BAB 7

HUKUM KEDUA TERMODINAMKA

7.1 TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS

Mahasiswa mampu menghitung efisiensi termal pada proses transformasi energi.

7.2 PENDAHULUAN

Pernyataan umum hukum kedua termodinamika, antara lain:

1. Tidak ada suatu alat yang dapat dioperasikan secara sempurna untuk mengubah

panas yang diserap (oleh sistem) menjadi kerja yang dilakukan oleh sistem

2. Proses perpindahan panas selalu terjadi dari permukaan yang suhunya lebih

tinggi ke permukaan yang suhunya lebih rendah.

Pernyataan yang pertama menandakan bahwa proses perubahan panas menjadi kerja dapat

terjadi namun tidak dapat mengabaikan perubahan yang terjadi baik pada sistem maupun

lingkungannnya. Dalam operasi perubahan panas menjadi kerja, selalu terjadi pembuangan

panas dari sistem ke lingkungan. Dengan demikian, pada proses siklus selalu dibutuhkan

energi panas yang baru untuk mengembalikan sistem ke keadaan semula untuk

menghasilkan kerja.

7.3 HEAT ENGINE

Heat engine (mesin panas) ialah suatu peralatan yang dapat digunakan untuk

mengubah energi panas menjadi kerja dalam proses siklus. Proses siklus ialah proses yang

terjadi secara berulang-ulang dan selalu kembali ke keadaan semula. Tahapan yang terjadi

pada proses siklus pembangkit tenaga terdiri dari :

1. Air dalam bentuk cair dipompa ke dalam boiler bertekanan tinggi.

2. Energi panas yang berasal pembakaran bahan bakar ditransfer ke air di dalam boiler

untuk mengubah air menjadi steam dengan temperatur tinggi pada tekanan boiler.

3. Energi yang dimiliki steam ditransfer ke lingkungan sebagai kerja poros turbin.

Selanjutnya steam akan terekspansi sehingga temperatur dan tekanannya akan turun.

118

4. Steam yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah

dengan perpindahan panas ke air pendingin. Ini merupakan siklus yang lengkap.

Pada dasarnya operasi mesin panas terdiri dari dari penyerapan energi panas pada

suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kerja. Perbedaan

temperatur yang dapat diperoleh di sumber-sumber panas menjadi karakteristik operasi

mesin panas. Demikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk

jumlah yang tak terbatas dari suatu permukaan dengan proses temperatur tetap. Selama

operasi, fluida kerja menyerap panas sebesar di sumber pemanas, menghasilkan

sejumlah kerja , dan membuang panas ke lingkungan sebesar di sumber

pendingin, dan selanjutnya kembali ke keadaan semula, sebagaimana diilustrasikan pada

Gambar 7.1.

Gambar 7.1 Diagram heat engine

Berdasarkan hukum pertama termodinamika:

(7.1)

Efisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan

(7.2)

atau (7.3)

Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat terjadi

konversi dari panas dan kerja. Bila efisiensi mencapai 100 %, maka nilai haruslah

nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 100% karena selalu ada panas

yang harus dibuang ke lingkungan. Efisiensi termal sangat tergantung pada tingkat

119

reversibilitas operasi. Salah satu mesin panas yang tahapannya dianggap reversibel adalah

mesin Carnot. Karakteristik operasi mesin panas ideal pertama kali diperkenalkan oleh

N.L.S Carnot pada tahun 1924. Empat tahap dalam siklus Carnot terdiri atas:

1. Sistem mula-mula dalam keadaan kesetimbangan termal dengan sumber pendingin

pada temperatur TC. Selanjutnya dilakukan proses adiabatis secara reversibel

sehingga temperaturnya naik sampai TH, yaitu temperatur sumber panas.

2. Sistem kontak dengan sumber panas pada temperatur TH dan menyerap panas sebesar

secara isotermal dan reversibel.

3. Pada sistem dilakukan proses adiabatis secara reversibel dengan arah yang

berlawanan dengan tahap 1, sehingga temperatur sistem kembali menjadi seperti

temperatur sumber pendingin TC.

4. Sistem dikontakkan dengan sumber pendingin pada temperatur TC dan mengalami

proses pembuangan panas secara isotermal dan reversibel sebesar . Dengan

demikan fluida kerja telah kembali ke keadaan awal.

Selama mesin Carnot bekerja secara reversibel, maka dapat beroperasi balik, dan siklus

Carnot yang dioperasikan secara berlawanan arah menjadi proses refrigerasi yang

reversibel dengan , , dan sama.

7.4 SKALA TEMPERATUR TERMODINAMIKA

Persamaan yang digunakan untuk menunjukkan efisiensi termal, diharapkan dapat

diubah menjadi persamaan yang dapat dinyatakan dalam bentuk temperatur, yaitu:

(7.4)

Dengan demikian, efisiensi termal sudah tidak lagi merupakan fungi sifat fisik dari fluida

kerjanya.

120

7.5 SIKLUS DAN SKALA TEMPERATUR GAS IDEAL

Apabila fluida kerjanya gas ideal, maka siklus Carnot dapat digambarkan dengan

diagram PV seperti pada Gambar 7.2 dan mengikuti persamaan-persamaan untuk gas ideal.

