Tugas Mata Kuliah Kimia Fisik I : Heat Engine (Mesin Panas) PDF

Preview

Summary

I Dias Dias Isyadini Isyadini Mahyal Mahyal Fadhilah Fadhilah Meynisa Meynisa Zunaidar Zunaidar A. Konversi Energi Entah itu batubara, minyak, gas atau tenaga nuklir, 80% listrik dunia berasal dari sumber panas dan hampir semua proses konversi energi yang digunakan mengubah energi panas menjadi ener...

Description

I

Dias Dias Isyadini Isyadini Mahyal Mahyal Fadhilah Fadhilah Meynisa Meynisa Zunaidar Zunaidar

A. Konversi Energi

Entah itu batubara, minyak, gas atau tenaga nuklir, 80% listrik dunia berasal dari sumber panas dan hampir semua proses konversi energi yang digunakan mengubah energi panas menjadi energi listrik melibatkan langkah perantara untuk mengubah energi panas menjadi mekanik. Energi dalam beberapa bentuk mesin panas. Untuk memenuhi kebutuhan ini, berbagai macam sistem konversi energi telah dikembangkan untuk mengoptimalkan proses konversi ke sumber panas yang tersedia. Proses Konversi Energi

Energi Kimia

Pembakaran

Energi Panas (Kalor)

Mesin

Energi Mekanik

Generator

Energi Listrik

Mesin Panas

Meskipun telah berkembang selama 250 tahun sejak mesin uap James Watt pertama kali menyala, efisiensi konversi terbaik yang dicapai saat ini hanya sekitar 60% untuk sistem turbin uap dan turbin uap gabungan. Efisiensi di kisaran 35% sampai 45% lebih umum terjadi pada turbin uap, 20% sampai 30% untuk mesin piston dan serendah 3% untuk pembangkit listrik termal laut OTEC. Efisiensi mesin panas pertama kali diselidiki oleh Carnot pada tahun 1824 dan dikembangkan oleh Clapeyron yang menyediakan alat analisis pada tahun 1834 dan Kelvin yang menyatakan Hukum Termodinamika Kedua pada tahun 1851 dan akhirnya oleh Clausius yang memperkenalkan konsep entropi pada tahun 1865.

B. Sistem Termodinamika

Setiap sistem termodinamika ada dalam keadaan tertentu yang didefinisikan oleh sifat komponennya seperti panas, suhu, tekanan, volum, densitas, entropi dan fasa (cairan, gas, dll) pada suatu titik waktu tertentu. Termodinamika menyangkut konversi antara panas dan bentuk energi lainnya dalam sistem dan aliran energi terkait.

Dalam siklus termodinamika, energi diaplikasikan dalam satu bentuk untuk mengubah keadaan sistem dan energi kemudian diekstraksi dalam bentuk yang berbeda untuk mengembalikan sistem ke keadaan semula. Pada mesin panas, energi diaplikasikan dalam

bentuk panas untuk mengubah keadaan fluida kerja dan kemudian diekstraksi dalam bentuk kerja mekanik untuk mengembalikan fluida kerja ke keadaan awal. Dengan kata lain, mesin panas adalah sistem di mana energi dipertukarkan antara sistem konversi energi dan sekitarnya. Meskipun fluida kerja di mesin panas dapat bekerja dalam siklus tertutup, "sistem" dan "keadaan sistem" didefinisikan mencakup baik "mesin" fisik maupun lingkungan kerja atau lingkungan.

C. Entropi

Konsep entropi berguna untuk memahami konversi energi sistem, arus energi dan cara kerja mesin panas. Contohnya adalah suhu volume gas tertutup yang diangkat oleh panas dari sumber energi atau wadah. Karena suhu gas meningkatkan gangguan atau energi kinetik molekulnya meningkat yang berarti entropinya meningkat. Hal ini disertai dengan perubahan keadaan gas yang volume atau tekanannya meningkat tergantung pada sifat kandang.

Dalam siklus panas ideal (reversibel) akan ada perubahan entropi nol, namun untuk sistem yang nyata (ireversibel), entropi dalam fluida kerja akan meningkat selama proses transformasi energi, namun untuk fluida kerja untuk menyelesaikan siklus pada saat yang sama. Keadaan seperti pada awalnya, kelebihan entropi ini harus dilewatkan keluar dari "mesin" ke lingkungan sekitar (wadah dingin). Bagian Clausius mengacu pada ejeksi kelebihan entropi ini dari mesin panas ke lingkungan sekitar. Hal ini sesuai dengan hukum kedua karena setiap putaran mesin yang sebenarnya akan menghasilkan lebih banyak entropi yang diberikan pada lingkungan daripada yang diambil darinya, yang menyebabkan peningkatan keseluruhan keseluruhan entropi sistem keseluruhan.

Salah satu konsekuensi hilangnya entropi dari mesin panas adalah energi yang tersedia kurang untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat.

