PENERAPAN HUKUM KE-II TERMODINAMIKA

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah

fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat

dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal. Pada sistem di

mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak

berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan

ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang.

Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang

diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam

termodinamika tak-setimbang.

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa

termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik. Hukum termodinamika

kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari

interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana

seseorang tidak tahu apa pun kecuali perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka

dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20

dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang

nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi

sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi,

kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.

1.2. Rumusan Masalah

Adapun rumusan makalah ini yaitu :

1.  Apakah yang dimaksud dengan mesin carnot?

2.  Apakah yang dimaksud dengan mesin kalor?

1

3.  Jelaskan bagaimana prinsip kerja mesin bensin?

4.  Jelaskan skema / siklus otto pada mesin bensin?

5.   Jelaskan prinsip kerja mesin diesel?

6.   Menjelaskan prinsip kerja mesin pendingin pada kulkas/ lemari es?

7.   Menjelaskan prinsip kerja penyejuk udara (AC)?

1.4 .Tujuan Penulisan

1. Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan mesin carnot.

2. Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan mesin kalor.

3. Untuk mengetahui bagaimana prinsip kerja mesin bensin.

4. Untuk mengetahui skema / siklus otto pada mesin bensin.

5. Untuk mengetahui prinsip kerja mesin diesel.

6. Untuk mengetahui prinsip kerja mesin pendingin pada kulkas/ lemari es.

7. Untuk mengetahui prinsip kerja penyejuk udara (AC).

1.5. Metode Penulisan

Penulisan makalah ini penulis susun melalui prosedur studi pustaka, dimana informasi

yang ada diperoleh dari berbagai macam sumber, baik itu media cetak (buku-buku) maupun

media elektronik (internet).  Semua informasi dan gagasan yang telah diperoleh dalam makalah

ini, kami gabungkan menjadi satu kesatuan yang tersusun secara sistematis dan objektif

berdasarkan metode penulisan yang telah ditetapkan, dengan demikian tersusunlah makalah ini

yang mampu menjelaskan tentang penerapan hukum II Termodinamika.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. MESIN CARNOT

Menurut hukum II Termodinamika, tak mungkin didapatknan mesin  panas yang bekerja

antara  dua tandon  panas  dengan efisiensi 100 persen. Carnot menemukan bahwa semua mesin

reversibel yang bekerja antara dua tandon panas mempunyai efesiensi yang sama dan bahwa

2

tidak ada mesin yang dapat mempunyai yang lebih besar  daripada efesiensi mesin reversibel.

Hasil ini dikenal sebagai teorema Carnot yaitu : “tidak ada mesin yang bekerja di antara dua

tandon panas yang tersedia yang dapat lebih efisien daripada mesin reversibel yang bekerja di

antara kedua tandon itu”.

Beberapa syarat yang diperlukan agar proses bersifat reversibel:

1. Tidak ada energi mekanik yang dapat hilang karena gesekan, gaya viskos, atau gaya disipatif

lain yang menghasilkan panas.

2. Tidak ada konduksi panas karena beda temperatur.

3. Proses harus kuasi-statik agar sistem selalu dalam keadaan setimbang (atau sangat dekat

dengan keadaan setimbang).

Tiap proses  yang melanggar salah satu kondisi diatas merupakan proses irriversibel.

Kebanyakan proses yang terjadi di alam bersifat irriversibel.

Carnot, dalam tahun 1824, adalah orang yang pertama kali memperkenalkan suatu proses

siklik kedalam teori termodinamika yang sekarang dikenal sebagai siklus  Carnot. Carnot 

terutama  sekali tertarik di dalam meningkatkan mesin uap. Usaha Carnot ini dapat dikatakan

sebagai landasan pengetahuan tentang termodinamika.

Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan system yang bersifat apapun. Boleh zat padat,

cair atau gas, atau juga saput permikaan (surface film), atau zat paramagnetic. Bahkan system

boleh juga mengalami perubahan fase selama siklus tersebut. Dan mesin reversibel  yang

memakai gas ideal sebagai zat kerjanya , dikenal dengan istilah yaitu siklus Carnot.  