Gambar 7.2 Diagram PV untuk siklus Carnot

Empat tahap dalam siklus reversibel terdiri atas :

1. a → b kompresi adiabatis sampai temperaturnya naik dari TC menjadi TH

2. b → c ekspansi secara isotermal ketika terjadi penyerapan panas

3. c → d ekspansi adiabatis sampai temperatur menjadi TC

4. d → a kompresi secara isotermal sampai kembali ke keadaan awal ketika

terjadi pembuangan panas

Untuk langkah isotermal b→ c dan d→a, dengan anggapan gas ideal berlaku:

dan (7.5)

(7.6)

Untuk proses adiabatis dapat ditulis sebagai berikut:

TH

TC

TC

THa

b

QH

QC

c

d

P

V

121

(7.7)

Maka langkah a → b diintegrasi diperoleh:

Dan untuk langkah c → d setelah diintegrasi diperoleh :

Karena ruas kiri kedua persamaan sama, maka :

atau dapat juga ditulis sebagai

Maka diperoleh persamaan :

(7.8)

Skala temperatur adalah bentuk persamaan yang hanya berisi perubah temperatur saja,

sehingga analisisnya tidak lagi dipengaruhi sifat fisik zat. Dari persamaan di atas terlihat

hubungan yang sangat sederhana antara perbandingan energi panas dengan temperaturnya.

Persamaan untuk efisiensi termal adalah:

(7.9)

Agar efisiensi termal mencapai 100%, nilai TH harus tak terhingga dan nilai TC harus nol.

7.6 ENTROPI

Persamaan untuk siklus Carnot dapat ditulis sebagai :

(7.10)

Bila sebagai acuan perpindahan panas adalah mesin panas, maka nilai QH adalah positif

dan nilai QC negatif. Dengan demikian persamaan diatas dapat ditulis tanpa tanda absolut

menjadi:

122

(7.11)

atau (7.12)

Karena mesin Carnot beroperasi secara periodik dan selalu kembali ke keadaan awal, maka

sifat fisik seperti temperatur, tekanan dan energi selalu kembali ke keadaan semula.

Siklus secara reversibel dapat digambarkan dengan diagram PV seperti pada

Gambar 7.2, yang mana terlukis kurva tertutup dibagi-bagi menjadi bagian yang masing-

masing berpotongan dengan kurva adiabatis reversibel dan kurva isotermal TH dan TC.

Masing-masing bagian kurva tertutup merupakan kurva yang tertutup oleh pasangan garis

adiabatis dan isotermal, berukuran kecil-kecil dan jumlahnya sangat banyak. Masing-

masing bagian dapat dituliskan sebagai:

bila diintegralkan menjadi:

(7.13)

Lingkaran pada tanda integral berarti integrasi menyeluruh untuk satu siklus, dan tanda rev

menandakan bahwa persamaan tersebut berlaku hanya untuk siklus adiabatis.

Ada kuantitas baru yang menyatakan perubahan secara diferensial yang disebut

dengan entropi dan dapat dituliskan sebagai:

St adalah total entropi sistem. Dalam bentuk yang lain dapat dinyatakan dengan:

Pada Gambar 7.3 di bawah ini ditampilkan diagram untuk proses siklis yang terdiri dari

dua jalur proses reversibel antara dua keadaan keseimbangan. Apabila titk A dan B pada

diagram PV menyatakan adanya dua keseimbangan keadaan fluida pada proses siklus

secara reversibel yang masing-masing melalui lintasan ACB dan ADB. Integrasi

persamaan untuk setiap langkah adalah

(7.14)

atau

123

(7.15)

Gambar 7.3 Dua lintasan reversibel yang menghubungkan keadaan keseimbangan A dan B

Kedua nilai integrasi tersebut harus sama. Sehingga entropi merupakan besaran

yang merupakan fungsi keadaan, tidak tergantung jalan yang ditempuh.

Untuk proses yang terjadi dari keadaan A ke B secara irreversibel, perubahan

entropi masih bernilai , dan berdasarkan hasil eksperimen memperlihatkan bahwa hasilnya

tidak diperoleh dari

Perubahan entropi pada sumber panas selalu dihitung dengan Q/T, yang mana Q

adalah kuantitas panas yang ditransfer dari atau ke sumber panas pada temperatur T, baik

secara reversibel maupun irrerversibel. Hal ini disebabkan proses perpindahan panas

terjadi pada dan jumlah energi panas yang relatif tetap pada sumber panas.

Apabila proses terjadi secara adiabatis dan reversibel, maka dQrev = 0, dan dSt = 0.

Oleh karena itu, entropi sistem yang constan selama proses adiabatis reversibel disebut

isentropi.

7.7 PERNYATAAN MATEMATIS HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

A B

C

DP

V

124

Dua permukaan sumber panas masing-masing mempunyai temperatur TH dan TC.