D. Mesin Panas (Heat Engine) Dalam termodinamika, mesin panas (atau yang biasa dikenal sebagai heat engine) adalah sistem yang mengubah panas atau energi termal - dan energi kimia - menjadi energi mekanik, yang kemudian dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan mekanis. Hal ini dilakukan dengan membawa zat kerja dari keadaan suhu yang lebih tinggi ke keadaan suhu bagian yang

lebih rendah. Sumber panas menghasilkan energi panas yang membawa zat yang bekerja ke keadaan suhu tinggi. Zat kerja menghasilkan kerja di tubuh kerja mesin sambil mentransfer panas ke wadah yang lebih dingin sampai mencapai suhu rendah. Selama proses ini sebagian energi panas diubah menjadi kerja dengan memanfaatkan sifat-sifat zat yang bekerja. Bahan kerja bisa berupa sistem dengan kapasitas panas non-nol, tapi biasanya gas atau cairan. Selama proses ini, banyak panas hilang ke sekitarnya, yaitu tidak dapat digunakan.

Dalam siklus penuh mesin panas, tiga hal terjadi: 1. Panas ditambahkan. Suhu ini relatif tinggi, sehingga panasnya bisa disebut Qh. 2. Beberapa energi dari panas masukan yang digunakan untuk melakukan pekerjaan (W). 3. Sisa panas dihilangkan pada suhu yang relatif dingin (QC). Mesin panas membedakan diri dari jenis mesin lain karena efisiensi dasarnya dibatasi oleh teorema Carnot. Meskipun keterbatasan efisiensi ini bisa menjadi kelemahan, keuntungan dari mesin panas adalah sebagian besar bentuk energi dapat dengan mudah dikonversi menjadi panas oleh proses seperti reaksi eksotermik (seperti pembakaran), penyerapan partikel cahaya atau energik, gesekan, disipasi dan ketahanan. Karena sumber panas yang memasok energi panas ke mesin dapat didukung oleh hampir semua jenis energi, mesin panas sangat serbaguna dan memiliki berbagai penerapan.

Menempatkan energi dalam bentuk panas menjadi gas akan meningkatkan suhunya, namun pada saat bersamaan undang-undang gas berarti bahwa tekanan gas atau volume atau

keduanya harus meningkat secara proporsional. Gas dapat dikembalikan ke keadaan aslinya dengan mengeluarkan energi ini lagi namun tidak harus dalam bentuk panas. Tekanan dan/atau perubahan volume dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan dengan menggerakkan perangkat mekanis yang dirancang sesuai seperti piston atau pisau turbin.

Semakin besar perubahan suhu, semakin banyak energi yang bisa diekstraksi dari fluida. Diagram yang berlawanan menunjukkan sistem aliran panas. Panas dipindahkan dari sumbernya, melalui fluida kerja di mesin panas dan masuk ke dalam bak cuci, dan dalam proses ini sebagian panas diubah menjadi pekerjaan. Teori mesin panas hanya menyangkut proses pengubahan panas menjadi energi mekanik, bukan metode pemberian panas, proses pembakaran. Pembakaran adalah proses konversi yang terpisah dan tunduk pada kerugian efisiensinya sendiri. Dalam beberapa sistem praktis seperti turbin uap, kedua proses ini terpisah secara fisik, namun pada mesin pembakaran dalam, yang memperhitungkan sebagian besar mesin, kedua proses tersebut berlangsung di ruang yang sama, pada saat bersamaan.

Siklus panas melibatkan tiga atau lebih proses dasar termodinamika dasar (biasanya empat) untuk mengubah keadaan fluida kerja dan mengembalikannya ke keadaan semula, yaitu kompresi, penambahan panas, perluasan dan penolakan panas. Masing-masing proses ini dapat dilakukan dengan satu atau lebih dari kondisi berikut :  Isotermal Pada suhu konstan, dijaga dengan panas yang ditambahkan atau dikeluarkan dari sumber panas atau wastafel

 Isobarik Terjadi pada tekanan konstan  Isometrik / Isokorik / Iso-volumetrik Terjadi pada volume konstan  Adiabatis Pada entropi konstan. Tidak ada panas yang ditambahkan atau dikeluarkan dari sistem. Tidak ada pekerjaan yang dilakukan.  Isentropik Pada entropi konstan. Kondisi adiabatik reversibel Tidak ada panas yang ditambahkan atau hilang. Tidak ada pekerjaan yang dilakukan.