Siklus Carnot

.

Gambar 1.1 siklus Carnot untuk gas ideal.

Siklus dimulai pada keadaan 1 dengan absorsi panas isotermal kuasi-statik dari tandon

panas pada temperatur Th. kerena panas diserap secara isotermal, proses dapat dibalik tanpa

melanggar hukum kedua Termodinamika. Usaha dilakukan oleh gas ketika berekspansi ke 3

keadaan 2. Dari keadaan 2 ke keadaan 3, gas berekspansi secara adiabatik, artinya tanpa

pertukaran panas. Jika ekspansi ini  dilakukan secara kuasi statik, maka proses ini bersifat

reversibel. Lebih banyak usaha dikerjakan oleh gas, dan temperatur gas turun menjadi T c. bagian

ketiga siklus ini adalah kompresi isotermal pada temperatur Tc, dari keadaan 3 ke keadaan 4.

Selama tahapan siklus ini, usaha dilakukan pada gas, dan panas │Qc│ dibuang ke tandon dingin

pada temperatur Tc. bagian terakhir siklus ini adalah kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke

keadaan awal 1. Usaha kembali dilakukan selama kompresi ini. Usaha neto yang dilakukan

selama siklus ini dinyatakan oleh luasan bayang-bayang dalam gambar.

Dengan cara yang sama, panas yang dibuang ke tandon dingin sama dengan usaha yang

dilakukan pada gas sealama kompresi isotermal pada temperatur Tc dari keadaan 3 ke keadaan 4.

Usaha ini besarnya sama dengan usaha yang dilakukan oleh gas jika mengembang dari keadaan

4 ke keadaan 1 jadi panas yang dibuang adalah:

Kita dapat menghubungkan volume V1, V2, V3,dan V4 dengan menggunakan persamaan untuk

ekspansi adiabatik kuasi-statik:

Dengan menggunakan persamaan ini pada ekspansi dari keadaan 2 ke keadaan 3, kita mendapat

Dengan cara yang sama, untuk kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan 1, kita

mendapatkan

Dengan membagi kedua persamaan ini, kita dapatkan

Dengan demikian, V2/V1= V3/V4. Selanjutnya ln (V2/V1)= ln (V3/V4), sehingga kita dapat

meniadakan suku logaritmik pada persamaan

Persamaan diatas berlaku untuk tiap mesin reversibel yang bekerja di antara tandon

dengan temperatur Th dan Tc. mesin ini menghasilkan efesiensi  terbesar yang mungkit untuk

mesin yang bekerja di antara temperatur-temperatur ini. Tidak ada mesin yang dapat mempunyai

efisiensi carnot, mesin dengan efisiensi yang lebih besar dari mesin ini akan melanggar hukum II

Termodinamika.

2.2.  MESIN KALOR

            Mesin kalor adalah suatu alat yang mempertukarkan kalor dengan lingkungannya dan

melakukan usaha berulang-ulang secara terus-menerus dalam suatu rangkaian proses. Gagasan

dasar di balik mesin kalor  adalah bahwa energi mekanik bisa didapat dari energi termal hanya

4

ketika kalor dibiarkan mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. dalam

proses ini, sebagian kalor dapat diubah menjadi kerja mekanik.

            Artinya, masukan kalor Qh  pada temperatur tinggi Th sebagian diubah menjadi kerja W

dan sebagian dibuang sebagai kalor QL pada temperatur  yang lebih rendah TL. dengan kekekalan

energi , Qh = W + QL. Temperatur tinggi Th dan temperatur rendah TL disebut temperatur operasi

mesin.

           Efisiensi e dari mesin kalor dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja yang

dilakukan W terhadap masukan kalor pada temperatur tinggi Th.

Perlu diketahui bahwa kita hanya meninjau mesin kalor yang melakukan kerja secara

terus menerus. Agar kerja bisa dilakukan secara terus menerus maka kalor harus mengalir secara

terus menerus dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Jika kalor hanya

mengalir sekali saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi

mekanik yang dihasilkan sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita

manfaatkan secara optimal. Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan

kerja secara terus menerus. Dengan kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor

cukup banyak sehingga bisa kita gunakan untuk menggerakkan sesuatu.