Perpindahan panas terjadi dari permukaan panas ke permukaan dingin. Perubahan entropi

pada sumber panas dengan temperatur TH adalah:

Demikian pula pada permukaan dengan temperatur TC adalah:

Kedua perubahan entropi bila dijumlahkan akan diperoleh:

atau

(7.16)

Apabila TH > TC total perubahan entropi yang dihasilkan dari proses irrevesibel adalah

positif. Apabila nilai TH sangat besar sekali dibandingkan TC, maka perpindahan panas

terjadi secara reversibel, dan ∆Stotal mendekati nol. Sebaliknya untuk proses irreversibel,

∆Stotal akan bernlai positif. Pernyataan di atas disebut pernyataan matematis hukum kedua

termodinamika yang secara umum dapat dituliskan dengan persamaan:

∆S ≥ 0

Dengan demikian proses tidak terjadi apabila entropi total berkurang

DAFTAR PUSTAKA :

1. Smith, J.M., Van Ness, H.C., and Abbott, A., (2001), “Introduction to Chemical

Engineering Thermodynamics”, 6th edition, McGraw-Hill, Boston

2. Potter, M.C. and Somerton, C.W., (1993), “Schaum’s Outline of Theory and

Problems of Thermodynamics for Engineers”, McGraw-Hill, New York

3. Van Ness, H.C., “Understanding Thermodynamics”, Dover Publications, Inc., New

York.

125

BAB 8

PRODUKSI KERJA DARI KALOR

8.1 TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS

Mahasiswa mampu menghitung efisiensi termal berbagai macam mesin

pembangkit tenaga.

8.2. PENDAHULUAN

Dengan ditemukannya bahan bakar fosil dalam bentuk cair maupun gas dapat

diciptakan berbagai mesin penghasil kerja dengan berbagai ukuran sesuai dengan

kebutuhan. Dengan demikian dapat digunakan dimana saja dan dibawa bergerak. Pada

pembahasan sebelumnya bahan bakar diubah dulu menjadi energi panas kemudian menjadi

energi mekanik, nilai efisiensinya sangat rendah (35%). Para ahli terus melakukan

penelitian untuk dapat mendesain alat pembangkit tenaga yang mempunyai nilai efisiensi

tinggi, dengan cara tidak mengubah energi bahan baker menjadi energi panas terlebih

dahulu, dengan harapan dapat memperbaiki efisiensi. Salah satu bentuk konversi secara

langsung tersebut ialah pada sel elektrolisa, yang mengubah energi kimia menjadi energi

listrik. Kisaran efisiensi untuk sel mencapai 55-85% .

Pada produksi tenaga secara konvensional, energi molekul bahan bakar diperoleh

dengan cara pembakaran bahan bakar tersebut. Berbagai cara dan kegunaan dari alat

pembangkit tenaga ini tergantung dari bahan bakar dan cara pengubahan panas

pembakaran menjadi energi mekanik.

Pembangkit tenaga uap merupakan mesin panas berskala besar yang menggunakan

air sebagai fluida kerja yang mengalir secara tunak melalui pompa, boiler, turbin dan

kondensor dalam proses siklis.

Mesin pembakaran dalam, merupakan bentuk lain dari mesin kalor, dimana

temperatur tinggi dicapai dari hasil konversi energi kimia bahan bakar yang langsung

diubah menjadi energi dalam untuk melakukan kerja. Contoh dari mesin ini adalah mesin

Otto dan mesin turbin gas.

126

8.3 STEAM POWER PLANT

Siklus Carnot yang dijelaskan pada bab sebelumnya beroperasi secara reversibel,

terdiri atas dua langkah isotermal dan dua langkah adiabatis. Dalam proses isotermal pada

suhu tinggi TH, energi panas diserap oleh fluida kerja dalam mesin, sedang pada

proses isotermal pada suhu rendah TC, sejumlah energi panas dibuang ke lingkungan.

Produksi kerja yang diperoleh dan termal efisiensinya:

(8.1)

Efisiensi nilainya akan bertambah besar bila TH bertambah dan TC berkurang.

Meskipun efisiensi mesin panas pada proses irreversibel rendah, namun efisiensinya dapat

bertambah apabila temperatur penyerapan panas dinaikkan dan temperatur pembuangan

panas diturunkan.

Proses alir sederhana dimana uap dibangkitkan dalam boiler kemudian diekspansi

secara adiabatis dalam turbin menghasilkan kerja diilustrasikan pada Gambar 8.1. Aliran

steam keluar turbin masuk ke dalam kondenser kemudian dipompakan secara adiabatis

kembali ke boiler. Produksi kerja di turbin jauh lebih besar dibandingkan kerja yang

dibutuhkan oleh pompa, sehingga kerja netto yang dihasilkan sama dengan perbedaan

antara panas masuk di boiler dengan energi panas yang dikeluarkan di kondenser

.

Keadaan perubahan fluida yang mengalir pada masing-masing alat dapat dilihat

pada diagram TS yang terlihat pada Gambar 8.1. Langkah 1→2 adalah proses penyerapan

panas secara isotermal pada temperatur TH yang ditunjukkan dengan garis mendatar pada

diagram TS (Gambar 8.2). Proses penguapan terjadi pada tekanan tetap dan dihasilkan uap

jenuh dari cair jenuh. Langkah 2→3 adalah proses ekspansi secara adiabatis reversibel dari

uap jenuh ke tekanan dimana temperatur air mencapai TC. Proses yang terjadi adalah

ekspansi secara isentropi, yang ditunjukkan dengan garis vertikal pada diagram TS,

sehingga dihasilkan uap basah. Langkah 3→4 adalah proses pembuangan panas secara

isotermal pada temperatur TC, yang ditunjukkan dengan garis mendatar disebut proses

kondensasi. Langkah 4→1 adalah langkah balik kembali ke keadaan semula, menghasilkan

127

air pada keadaan cair jenuh pada titik 1, disebut proses kompresi secara isentropi yang

ditunjukkan dengan garis vertikal pada diagram TS.

