yang menyuplai energi disebut
dengan source dan reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink.
MESIN KALOR (Heat Engines)
Seperti kita ketahui kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas.
Seperti misalnya pengaduk air. Kerja dapat kita berikan pada poros pengaduk
sehingga temperatur naik. Tetapi sebaliknya, jika kita memberikan panas pada air,
maka poros tidak akan berputar. Atau dengan kata lain, jika memberikan panas
pada air, maka tidak akan tercipta kerja (poros). Dari pengamatan di atas, konversi
panas menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan
dengan mesin kalor (heat engines) Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan
sebagai berikut :
1. Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari,
furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).
2. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam
dalam bentuk poros yang berputar)
3. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.
4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.
Mengacu pada karakteristik di atas, sebenarnya motor bakar dan turbin gas
tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena fluida kerja dari
motor bakar dan turbin gas tidak mengalami siklus termodinamika secara lengkap.
Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili definisi dari mesin kalor
adalah pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran luar
dimana fluida kerja mengalami siklus termidinamika yang lengkap.
Efisiensi Termal (Thermal Efficiencies)
Efisiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari
suatu mesin kalor, yaitu berapa bagian dari input panas yang diubah menjadi
output kerja bersih.
Unjuk kerja atau efisiensi, pada umumnya dapat diekspresikan menjadi :
untuk kerja=output yangdiinginkaninput yangdiperlukan
Untuk mesin kalor, output yang diinginkan adalah output kerja bersih dan
input yang diperlukan adalah jumlah panas yang disuplai ke fluida kerja.
Kemudian efisiensi termal dari sebuah mesin kalor dapat diekspresikan sebagai
efisiensi termal=output kerja bersi htotal input panas
atau
ηt h=W bersi hout
Q¿
Atau
ηt h=1−Qout
Q¿
Dimana W bersi hout = Q¿−Qout
Dalam peralatan-peralatan praktis, seperti mesin kalor, mesin pendingin
dan pompa kalor umumnya dioperasikan antara sebuah media bertemperatur
tinggi pada temperatur H T dan sebuah media bertemperatur rendah pada
temperatur L T . Untuk sebuah keseragaman dalam mesin kalor, mesin pendingin
dan pompa kalor perlu pendefinisian
dua kuantitas :
QH = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur
tinggi pada temperatur H T .
QL = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur
rendah pada temperatur L T .
Sehingga efisiensi termal dapat dituliskan sebagai berikut :
ηt h=W bersi hout
QH
Atau
ηt h=1−QL
QH
Dimana W bersi hout = QH−QL
Pernyataan Kelvin-Plank
Melihat karakterisitk dari sebuah mesin kalor, maka tidak ada sebuah
mesin kalor yang dapat mengubah semua panas yang diterima dan kemudian
mengubahnya semua menjadi kerja. Keterbatasan tersebut kemudian dibuat
sebuah pernyataan oleh Kelvin-Plank yang berbunyi :
dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan
memproduksi sejumlah kerja bersih.
Pernyataan Kelvin-Plank (hanya diperuntuk untuk mesin kalor) diatas
dapat juga diartikan sebagai tidak ada sebuah mesin/alat yang bekerja dalam
sebuah siklus menerima panas dari reservoir bertemperatur tingg dan mengubah
panas tersebut seluruh menjadi kerja bersih. Atau dengan kata lain tidak ada
sebuah mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%.
MESIN PENDINGIN DAN POMPA KALOR ( Refrigerators and Heat
Pumps)
Mesin pendingin, sama seperti mesin kalor, adalah sebuah alat siklus.
Fluida kerjanya disebut dengan refrigerant. Siklus refrigerasi yang paling banyak
digunakan adalah daur refrigerasi kompresi-uap yang melibatkan empat
komponen : kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator.
Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan dikompres ke
tekanan kondensor. Refrigerant meninggalkan kompresor pada temperatur yang
relatif tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi dikondensor
yang membuang panasnya ke lingkungan. Refrigerant kemudian memasuki
tabung kapilar dimana tekanan refrigerant turun drastis karena efek throttling.
Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki evaporator, dimana disini
refrigerant menyerap panas dari ruang refrigerasi dan kemudian refrigerant
kembali memasuki kompresor.
Efisiensi refrigerator disebut dengan istilah coefficient of performance
(COP), dinotasikan dengan COPR.
COPR=output yangdiingi nkaninput yangdiperlukan
=QH
W bersi h∈¿¿
Atau
COPR=QH
QH−QL
= 1QL
QH
−1
Perlu dicatat bahwa harga dari COPR dapat berharga lebih dari satu,
karena jumlah panas yang diserap dari ruang refrigerasi dapat lebih besar dari
jumlah input kerja. Hal tersebut kontras dengan efisiensi termal yang selalu
kurang dari satu. Salah satu alasan penggunaan istilahcoefficient of performance-
lebih disukai untuk menghindari kerancuan dengan istilah efisiensi, karena COP
dari mesin pendingin lebih besar dari satu.
Pompa Kalor (Heat Pumps)
Pompa kalor adalah suatu alat yang mentransfer panas dari media
bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Tujuan dari mesin pendingin
adalah untuk menjaga ruang refrigerasi tetap dingin dengan meyerap panas dari
ruang tersebut. Tujuan pompa kalor adalah menjaga ruangan tetap bertemperatur
tinggi. Proses pemberian panas ruangan tersebut disertai dengan menyerap panas
dari sumber bertemperatur rendah.
COPHP=output yangdiinginkaninput yang diperlukan
=QH
W bersih∈¿¿
AtauCOPHP=
QH
QH−QL
= 1
1−QL
QH
Perbandingan antara COPR dan COPHP adalah sebagai berikut :
COPHP=COPR+1. Air condtioner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin
tetapi yang didinginkan disini bukan ruang refrigerasi melainkan sebuah
ruangan/gedung atau yang lain.
Hukum Termodinamika Kedua : Pernyataan Clausius
Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua, pernyataan
Kelvin -Plank, yang diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan Clausius,
yang diperuntukkan untuk mesin pendingin/pompa kalor. Pernyataan Clausius
dapat di ungkapkan sebagai berikut :
Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus
tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur
rendah ke media bertemperatur tinggi.
Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur
tinggi ke media bertemperatur rendah.
Pernyataan Clausius tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat
siklus yang dapat memindahkan panas dari media bertemperatur rendah ke media
bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi
asalkan ada efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan/diwakili oleh
kompresor yang mendapat energi dari energy listrik misalnya.