2.3. MESIN BENSIN

Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran

dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan

bahan bakar bensin atau yang sejenis. Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar

dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan

injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak untuk

mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar

dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem

manual sampai dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di

motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar

seproporsional mungkin. Hal ini dsebut EFI

Mesin bensin sering digunakan dalam :

1.      Sepeda motor.

5

2.      Mobil.

3.      Pesawat.

4.      Mesin untuk pemotong rumput

5.      Mesin untuk speedboat dan sebagainya.

Tipe-tipe mesin bensin berdasarkan siklus proses pembakaran adalah :

1.      Mesin satu tak, setiap langkah piston terjadi proses pembakaran.

2.      Mesin dua tak, memerlukan dua langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.

3.      Mesin empat tak, memerlukan empat langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.

4.      Mesin enam tak, memerlukan enam langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.

5.      Mesin wankel (rotary engine/wankel engine). memerlukan satu putaran penuh rotor dalam

satu siklus pembakaran.

Tiga syarat utama supaya mesin bensin dapat berkerja :

1.      Kompresi ruang bakar yang cukup.

2.      Komposisi campuran udara dan bahan bakar yang sesuai.

3.      Pengapian yang tepat (besar percikan busi dan waktu penyalaan/timing ignition)

Sistem-sistem dalam mesin bensin mencakup :

1.      Sistem bahan bakar (fuel system).

2.      Sistem pengapian (ignition system).

3.      Sistem pemasukan udara dalam ruang bakar (intake system).

4.      Sistem pembuangan udara hasil pembakaran (exhaust system).

5.      Sistem katup (valve mechanism)

6.      Sistem pelumasan (lubricating system)

7.      Sistem pendinginan (cooling system).

8.      Sistem penyalaan (starting system).

2.4. SIKLUS OTTO

6

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan

manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan

dari sebuah siklus Otto.

Gambar  1.3. piston mesin bensin

Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk

sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada motor-motor

kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran dari oli pelumas. Mesin empat

tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk sekali pembakaran. Pada motor-motor besar

biasa menggunakan mesin empat tak. Akan tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin

empat tak. Mesin jenis ini sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya

bensin murni.

Gambar di atas merupakan mesin pembakaran dalam empat langkah (empat tak). Mula-

mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston

bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam

silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau

penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada

saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar.

Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan

tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian).

Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa

pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut

diulangi kembali. Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah

menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan

yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya

dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor

atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin

7

bisa terbakar ketika busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak

terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang

bertenaga.

            Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam

empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini: Ketika terjadi proses pembakaran, energi

potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian

kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang

melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros

engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah

menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat adanya gesekan. Secara

termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah

proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap).

            Sesuai hukum 1 termodinamika, kesetaraan panas dan gerak dapat dituliskan sebagai

persamaan energi sebagai berikut:

                     ΔU =Q-W

Keterangan:

Q = panas yang keluar atau masuk sistem (joule)

ΔU = perubahan energi dalam (joule)

W= kerja yang diberikan sistem (joule)

2.5. PRINSIP KERJA MESIN DIESEL

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin

pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan

bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi).

Gambar 1.5. Diagram siklus termodinamika sebuah mesin diesel ideal.

8

Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23

Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai

macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition

Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (lihat biodiesel).

Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering.

Prinsip Kerja

Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi

kimia di dapatkan melalui proses reakasi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan

oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pada motor diesel ruang bakarnya bisa terdiri

dari satu atau lebih tergantung pada penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari

satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.

Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang

dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak

bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros

engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-

balik torak pada langkah kompresi. Berdasarkan cara menganalisa sistim kerjanya, motor diesel

dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistim airless injection (solid

injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistim air

injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan siklus

otto).