Gambar 8.1 Skematik Steam power plant sederhana

Gambar 8.2 Diagram TS untuk siklus Carnot

128

1

2

3

4

1 2

4 3

Siklus reversibel tersebut dapat digunakan sebagai pembanding untuk steam power

plant yang nyata. Beberapa permasalahan dihadapi di langkah 2→3 dan 4→1, antara lain

cairan yang keluar dari turbin mengandung cairan dalam konsentrasi tinggi, sehingga

menyebabkan korosi. Pada titik 4, kesulitan dijumpai dalam mendesain pompa yang

mampu menerima campuran cairan uap, dan air keluar pompa dalam keadaan cair jenuh

(titik1). Berdasarkan alasan tersebut maka diajukan model lain yaitu siklus Rankine

sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 8.3.

Gambar 8.3 Skematik rangkaian alat pada siklus Rankine(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle)

Siklus Rankine berbeda dengan siklus Carnot. Siklus Rankine terdiri atas empat

langkah sebagai berikut:

Proses 1 – 2 : Fluida kerja dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses

pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reversibel (isentropi).

Karena fluida berupa cairan maka pompa hanya memerlukan

sedikit energi.

Proses 2 – 3 : Cairan bertekanan tinggi masuk ke boiler dan mengalami

pemanasan oleh sumber panas eksternal menjadi uap jenuh kering.

Proses 3 – 4 : Uap jenuh kering mengalami proses ekspansi adiabatis reversibel

(isentropis) di dalam turbin, menghasilkan tenaga. langkah ini akan

menurunkan temperatur dan tekanan dari uap, dan sebagian uapa

akan mengembun.

129

Proses 4 – 1 : uap basah masuk ke kondenser dan mengalami kondensasi pada

tekanan dan temperatur konstan menjadi cair jenuh. Tekanan dan

temperatur kondenser ditentukan oleh temperatur pendingin.

Rangkaian proses pada siklus Rankine ini digambarkan dalam diagram TS sebagaimana

ditunjukkan pada Gambar 8.4.

Gambar 8.4 Diagram TS untuk siklus Rankine(Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle)

Steam power plant tidak dapat beroperasi secara reversaibel. Hal tersebut nampak

pada garis 3 – 4 tidak tepat vertikal, namun agak miring sehingga terjadi penambahan

entropi. Uap yang keluar turbin masih basah, namun asal kadar air tidak lebih dari 10%,

tidak menimbulkan problem yang serius.

Dengan mengabaikan energi kinetik dan potensial, maka kebutuhan panas di boiler

dan panas yang harus dikeluarkan di kondenser dapat dihitung dengan persamaan :

dengan m = massa fluida

∆H = beda entalpi antara dua keadaan ( 2 – 3 atau 4 – 1)

Efisiens termal pada steam power plant akan meningkat apabila tekanan operasi di

boiler dinaikkan, sehingga temperatur di boiler juga naik. Namun hal ini akan

meningkatkan biaya investasi pabrik, karena menghendaki alat dan material konstruksi

peralatan yang lebih mahal. Efisiensi mesin uap juga akan meningkat dengan penurunan

130

temperatur di kondenser. Namun hal in tetap dibatasi oleh temperatur media pendingin,

yang umumnya menggunakan air yang temperaturnya sangat tergantung pada iklim dan

geografi. Produksi tenaga biasanya beroperasi pada tekanan kondenser terendah yang dapat

dilakukan.

Pembangkit tenaga dari uap yang modern beroperasi berdasarkan siklus Rankine

yang dimodifikasi, yaitu dihubungkan dengan pemanas air umpan boiler. Air dari

kondenser tidak langsung dikembalikan ke boiler, namun dipanaskan terlebih dahulu

dengan uap yang keluar dari turbin. Biasanya hal ini terjadi pada beberapa tingkatan

(stage) steam sesuai dengan tingkat steam hasil ekspansi di turbin. Contoh pembangkit

tenaga uap dengan pemanasan air umpan dapat dilihat pada Gambar 8.5, sementara

diagram TS untuk proses tersebut ditampilkan pada Gambar 8.6. Adapun proses yang

terjadi adalah:

Proses 1 – 2 : Fluida kerja dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses

pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reversibel (isentropi).

Proses 2 – 3 : Cairan bertekanan tinggi masuk ke pemanas umpan boiler (FWH =

feed water heater) bersam dengan sebagian uap keluaran dari turbin

(titik 6) dan temperaturnya naik menjadi cair jenuh.

Proses 6 – 3 : Sebagian uap yang keluar dari turbin langsung dipanaskan dalam

FWH bersama dengan kondensat (titik 2).

Proses 3 – 4 : Cairan jenuh dipompa ke tekanan lebih tinggi. Proses pemompaan

ini berlangsung secara adiabatis reversibel (isentropi).

Proses 4 – 5 : Cairan bertekanan tinggi masuk ke boiler dan mengalami

pemanasan oleh sumber panas eksternal menjadi uap lewat panas.

Proses 5 – 6 : Uap lewat panas mengalami proses ekspansi adiabatis reversibel

(isentropis) di dalam turbin, menghasilkan tenaga. Langkah ini

akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap. Sebagian dari

uap lewat panas ini akan dikeluarkan dari turbin.

