A. MESIN KALOR

Pada dasarnya setiap manusia menginginkan kehidupan yang lebih nyaman dan

mudah. Untuk melakukan kerja, biasanya kita memanfaatkan kekuatan otot.

Kekuatan otot kita sangat terbatas, karenanya kita ingin membuat alat yang bisa

menggantikan atau mengurangi beban kerja otot. Misalnya seseorang yang tinggal

di jakarta. Pada saat liburan, orang itu ingin jalan jalan ke Surabaya. Perjalanan yang‐

jauh bisa ditempuh dengan mudah jika kita bisa membuat alat transportasi alias

kendaraan. Kendaraan bisa bergerak kalau ada energi kinetik.Kendaraan tidak

mungkin bergerak dengan sendirinya karena tiba tiba ia punya energi kinetik. Agar‐

bisa bergerak maka kendaraan harus punya energi kinetik. Energi kinetic kendaraan

tidak mungkin muncul dengan sendirinya.Kendaraan membutuhkan energi lain yang

bisa diubah menjadi energi kinetik kendaraan.

Hampir semua energi yang kita gunakan berasal dari energi potensial kimia yang

terkandung dalam minyak bumi, gas, batu bara.Energi potensial kimia yang

terkandung dalam minyak bumi, gas atau batu bara tidak bisa langsung digunakan.

Minyak bumi, gas atau batu bara harus dibakar terlebih dahulu. Karena harus pake

bakar segala, maka minyak bumi, gas atau batubara biasa disebut sebagai bahan bakar.

Lebih tepatnya bahan bakar fosil karena minyak bumi, gas dan batu bara berasal dari fosil

makhluk hidup, baik tumbuhan atau hewan yang sudah mati dan membusuk dalam perut

bumi selama beribu-ribu atau berjuta juta tahun.‐

Pembakaran bahan bakar fosil (minyak bumi, gas dan batu bara) menghasilkan kalor

atau panas.Kalor bisa kita gunakan secara langsung untuk memasak makanan,

memanaskan ruangan, untuk menggerakan sesuatu (misalnya menggerakkan

kendaraan), kita harus mengubah kalor menjadi energy kinetik atau energi mekanik

(energi mekanik = energi potensial + energi kinetik). Mengubah energy mekanik

menjadi kalor adalah pekerjaan yang sangat mudah, tetapi mengubah kalor menjadi

energy mekanik adalah pekerjaan sulit. Coba gosokan kedua telapak tangan kalian,

pasti telapak tangan kalian akan kepanasan? Ketika kita menggosok kedua telapak

tangan (kita melakukan usaha alias kerja), energi mekanik berubah menjadi kalor.

Prosesnya sangat mudah bahkan kalor yang tak terbatas bisa dihasilkan dengan

melakukan kerja. Tapi proses sebaliknya, yakni memanfaatkan kalor untuk

melakukan kerja adalah pekerjaan yang sulit.

Alat yang digunakan untuk merubah kalor menjadi energy kinetik baru ditemukan

pada tahun 1700. Alat yang dimaksud adalah mesin uap. Mesin uap pertama kali

digunakan untuk memompa air keluar dari tambang batu bara. Perlu diketahui

bahwa penggunaan mesin uap pertama terjadi sebelum para ilmuwan mengetahui

bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya

perbedaan suhu (hukum pertama termodinamika belum dirumuskan). Penggunaan

mesin uap waktu itu mungkin didasarkan pada pengalaman sehari hari yang‐

menunjukkan bahwa uap bisa menggerakkan sesuatu (misalnya uap air menendang‐

nendang tutup panci). Mesin uap termasuk mesin kalor (mesin kalor = alat yang

mengubah kalor menjadi energi mekanik). Sekarang mesin uap digunakan

untukmembangkitkan energi listrik. Mesin kalor modern adalah mesin pembakaran

dalam (mesin mobil,mesin sepeda motor).

Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah

menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu

tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah

menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja),

sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan

bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di

bawah.

Gambar 1. Skema mesin panas.

Amati diagram di atas uhu tinggi (TH) dan suhu rendah (TL) dikenal juga dengan

julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat

bersuhu tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu

rendah diberi simbol QL. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat

bersuhu rendah, sebagian QH diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk

melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL. Sebenarnya kita sangat

mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari‐

hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor

yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan

bahwa QH = W + QL.

Sekarang mari kita tinjau mesin kalor yang biasa digunakan untuk mengubah kalor

menjadi energy mekanik. 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

Mesin Uap

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut

sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe

bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda

tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap

yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan

energy nuklir.

Mesin uap tipe bolak balik

Gambar 2. Skema mesin uap bolak-balik

Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan

pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi

(ingat pembahasan mengenai pendidihan – Teori kinetik gas).Suhu berbanding lurus

dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu

tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan

memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston

meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor uap berubah menjadi energi

kinetik (uap melakukan kerjaterhadap piston W = Fs). Pada saat piston bergerak‐‐

ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan

setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula(2). Ketika

piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup

pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor

sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya,

air yang ada di dalam kondensordipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi.