Gambar 1.6. siklus pada mesin diesel

Pada mesin Diesel, dibuat ”ruangan” sedemikian rupa sehigga pada ruang itu akan terjadi

peningkata suhu hingga mencapai ”titik nyala” yang sanggup ”membakar” minyak bahan bakar.

Pemampatan yang biasanya digunakan hingga mencapai kondisi ”terbakar” itu biasanya 18

hingga 25 kali dari volume ruangan normal. Sementara suhunya bisa naik mencapai 500 oC .

9

Cara kerjanya mudah, minyak solar yang sudah dicampur udara (seperti yang keluar dari

semprotan obat nyamuk) disemprotkan ke dalam ruangan yang telah ”mampat” dan bersuhu

tinggi, sehingga dapat langsung membuat ”kabut solar” tadi meledak dan mendorong ”piston”

yang kemudian akan menggerakkan poros-poros roda, singkatnya menjadi TENAGA. Kejadian

ini berulang-ulang dan tenaga yang muncul pun dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan mobil,

generator listrik, dan sebagainya.

 Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum

Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam

ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio

kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA)

atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam

tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi.

Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke

ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari

detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan

injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus

yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi

tidak langsung (indirect injection).

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan

cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung

(connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi

diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk

berbagai keperluan.

Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen :

Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar

karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel adalah governor,

yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin selalu para putaran yang diinginkan.

Apabila putaran mesin turun terlalu banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun

sehingga peralatan listrik tidak dapat berkerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila putaran

10

mesin terlalu tinggi maka bisa mengakibatkan over voltage yang bisa merusak peralatan listrik.

Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai tujuan ini melalui

elektronik kontrol modul (ECM) atau elektronik kontrol unit (ECU) – yang merupakan

“komputer” dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan

menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia

mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk

mengatur kecepatan mesin.

Keunggulan dan kelemahan mesin diesel dibanding dengan mesin busi-nyala (mesin

bensin)

Untuk keluaran tenaga yang sama, ukuran mesin diesel lebih besar daripada mesin bensin

karena konstruksi besar diperlukan supaya dapat bertahan dalam tekanan tinggi untuk

pembakaran atau penyalaan. Dengan konstruksi yang besar tersebut penggemar modifikasi relatif

mudah dan murah untuk meningkatkan tenaga dengan penambahan turbocharger tanpa terlalu

memikirkan ketahanan komponen terhadap takanan yang tinggi. Mesin bensin perlu perhitungan

yang lebih cermat untuk modifikasi peningkatan tenaga karena pada umumnya komponen di

dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat untuk

modifikasi mesin dengan biaya murah.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin bertujuan meningkatkan jumlah

udara yang masuk dalam ruang bakar dengan demikian pada saat kompresi akan menghasilkan

tekanan yang tinggi dan pada saat penyalaan atau pembakaran akan menghasilkan tenaga yang

besar. Penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin diesel tidak berpengaruh besar

terhadap pemakaian bahan bakar karena bahan bakar disuntikan secara langsung ke ruang bakar

pada saat ruang bakar dalam keadaan kompresi tertinggi untuk memicu penyalaan agar terjadi

proses pembakaran. Sedangkan penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin bensin

sangat memengaruhi pemakaian bahan bakar karena udara dan bahan bakar dicampur dengan

komposisi yang tepat sebelum masuk ruang bakar, baik untuk mesin bensin dengan sistem

karburator maupun sistem injeksi.

11

2.6. MESIN PENDINGIN

a. Cara Kerja Mesin Pendingin

Pada dasarnya sistem yang digunakan pada AC Ruang, Kulkas, Freezer dan alat

pendingin lainya adalah sama, hanya bentuk dan ukurannya yang berbeda disesuaikan dengan

kebutuhannya. Pada dasarnya pendinginan yang terjadi pada mesin pendingin adalah hasil dari

refrigrasi atau proses perputaran refrigran, tentu saja refrigran tidak akan berputar sendiri oleh

karena itu dalam sistem pendingin ada

Gambar 1.7. cara kerja mesin pendingin

Beberapa komponen untuk mengalirkan refrigran yaitu:

1. Kompresor

Merupakan bagian yang paling penting dari mesin pendingin, kompresor menekan bahan

pendingin kesemua bagian dri system. Pada system refrigerasi kompresor bekerja membuat

perbedaan tekanan pada masing – masing bagian. Karena dengan adanya perbedaan antara

sisi tekanan tinggi dan tekanan rendah, maka bahan pendingin cair dapat melalui alat

pengatur aliran ke evaporator. Fungsi kompresor sendiri adalah menghisap gas refrigerant

dari evaporator yang bertekanan dan bertemperatur rendah kemudian memampatkan gas

tersebut menjadi gas yang bertekanan dan bertemperatur yang tinggi.

2. Kondensor

Kondensor adalah alat untuk membuat kondensasibahan pendingin gas dari kompresor

dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Untuk penempatanya sendiri, kondensor ditempatkan

12

diluar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat membuang panasnya keluar. Kondensor

merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Refrigerant yang yang

dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa

kondensor, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigerant yang sudah

mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator.

3. Filter

filter berfungsi untuk menyarin refrigran agar dalam keadaan bersih saat melewati expansi,

filter hanya sebagai tambahan sehingga boleh ada atau boleh tidak, letak filer terdapat

setelah kondensor.

4. Expansi

expansi berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigran, expansi terletak setelah filter.

5. Evaporator

Evaporator merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai penguapan. Zat cair yang

berasal dari pipa kondensor masuk ke evaporator lalu berubah wujud menjadi gas dingin

karena mengalami penguapan. Selanjutnya udara tersebut mampu menyerap kondisi yang

ada dalam ruangan mesin pendingin. Selanjutnya gas yang ada dalam evaporator akan

mengalir menuju kompresor karena terkena tenaga hisapan.

6. Akumulator

akumulator berfungsi sebagai penyaringan gas dari cairan, sehingga refrigran yang masuk

ke dalam kompresor dalam keadaan gas (kompresor dirancang untuk memompa gas bukan

cairan), akumulator hanya sebagai tambahan boleh ada atau boleh tidak, akumulator terletak

setelah evaporator dan sebelum kompresor.

b. Lemari Es (Kulkas)

Adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk

menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan

panas.  Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap

pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin,

13

karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang

ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi

dingin seluruhnya.

Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer

kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja

W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan

kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperatur tinggi Th (ruangan).

              Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur

tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Qh dikeluarkan

dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi ,

melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap

pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (QL) dari bagian dalam

lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali.

             Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil

kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkina ada. Ini merupakan

pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara

spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak aka nada lemari Es yang

sempurna.

Koefisien kerja  (KK) lemari es didefinisikan sebagai kalor QL yang diambil dari area  dengan temperatur rendah ( di dalam lemari es) dibagi dengan kerja W yang dilakukan untuk mengeluarkan kalor. Hal ini masuk akal  karena makin banyak kalor QL yang didapat dikeluarkan dari dalam lemari es untuk sejumlah kerja tertentu , makin baik (makin efisien ) lemari es tersebut.  Energi adalah kekal, sehingga dari hukum pertama kita dapat menuliskan:             

W = Qh - QL

QL + W = Qh

                                   

14

Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas

            Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari

silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah

itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan

menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi

cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus

menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor.

Demilian siklus kembali terulang.

Jenis Aliran Udara Pendingin

Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam :

1.      Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atas dekat

evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dingin akan

mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari es karena

berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalir naik ke

atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingin dan

berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah.

2.      Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakai

fan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian

dari lemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan

melalui evaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran

atau cerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es.