Proses 6 – 7 : Sebagian uap yang masih dalam kondisi lewat panas (titik 6)

diekspansikan dari turbin (titik 6) menghasilkan tenaga. Langkah

ini juga akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap, dan

sebagian uap akan mengembun.

131

Proses 7 -1 : Uap basah dari turbin masuk ke kondenser dan mengalami

kondensasi pada tekanan dan temperatur konstan menjadi cair

jenuh.

Gambar 8.5 Skematik rangkaian peralatan untuk siklus Rankine dengan regenerasi

Gambar 8.6 Diagram TS untuk siklus Rankine dengan regenerasi

132

8.4 MESIN PEMBAKARAN DALAM

Pada pembangkit tenaga uap, uap merupakan zat inert yang dipanaskan dengan

pembakaran bahan bakar. Dengan cara ini dibutuhkan luas permukaan yang besar untuk

proses perpindahan panas baik di boiler maupun di kondenser. Selain itu dalam rangka

perpindahan panas terutama di boiler dibutuhkan dinding logam yang mampu bertahan

pada tekanan dan temperatur yang tinggi. Sedangkan pada mesin pembakaran dalam,

bahan bakar dibakar alam mesin itu sendiri, dan produk pembakaran merupakan fluida

kerja yang menggerakkan piston. Temperatur tinggi terjadi di dalam mesin, dan tidak

memerlukan permukaan perpindahan panas.

Pembakaran dalam pada mesin membutuhkan analisis termodinamika yang rumit.

Bahan bakar bercampur dengan udara masuk kedalam ruang bakar, dan hasil pembakaran

harus selalu dialirkan keluar. Analisis sederhana dibuat untuk membahas siklus pada

operas pembakaran, yaitu menganggap udara merupakan fluida kerja, dan proses

pembakaran adalah penambahan sejumlah energi ke dalam udara.

8.5 MESIN OTTO

Mesin pembakaran dalam seperti pada mesin mobil dan motor adalah mesin Otto.

Siklus terdiri dari empat langkah dimulai dari proses konstan selama piston bergerak keluar

silinder agar bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder. Langkah tersebut

digambarkan dengan garis 1 → 2 seperti terlihat pada Gambar 8.7. Selama langkah yang

kedua 2-3-4, semua valve ditutup karena udara dan bahan bakar akan dikompresi secara

adiabatis dengan silinder piston. Sepanjang garis 2-3 campuran bahan bakar dan udara

dinyalakan, dan proses pembakaran terjadi dengan cepat, sehingga tekanan akan naik pada

lintasan 3-4. Pada langkah ke tiga 4-5-6 dihasilkan kerja, yang diperoleh dari hasil

pembakaran yang mempunyai temperatur dan tekanan tinggi. Langkah 4-5 terjadi proses

ekspansi secara adiabatis dengan bergeraknya silinder piston, dan penambahan volum

slinder. Pada langkah 5-6 (atau 5-2) valve terbuka untuk membuang gas hasil pembakaran,

sehingga tekanan turun dengan cepat. Pada langkah ke empat 2-1, piston menekan sisa-sisa

gas hasil pembakaran dari ruang silinder.

133

Gambar 8.7 Siklus Otto ideal(Sumber: http://wright.nasa.gov/airplane/otto.html)

Pengaruh penambahan rasio kompresi (rasio antara volum awal dan akhir

kompresi) dapat menambah efisiensi mesin, yaitu menambah kerja yang dihasilkan untuk

setiap kuantitas bahan bakar.

Siklus Otto diidealkan seperti Gambar 8.8. Siklus tersebut terdiri atas dua langkah

adiabatis dan dua langkah volume konstan. Pada langkah 3-4 sejumlah panas diserap oleh

udara pada volume konstan sehingga temperatur dan tekanan naik sebagai hasil proses

pembakaran. Selanjutnya udara diekspansi secara adiabatis reversibel (4-5), pendinginan

pada kondisi volume konstan (5-6), dan akhirnya kompresi adiabatis dan reversibel

kembali ke kondisi awal 3.

Efisiensi termal η pada siklus standar udara adalah :

Untuk 1 mol udara dengan kapasitas panas konstan, maka :

Substitusi ke dalam ke persamaan di atas, diperoleh:

134

Gambar 8.8 Diagram PV untuk siklus Otto ideal (Sumber: http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/otto.html)

Efisiensi termal dapat juga dihubungkan dengan kompresi . Setiap T diganti

dengan PV/R dengan menganggap gas deal.

Substitusi ke persamaan untuk akan diperoleh

Untuk dua langkah adiabatis reversibel,

135

Dari persamaan di atas diperoleh:

Dari persamaan-persamaan tersebut efisiensi menjadi:

atau (8.2)

Persamaan tersebut menunjukkan bahwa efisiensi termal bertambah besar ketika rasio

kompresi bernilai rendah. Dan hal ini telah diuji dalam test lapangan.

8.6 MESIN DIESEL

Mesin Diesel berbeda dengan mesin Otto. Pada mesin diesel, temperatur akhir pada

langkah kompresi cukup tinggi sehingga pembakaran bahan bakar dapat terjadi secara

spontan tanpa bantuan percikan api dari busi. Temperatur tinggi dapat dicapai karena rasio

kompresi yang tinggi. Bahan bakar tidak diinjeksi sampai akhir tahap kompresi. Injeksi

bahan bakar dilakukan secara perlahan sehingga proses pembakaran terjadi pada tekanan

tetap. Skematik mesin Diesel disajikan pada Gambar 8.9, sementara diagram PV untuk

siklus Diesel ditampilkan pada Gambar 8.10.