Demikian seterusnya karena prosesnya terjadi secara berulang ulang maka piston‐

bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Maka roda pun berputar secara

terus menerus.Putaran roda bisaa digunakan untuk menggerakan sesuatu.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak

balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas)

memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial

kimia berubah bentuk menjadi kalor. Kalor yang diperoleh dari hasil pembakaran

bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan

uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energy kinetik

translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar

energi kinetic translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar,

sebagian kecil berubah menjadi kalor (kalor timbul akibat adanya gesekan antara

piston dengan silinder). Jikadigunakan untuk membangkitkan listrik maka energi

kinetik rotasi roda pemutar berubah bentuk menjadi energi listrik.

Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik.

Perbedaannya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin

uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak-balik, kalor diubah terlebih

dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetic translasi

piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar.Pada turbin uap, kalor

langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin.Turbin bisa berputar akibat

adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada

suhu uap sebelah bawah bilah (bilah adalah lempeng tipis yang ada di tengah

turbin). Ingat, suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada

sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka

tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah

bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan uap mendorong bilah ke

bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di

bawah:

Gambar 3. Skema Turbin Uap

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram

perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa

dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu

tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian, perbedaan

suhu sangat diperlukan pada mesin uap. Apabila kita memperhatikan cara kerja

mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan

ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston

bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap

bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi

kinetik translasi piston. Energi kinetic translasi piston kemudian berubah menjadi

energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan

menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi

kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston

bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang

sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi

akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. Apabila suhu

uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong

piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi

dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi dalam uap

bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan.

Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat.

Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan = tekanan

uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke

kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan

(tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston

selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada

uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri).

Dari penjelasan sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam

mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh

dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di

sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap

yang berada di dalam silinder, maka ketika piston bergerak kembali ke kiri, besarnya

tekanan yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya

tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika piston bergerak ke kanan. Dengan

kata lain, besarnya usaha yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil

daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya

sebagian kecil energy kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan

demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan.

Siklus Diesel

Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada

langkah awal kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik =

penekanan yang dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat

mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk kasus ini adalah silinder).

Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap bensin,

maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja. Penekanan secara

adiabatic menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector

alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat

tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, solar langsung terbakar.

Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada

diagram di bawah:

Gambar 4.Diagram siklus diesel.

Diagram di atas menunjukkan siklus diesel ideal. Mula mula udara ditekan secara‐

adiabatic (a b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector‐

menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b c), gas yang terbakar‐

mengalami pemuaian adiabatik (c d), pendinginan pada volume konstan – gas yang‐

terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d a).‐

dari penjelasan di atas kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada

dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja

untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada

suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa

pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.

Efisiensi mesin kalor

Efisiensi (e) mesin kalor merupakan perbandingan antara Usaha (W) yang dilakukan

mesin dengan masukan Kalor pada suhu tinggi (QH). Secara matematis bisa ditulis

seperti ini :

W merupakan keuntungan yang kita terima, sedangkan QH merupakan biaya yang

kita keluarkan untuk membeli dan membakar bahan bakar. Sebagai manusia yang

selalu ingin memperoleh keuntungan yang sebesar besarnya dari pengeluaran yang‐

sekecil kecilnya, kita sangat berharap bahwa keuntungan yang kita peroleh (W)‐

sebanding dengan biaya yang kita keluarkan (QH). Mungkinkah itu terjadi ?

Berdasarkan kekekalan energi, Kalor masukan (QH) harus sama dengan Kerja (W)

yang dilakukan + Kalor yang dibuang (QL). Maka secara matematis dapat ditulis.

Kita gantikan W pada persamaan 1 dengan W pada persamaan 2 :

Jika ingin menyatakan efisiensi mesin kalor dalam persentase, kalikan saja

persamaan efisiensi dengan 100 %.Sehingga persamaannya menjadi.

Berdasarkan persamaan efisiensi di atas, tampak bahwa semakin banyak kalor yang dibuang (QL) oleh suatu mesin kalor, semakin tidak efisien mesin kalor tersebut (merugikan kita). Kita sangat menginginkan agar jumlah kalor yang dibuang (QL) sesedikit mungkin. Bagaimanapun kalor masukan (QH) biasanya diperoleh dengan membakar minyak, batu bara, gas(bahan bakar yang kita bayar). Karenanya setiap mesin kalor pada dasarnya dirancang untuk memiliki efisiensi sebesar mungkin. walaupun kita sangat menginginkan keuntungan yang sebesar besarnya dari‐

pengeluaran yang sekecilkecilnya kenyataan menunjukkan bahwa efisiensi mesin uap biasanya sekitar 40 %, sedangkan efisiensi mesin pembakaran dalam sekitar 50%. Hal ini menunjukkan bahwa setengah bagian kalor yang diperoleh dengan membakar bahan bakar terbuang percuma. Hanya setengah bagian saja yang berubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan usaha alias kerja).