2.7. PENYEJUK UDARA (AC)

Air conditioner atau alat pengkondisi udara membantu manusia memberikan udara sejuk

dan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi tubuh. Air conditioner bentuknya lebih kecil dari

lemari es, tetapi tenaga motor listrik sebagai penggerak yang diperlukan jauh lebih besar. Proses

pendinginan yang harus dilakukan yaitu untuk menyejukkan udara dalam suatu ruangan luas atau

15

kamar, adalah jauh lebih lebih besar dari pada lemari pendingin atau kulkas. Secara umum dapat

dibedakan menjadi 2 jenis :

1. AC Window/Jendela

2. AC Split

Prinsip kerja AC mirip seperti lemari es, AC beroperasi untuk mentransfer kalor keluar

dari lingkungan  yang sejuk kelingkungan yang hangat. Meskipun mirip namun perincian

perancangan sebenarnya berbeda karena penyejuk udara mengambil kalor QL dari dalam ruangan

atau gedung pada temperatur rendah , dan membuang kalor Qh keluar lingkungan pada

temperatur yang tinggi.

Kalor secarra alami mengalir darri temperatur tinggi ke temperatur rendah.  Penyejuk

udara melakukan kerja untuk melakukan yang sebaliknya (membuat kalor mengalir dari dingin

ke panas). Kita bisa mengatakan bahwa penyejuk udara “memompa” kalor dari daerah dingin

kedaerah yang lebih panas, melawan kecenderungan alami kalor untuk mengalir dari panas ke

dingin, sebagaimana air dapat di pompa menaiki bukit, melawan kecenderungan alami untuk

mengalir ke bawah bukit. 

Prinsip Kerja Ac

Prinsip kerja AC dapat dibagi 3 bagian :

1.    Kerja bahan pendingin, Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat

dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu

menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan.

Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai

akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan

tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas

terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.

2.      Kerja Aliran Udara, kerja aliran udara ada 2 bagian yang terpisah yaitu : bagian muka atau

bagian depan dan bagian belakang atau bagian yang panas. Bagian depan bagian dari

evaporator merupakan bagian dingin, dimana fan menghembuskan udara meniup evaporator

sehingga udara yang keluar dari bagian depan udara dingin. Sedangkan bagian belakang fan

16

meniup kondensor untuk mendinginkan sehingga udara yang keluar udara panas dari

kondensor.

3.      Kerja Alat-alat Listrik, Alat-alat listrik dari AC adalah bagian-bagian yang paling banyak

variasinya dan paling banyak menimbulkan gangguan-gangguan. Pada prinsipnya dapat

dibagi dalam 2 bagian : fan motor dan kompresor dengan alat-alat pengaman dan

pengaturnya.

Secara garis besar prinsip kerja air conditioner adalah sebagai berikut:

1. Udara di dalam ruangan dihisap oleh kipas sentrifugal yang ada dalam evaporator dan udara

bersentuhan dengan pipa coil yang berisi cairan refrigerant. Dalam hal ini refrigerant akan

menyerap panas udara sehingga udara menjadi dingin dan refrigerant akan menguap dan

dikumpulkan dalam penampung uap.

2.  Tekanan uap yang berasal dari evaporator disirkulasikan menuju kondensor, selama proses

kompresi berlangsung, temperatur dan tekanan uap refrigerant menjadi naik dan ditekan

masuk ke dalam kondensor.

3. Untuk menurunkan tekanan cairan refrigerant yang bertekanan tinggi digunakan katup

ekspansi untuk mengatur laju aliran refrigerant yang masuk dalam evaporator.

4.  Pada saat udara keluar dari condensor udara menjadi panas. Uap refrigerant memberikan

panas kepada udara pendingin dalam condensor menjadi embun pada pipa kapiler. Dalam

mengeluarkan panas pada condensor, dibantu oleh kipas propeller.

5.   Pada sirkulasi udara dingin terus-menerus dalam ruangan, maka perlu adanya thermostat

untuk mengatur suhu dalam ruangan atau sesuai dengan keinginan.

6.   Udara dalam ruang menjadi lebih dingin dibanding diluar ruangan sebab udara di dalam

ruangan dihisap oleh sentrifugal yang terdapat pada evaporator kemudian terjadi udara

bersentuhan dengan pipa/coill evaporator yang didalamnya terdapat gas pendingin (freon). Di

sini terjadi perpindahan panas sehingga suhu udara dalam ruangan relatif dingin dari

sebelumnya.