Di dalam mesin Diesel, udara dikompresi secara adiabatis dengan rasio kompresi

berkisar anatar 15 sampai 20. Kompresi ini akan menaikkan temperatur udara sampai

cukup tinggi hingga bahan bakar yang diinjeksikan dapat terbakar secara spontan tanpa

adanya percikan api dari busi.

136

Gambar 8.9 Skematik mesin Diesel(Sumber: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/thermo/diesel.html#c1)

Gambar 8.10 Diagram PV untuk siklus Diesel(Sumber: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/thermo/diesel.html#c1)

Siklus ideal untuk udara dimodelkan dengan satu kompresi adiabatis yang diikuti

dengan proses pembakaran pada tekanan konstan, kemudian ekspansi adiabatis sebagai

137

langkah penghasil tenaga (power stroke) dan diakhiri dengan langkah pembuangan gas

gasil pembakaran yang berlangsung pada volume konstan. Udara segar diambil di akhir

langkah pembuangan, sebagaimana ditunjukkan dengan garis a-e-a pada Gambar 8.10.

Karena langkah kompresi dan power stroke pada siklus ideal ini merupakan proses

adiabatis, maka efisiensi dapat dihitung dari proses tekanan konstan dan volume konstan.

Energi yang masuk dan keluar dan efisiensi dapat dihitung sebagai berikut:

Q1 = CP (Tc – Tb)

Q2 = CV (Ta – Td)

Efisiensi lebih umum dinyatakan dalam rasio kompresi rC = V1/V2 dan rasio

kompresi rE = V1/V3. Eficiency dapat ditulis sebagai:

Untuk proses reversibel, ekspansi adiabatis reversibel (langkah cd) dan kompresi adiabatis

reversibel (langkah ab) berlaku:

dan

Dengan mendefinisikan kompresi rasio rC = VC/VD dan rasio ekspansi rE = VB/VA, maka:

Substitusi ke persamaan sebelumnya :

Karena Pb = Pc, dan dari persamaan gas ideal

Pb Vb = R Tb dan Pc Vc = R Tc

Lebih lanjut Va = Vd maka :

Maka diperoleh :

(8.3)

atau

138

(8.4)

Untuk tingkat rasio kompresi sama, mesin Otto mempunyai efisiensi lebih tinggi

dibandingkan mesin Diesel. Namun mesin Diesel beroperasi pada rasio kompresi yang

tinggi, sehingga efisiensinya menjadi lebih tinggi.

8.7 MESIN TURBIN GAS

Mesin Otto dan Diesel adalah contoh penggunaan secara langsung energi pada

suhu tinggi, gas bertekanan tinggi beraksi pada piston dalam silinder, tidak ada transfer

panas dengan sumber luar. Bagaimanapun turbin lebih efisien daripada mesin

reciprocating, sehingga digabung antara mesin pembakaran dalam dengan turbin dalam

mesin turbin gas.

Turbin gas digerakkan dengan gas suhu tinggi dari ruang pembakaran, seperti

terlihat pada gambar. Udara yang masuk ditekan sampai beberapa bar sebelum dibakar.

Kompresor setrifugal dioperasikan pada poros yang sama dengan turbin, dan sebagian

kerja yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor. Semakin tinggi

suhu gas hasil pembakaran masuk turbin semakin tinggi efisiensinya, dan semakin besar

kerja yang dihasilkan perunit bahan bakar yang dibakar. Suhu dibatasi oleh kekuatan

logam yang digunakan untuk sudu turbin, dan jauh lebih rendah dari flame temperature

bahan bakar. Udara ekses yang cukup harus disediakan untuk mempertahankan suhu

pembakaran pada level yang aman.

Gambar 8.11 Skematik mesin turbin gas

139

Idealisasi gas turbin (didasarkan pada udara disebut siklus Brayton) dapat dilihat

pada PV diagram. Langkah AB adalah kompresi adiabatis reversibel dari tekanan PA

(tekanan atmosferik) menjadi PB. Pada langkah BC panas sebesar QBC, digantikan dengan

pembakaran, ditambahkan pada tekanan konstan, menaikkan suhu udara sebelum ekspansi

isentropik menghasilkan kerja dari tekanan PC menjadi PD (tekanan atmosferik). Langkah

DA adalah proses pendinginan pada tekanan konstan yang menyempurnakan siklus

tersebut. Efisiensi termal siklus tersebut adalah:

Kerja dihasilkan oleh udara yang melewati kompresor dan bila udara dianggap

sebagai gas ideal dengan kapasitas panas konstan maka:

Demikian juga panas yang ditambahkan dan proses dalam turbin;

dan

Substitusi ke persamaan sebelumnya menjadi:

Karena langkah AB dan CD isentropik, maka hubungan suhu dan tekanan dapat

dinyatakan dengan persamaan sbb:

dan

Dengan persamaan ini TA dan TD dapat dieliminasi sehingga:

(8.5)