B. MESIN PENDINGIN

Mesin pendingin pada dasarnya merupakan mesin kalor yang bekerja terbalik. Jadi mesin

kalor mengambil kalor alias panas dari tempat yang bersuhu rendah dan membuang kalor

tersebut ke tempat yang bersuhu tinggi… Agar proses ini bisa terjadi maka mesin harus

melakukan kerja. Bagaimanapun kalor secara alami hanya mau mengalir dari tempat

bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Kalor tidak mungkin mengalir dengan

sendirinya dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu tinggi. Hal ini sesuai dengan

penyataan Clausius yang telah diulas sebelumnya.Untuk proses yangterjadi pada mesin

pendingin, pernyataan Clausius sebelumnya bisa ditulis dalam bahasa yang lebih

gaul seperti ini :

“Tidak mungkin ada mesin pendingin (yang bekerja dalam suatu siklus)

yang dapat memindahkan kalor alias panas dari tempat bersuhu rendah

menuju tempat bersuhu tinggi, tanpa disertai dengan usaha alias kerja”

(Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius).

Gambar 6.Skema mesin pendingin

Amati diagram di atas mesin melakukan kerja (W) untuk mengambil kalor alias

panas dari tempat bersuhu rendah (QL) dan membuang kalor tersebut ke tempat

bersuhu tinggi (QH). Berdasarkan hokum kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa

QL + W = QH. Kalau dalam mesin kalor digunakan istilah efisiensi, maka dalam mesin

pendingin digunakan istilah koefisien kinerja (KK). Koefisien kinerja (KK) mesin

pendingin merupakan perbandingan antara Kalor yang dipindahkan dari tempat

bersuhu rendah (QL) dengan kerja (W) yang dilakukan untuk memindahkan kalor

tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Karena:

Maka persamaan 1 dan 2 dapat ditulis:

Terdapat beberapa mesin pendingin yang biasa kita gunakan, antara lain kulkas, AC

(pendingin ruangan)

Kulkas

Perhatikan gambar di bawah. Kondensor = pengubah uap menjadi cair,kompresor =

penekan. Gulungan pendingin biasanya berada di dalam kulkas, sedangkan gulungan

kondensor berada di luar kulkas (di belakang kulkas).

Gambar 7. Skema kulkas

Di dalam gulungan terdapat fluida yang berada dalam keseimbangan fase (berada

dalam wujud cair dan uap). Fluida tersebut dikenal dengan julukan refrigeran.

Refrigeran yang biasa digunakan pada masa lalu adalah freon. Saat ini freon tidak

digunakan lagi karena pelepasan zat ini dapat merusak lapisan ozon.

Motor kompresor (digerakkan oleh listrik) menyedot refrigeran (dalam wujud uap)

dan menekannya secara adiabatik. Karena ditekan secara adiabatik maka suhu uap

meningkat. Karena suhu meningkat maka tekanan uap juga meningkat.Adanya

perbedaan suhu antara kompresor (suhu tinggi) dan kondensor (suhu rendah)

menyebabkan uap yang bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi berbondongbondong

mengalir melewati gulungan kondensor yang berada di belakang kulkas. Suhu uap

lebih tinggi daripada suhu udara sekitar, karenanya ketika mengalir melalui gulungan

kondensor, uap melepaskan kalor alias panas ke udara sekitar. Karena dikondensasi

oleh kondensor maka uap mendingin dan berubah menjadi cair. Ketika mengalir

melalui katup pemuai, si refrigeran yang sudah berubah menjadi cair dimuaikan

secara adiabatik. Adanya pemuaian adiabatik menyebabkan cairan menjadi semakin

dingin (suhunya menurun). Cairan yang lagi kedinginan tersebut mengalir di dalam

gulungan yang berada di dalam kulkas. Karena cairan dalam gulungan lebih dingin

daripada udara dalam kulkas maka kalor pun mengalir menuju cairan. Karena dialiri

oleh kalor maka refrigeran berubah wujud menjadi uap (cairan menyerap kalor alias

panas dalam kulkas). Refrigeran yang sudah berubah status menjadi uap disedot

oleh motor kompresor dan ditekan secara adiabatik. Dan seterusnya(prosesnya

diulangi lagi). Karena kalor yang ada di dalam kulkas mengalir menuju cairan yang

ada dalam gulungan maka kulkas menjadi dingin.

AC (penyejuk ruangan)

Walaupun rancangan alatnya berbeda, pada dasarnya prinsip kerja penyejuk

ruangan mirip seperti kulkas. Untuk kasus ini, isi “kulkas” nya adalah sebuah‐

ruangan. Biasanya gulungan pendingin berada di dalam ruangan sedangkan

gulungan kondensor berada di luar ruangan. Pada bagian belakang gulungan

kondensor biasanya terdapat kipas. Tugas kipas hanya mengatur sirkulasi udara dan

meniup gulungan kondensor sehingga perpindahan kalor dari gulungan kondensor

dan udara sekitar bisa terjadi lebih cepat.Sebaliknya, di bagian belakang gulungan

pendingin terdapat blower alias peniup.Fungsinya mirip seperti kipas yang meniup

gulungan kondensor yang ada di luar ruangan sehingga kalor menuju udara sekitar,

maka kipas meniup gulungan pendingin yang ada dalam ruangan sehingga udara

dingin bisa menyebar dalam ruangan.