7.  Suhu di luar ruangan lebih panas dibanding di dalam ruangan, sebab udara yang di dalam

ruangan yang dihisap oleh kipas sentrifugal dan bersentuhan dengan evaporator, serta dibantu

17

dengan komponen AC lainnya, kemudian udara dalam ruangan dikeluarkan oleh kipas udara

kondensor. Dalam hal ini udara di luar ruangan dapat dihisap oleh kipas sentrifugal dan

masuknya udara melalui kisi-kisi yang terdapat pada AC.

8.  Gas refrigerant bersuhu tinggi saat akhir kompresi di condensor dengan mudah dicairkan

dengan udara pendingin pada sistem air cooled atau uap refrigerant menyerap panas udara

pendingin dalam condensor sehingga mengembun dan menjadi cairan di luar pipa evaporator.

9.   Karena air atau udara pendingin menyerap panas dari refrigerant, maka air atau udara

tersebut menjadi panas pada waktu keluar dari kondensor. Uap refrigerant yang sudah menjadi

cair ini, kemudian dialirkan ke dalam pipa evaporator melalui katup ekspansi. Kejadian ini

akan berulang secara terus menerus.

                  Jadi intinya prinsip pendinginan udara pada AC melibatkan siklus refrigerasi, yakni

udara didinginkan oleh refrigerant/pendingin (biasanya freon), lalu freon ditekan menggunakan

kompresor sampai tekanan dan suhunya naik, kemudian didinginkan oleh udara lingkungan

sehingga mencair. Proses tersebut diatas berjalan berulang-ulang sehingga menjadi suatu siklus

yang disebut siklus pendinginan pada udara yang berfungsi mengambil kalor dari udara dan

membebaskan kalor ini ke tempat lain semisal di luar ruangan.

BAB III

PENUTUP

3.1.        KESIMPULAN

            Penerapan  Hukum II Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari begitu banyak, mulai

dari yang sederhana hingga yang kompleks. Mesin kalor merupakan salah satu aplikasi dari

rumusan Kelvin-Plank. mesin kalor adalah suatu alat yang mempertukarkan kalor dengan

lingkungannya dan melakukan usaha berulang-ulang secara terus-menerus dalam suatu

rangkaian proses atau siklus. Bagian dari mesin kalor itu sendiri menyangkut juga tentang mesin

bensin dan mesin diesel yang aplikasinya dapat kita rasakan setiap hari contohnya adalah

kendaraan bermotor (sepeda motor, mobil, dll).

18

       Selain itu, penerapan hukum II Termodinamika juga dimanfaatkan untuk mesin-mesin

pendingin, seperti AC dan Refrigerator yang merupakan aplikasi dari pernyataan Clausius.

Mesin pendingin merupakan kebalikan dari mesin kalor. Mesin pendingin adalah hasil refrigasi

atau proses perputaran refrigan, tentu saja refrigan tidak akan berputar sendiri. Tanpa ada usaha

dari luar.

3.2.        SARAN

       Besar harapan saya agar makalah ini dapat menjadi inspirasi bagi semua pihak. Sebagai

seorang calon guru yang mana nantinya akan menghadapi perkembangan kemajuan teknologi

yang semakin pesat, maka kiranya makalah ini dapat membantu pembaca khususnya yang akan

menjadi seorang guru sebagai bacaan yang sekiranya mampu menuntun para guru dalam

memberikan pelajaran bagi para muridnya dengan mengembangkan sains sebagai bagian dari

pemecahan masalah perkembangan zaman yang semakin kompleks.

19

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I (terjemahan). Jakarta : Erlangga

Hadi, Dimsiki.1993. Termodinamika. Jakarta : Departemen Pendidikan dan Kebudayaan

Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Erlangga

Halliday, David, dkk. .Dasar-Dasar Fisika (versi diperluas) Jilid 2. Binarupa Aksara: Tangerang

Tipler, P.A.1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2002. Fisika Universitas (terjemahan). Jakarta:

Erlangga.

http://poojetz.wordpress.com/2012/aplikasi-hukum-II-Termodinamika.html//

http://mediaonlinefisika.blogspot.com/feeds/posts/default?alt=rss

20