140

Contoh 8.1

Sebuah gas turbin dengan rasio kompresi PB/PA=6 dioperasikan dengan udara masuk

compresor pada suhu 25oC. Bila suhu maksimum yang diijinkan dalam turbin 760oC,

tentukan:

a. Efisiensi η siklus udara ideal bila γ=1,4

b. Termal efisiensi siklus udara bila compresor dan turbin beroperasi secara adiabatis

tetapi irreversible dengan ηc = 0,83 dan ηe=0,86

Jawaban :

a. Substituís langsung ke persamaan untuk efisiensi :

b. Ireversibilitas dalam kompresor dan turbin akan menurunkan efisiensi mesin, karena

kerja neto merupakan selisih antara kerja yang dibutuhkan kompresor dan kerja yang

diproduksi turbin. Suhu udara masuk kompresor TA dan suhu udara masuk turbin TC

adalah sama untuk siklus ideal. Tetapi, suhu setelah proses kompresi irreversible TB

lebih tinggi daripapada suhu setelah kompresi isentropik TB’, dan suhu setelah

ekspansi irreversibel dalam turbin TD lebih tinggi daripada suhu setelah ekspansi

isentropik TD’.

Efisiensi terma mesin tersebut :

Untuk kerja isentropik :

Panas yang diserap untuk mensimulasi pembakaran:

Persamaan tersebut dikominasi diperoleh:

Sebagai alternativ verja compresor dapat dinyatakan sbb:

W(comp) = CP (TB - TA)

141

Kombinasi persamaan–persamaan di atas dan hasilnya untuk mengeliminasi TB

sehingga η dapat disederhanakan menjadi:

Rasio TC/TA tergantung dari kondidsi yang diberikan. Rasio TB’/TA berhubungan

dengan rasio tekanan Rasio TD’/TA dapat dinyatakan sebagai berikut:

Subsitusi ke persamaan untuk efisiensi menjadi:

dimana

Persamaan tersebut menunjukkan bahwa efisiensi termal akan meningkat bila suhu

udara masuk turbin TC meningkat dan efisiensi kompresor dan turbin meningkat.

Bila harga ηt = 0,86 dan harga ηt = 0,83

Dan

Maka diperoleh efisiensi termal :

DAFTAR PUSTAKA :

1. Smith, J.M., Van Ness, H.C., and Abbott, A., (2001), “Introduction to Chemical

Engineering Thermodynamics”, 6th edition, McGraw-Hill, Boston

2. Potter, M.C. and Somerton, C.W., (1993), “Schaum’s Outline of Theory and

Problems of Thermodynamics for Engineers”, McGraw-Hill, New York

3. Van Ness, H.C., “Understanding Thermodynamics”, Dover Publications, Inc., New

York.

142

BAB 9

REFRIGERASI

9.1 TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS

Mahasiswa mampu menghitung koefisien unjuk kerja alat refrigerasi (refrigerator)

serta menghitung kecepatan cairan refigeran yang disirkulasi.

9.2 PENDAHULUAN

Kita mengenal refrigerasi di kehidupan sehari-hari dalam AC, kulkas, dan freezer.

Dalam skala besar refrigerasi digunakan dalam industri es, pencairan gas, dan dehidrasi

terhadap gas.

9.3 REFRIGERASI

Dalam proses refrigerasi kontinyu panas yang diserap pada suhu rendah secara

kontinyu dibuang pada suhu yang lebih tinggi. Berdasarkan hukum kedua termodinamika,

proses ini membutuhkan kerja dari luar sistem. Refrigerator ideal beroperasi berdasarkan

siklus Carnot, terdiri dari dua langkah isothermal dimana panas sebesar Qc diserap pada

suhu rendah TC dan panas sebesar QH dibuang pada suhu yang lebih tingg TH, dan dua

langkah adiabatis. Siklus tersebut membutuhkan tambahan kerja sebesar W ke dalam

sistem.

(9.1)

Ukuran keefektivan refrigerator adalah koefisien unjuk kerja (ω) yang didefinisikan

sebagai berikut:

(9.2)

Apabila persamaan 1 dibagi dengan QC

143

Persamaan ini hanya berlaku untuk refrigerator yang beroperasi berdasarkan siklus Carnot

(siklus ideal) dan memberikan harga koefisien unjuk kerja maksimum.

Pada umumnya refrigerator beroperasi dengan siklus kompresi uap yang terdiri dari

empat langkah. Cairan diuapkan di dalam evaporator pada tekanan dan suhu tetap. Cairan

menguap membutuhkan panas yang diserap dari lingkungannya. Uap jenuh yang

dihasilkan kemudian ditekan menggunakan kompresor sehingga suhu dan tekanannya naik.

Uap lewat panas keluar kompresor kemudian didinginkan dan diembunkan di dalam

kondensor sehingga mencair. Pada proses pengembunan, panas dilepas pada tekanan dan

suhu yang lebih tinggi. Cairan keluar kondensor dalam keadaan cair jenuh kemudian

diturunkan tekanannya ke tekanan semula dengan proses ekspansi. Selanjutnya cairan

tersebut akan diuapkan lagi dalam evaporator. Proses tersebut dapat dijelakan dengan

gambar berikut.

Gambar 9.1 Siklus proses refrigerasi

Untuk basis satu unit massa fluida, maka panas yang diserap dalam evaporator dan panas

yang dilepas dalam kondensor adalah :

dan

Apabila perubahan energi kinetic dan energi potensial diabaikan maka kerja kompresor

dapat dinyatakan dengan persamaan :

Maka koefisien unjuk keranya :

Kondensor

Evaporator

Kran ekspansi

Kompresor

1 2

34

144

Untuk merancang evaporator, kondensor, kompresor maupun kran ekspansi, kita

harus tahu jumlah kecepatan cairan refrijeran yang disirkulasi (m). Harga m dapat

ditentukan dari kecepatan panas yang diserap dalam evaporator dengan persamaan:

Contoh 9.1

Sebuah ruangan suhunya akan dipertahankan pada suhu 10oF. Air pendingin yang tersedia

suhunya 70oF. Kapasitas refrigerasi 120.000 Btu/jam. Perbedaan suhu untuk perpindahan

panas dalam evaporator dan kondensor 10oF. Cairan refrigerant yang digunakan adalah

tetrafluoroethane (HFC-134a), data dapat diambil dari gambar G.2 (app G) buku

Termodinamika untuk Teknik Kimia karangan Smith – Van Ness:

a. Hitunglah koefisien unjuk kerja bila prosesnya mengikuti siklus Carnot?

b. Hitunglah koefisien unjuk kerja dan kecepatan cairan yang disirkulasi bila prosesnya

mengikuti siklus kompresi uap?

Jawaban :

a. Koefisien unjuk kerja untuk siklus Carnot :

b. Refrigeran (tetrafluoroethane ) keluar evaporator keadaannya uap jenuh dan keluar

kondensor keadaannya cair jenuh sehingga enthalpy (H) pada titik 2 dan 4 bisa

dibaca dari table. Suhu uap keluar evaporator 0oF, sehingga tekanannya 21,162 psia

(dibaca dari tabel).

H2 = 103,015 Btu/lbm S2 = 0,22525 Btu/lbm R

Suhu keluar kondensor 80oF , sehingga tekanannya 101,37 psia

H4 = 37,978 Btu/lbm

Apabila kompresor bekerja secara adiabatic reversible maka :

S’3 = S2 = 0,22525 Btu/lbm R

Entalpi pada tekanan 101,37 psia pada entropi tersebut adalah :

H’3 = 117 Btu/lbm

145

Perubahan entalpinya adalah :

(∆H)s = H’3 - H2 = 117 - 103,015 = 13,98 Btu/lbm

Apabila efisiensi kompresor 0,8 maka entalpi yang sesungguhnya adalah :

Karena ekspansinya menggunakan kran maka H4 = H1. Maka harga koefisien unjuk

kerjanya menjadi :

Dan kecepatan sirkulasi refrigerant :

9.4 PENUTUP

9.4.1 Tes Formatif

Sebuah refrigerator siklus kompresi uap menggunakan cairan refrigerant

tetrafluoroethan. Suhu kerja evaporator 30oF, suhu kerja kondensor 80oF, efisiensi

kompresor 80%, kapasitas refrigerasi 600 btu/det. Hitunglah koefisien unjuk kejanya dan

kecepatan cairan refrigerant yang di sirkulasi.

9.4.2 Umpan Balik

Apabila mahasiswa sudah dapat menghitung koefisien unjuk kerja refrigerator dan

kecepatan cairan yang disirkulasi dengan benar , maka mahasiswa tersebut sudah

memenuhi kompetensi dasar untuk sub pokok bahasan refrigerasi.

9.4.3 Tindak lanjut.

Apabila mahasiswa belum dapat menghitung koefisien unjuk kerja refrigerator

maupun kecepatan sirkulasi cairan, mahasiswa dapat melihat contoh soal yang ada di buku

yang disarankan.

9.4.4 Kunci Jawaban Tes Formatif

146

Refrigeran (tetrafluoroethane) keluar evaporator keadaannya uap jenuh dan keluar

kondensor keadaannya cair jenuh sehingga enthalpy (H) pada titik 2 dan 4 bisa dibaca dari

tabel. Suhu uap keluar evaporator 30oF, sehingga tekanannya 40,768 psia (dibaca dari

tabel).

H2 = 107,320 Btu/lbm S2 = 0,22344 Btu/lbm R

Suhu keluar kondensor 80oF , sehingga tekanannya 101,37 psia

H4= 37,978 Btu/lbm

Apabila kompresor bekerja secara adiabatic reversible maka :

S’3 = S2 = 0,22344 Btu/lbm R

Entalpi pada tekanan 101,37 psia pada entropi tersebut adalah :

H’3 = 115 Btu/lbm

Perubahan entalpinya adalah :

(∆H)S = H’3 - H2 = 115 - 107,320 = 7,680 Btu/lbm

Apabila efisiensi kompresor 0,8 maka entalpi yang sesungguhnya adalah :

Karena ekspansinya menggunakan kran maka H4 = H1. Maka harga koefisien unjuk

kerjanya menjadi :

Dan kecepatan sirkulasi refrigerant :

DAFTAR PUSTAKA

1. Smith, J.M., Van Ness, H.C., and Abbott, A., (2001), “Introduction to Chemical

Engineering Thermodynamics”, 6th edition, McGraw-Hill, Boston

2. Potter, M.C. and Somerton, C.W., (1993), “Schaum’s Outline of Theory and

Problems of Thermodynamics for Engineers”, McGraw-Hill, New York

3. Van Ness, H.C., “Understanding Thermodynamics”, Dover Publications, Inc., New

York.

147