E. Efisiensi Mesin Panas  Efisiensi dapat ditingkatkan dengan memaksimalkan perbedaan antara saluran masuk panas dan suhu knalpot dingin fluida kerja selama siklus panas.  Efisiensi semua sistem siklus terbuka menderita karena panas yang hilang pada gas buang dengan suhu tinggi.  Efisiensi juga dikurangi dengan kerugian gesekan ketika mesin berputar dilibatkan, oleh energi yang dikonsumsi pada tahap kompresi dan oleh energi pemompaan dalam I.C.E.  Kebanyakan sistem konversi energi adalah sistem multi-tahap sehingga kinerja sistem secara keseluruhan juga bergantung pada faktor lain seperti efisiensi pembakaran bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan panas dan efisiensi, atau kerugian, faktorfaktor ini tidak bergantung pada, dan tambahan pada , Siklus panas dasar (Carnot) fluida kerja.  Efisiensi Carnot mewakili kesempurnaan dan bukan ukuran yang baik untuk membandingkan kinerja sistem konversi energi aktual. Sistem real sangat beragam sehingga tidak ada standar teoritis sederhana untuk perbandingan yang ada selain menghubungkan keluaran energi aktual dari sistem dengan kandungan kalori bahan bakar yang digunakan.  Efisiensi berbagai mesin panas yang diusulkan atau digunakan saat ini memiliki jangkauan yang luas :  3% (97 persen limbah panas menggunakan panas kualitas rendah) untuk proposal daya laut OTEC.  25% untuk mesin bensin otomotif.

 49% untuk pembangkit listrik tenaga batubara superkritis seperti Pembangkit Listrik Avedøre, dan banyak lainnya  60% untuk turbin gas siklus gabungan berpendingin uap. Semua proses ini mendapatkan efisiensi (atau kekurangannya) dari penurunan suhu di antaranya. Energi yang signifikan dapat digunakan untuk peralatan tambahan, seperti pompa, yang secara efektif mengurangi efisiensi.

F. Contoh Mesin Panas Dalam kehidupan sehari-hari, mesin uap, mesin pembakaran, dan mesin stirling termasuk contoh mesin panas. Semua mesin panas ini didukung oleh perluasan gas yang dipanaskan. Wadah paanas berperan sebagai lingkungan umum yang menyediakan gas yang relatif dingin sehingga, bila dipanaskan, akan berkembang dengan cepat untuk menggerakkan gerak mekanis mesin. Walaupun beberapa siklus memiliki lokasi pembakaran yang khas (internal atau eksternal), seringkali mereka dapat diimplementasikan dengan yang lain. Sebagai contoh, John Ericsson mengembangkan mesin pemanas eksternal yang berjalan pada siklus yang sangat mirip dengan siklus Diesel sebelumnya. Selain itu, mesin pemanas eksternal seringkali bisa diimplementasikan dalam siklus terbuka atau tertutup.  Mesin panas bumi Atmosfer bumi dan hidrosfer sebagai contoh mesin panas raksasa, yang digabungkan proses yang terus-menerus mengeluarkan ketidakseimbangan pemanasan matahari melalui penguapan air permukaan, konveksi, curah hujan, angin, dan sirkulasi laut, saat mendistribusikan panas ke seluruh dunia. Sistem Hadley memberikan contoh mesin panas. Sirkulasi Hadley diidentifikasi dengan meningkatnya udara hangat dan lembab di wilayah khatulistiwa dengan turunnya udara dingin di daerah subtropis yang sesuai dengan sirkulasi langsung termal yang didorong, dengan akibat produksi bersih energi kinetik.  Siklus perubahan fase Dalam siklus dan mesin ini, fluida kerja adalah gas dan cairan. Mesin mengubah fluida kerja dari gas ke cairan, dari cairan ke gas, atau keduanya, menghasilkan kerja dari ekspansi atau kompresi fluida. Berikut contoh siklus mesin panas menurut perubahan fasenya : ∙ Rangkaian Rankine (mesin uap klasik)

∙ Siklus regeneratif (mesin uap lebih efisien daripada siklus Rankine) ∙ Siklus Rankine Organik (fase perubahan pendingin pada suhu berkisar antara es dan air cair panas) ∙ Uap ke siklus cair (Injector, roda Minto) ∙ Siklus cair ke padat (frost heaving - air berubah dari es menjadi cair dan kembali lagi bisa mengangkat batu hingga 60 cm.) ∙ Siklus padat untuk gas (meriam es kering - es kering dilubangi dengan gas.)  Siklus khusus gas Dalam siklus dan mesin ini, fluida kerja selalu merupakan gas (yaitu, tidak ada perubahan fasa). Berikut contoh siklus mesin panas menurut perubahan fase gasnya : ∙ Siklus Carnot (mesin panas Carnot) ∙ Siklus Ericsson (Caloric Ship John Ericsson) ∙ Siklus Stirling (mesin Stirling, perangkat termoakustik) ∙ Mesin pembakaran internal (ICE), antara lain : - Siklus Otto (misal : mesin Bensin) - Siklus diesel (misal : mesin Diesel) - Siklus Atkinson (mesin Atkinson) - Siklus Brayton atau siklus Joule awalnya siklus Ericsson (turbin gas) - Siklus lenoir (misal : mesin jet pulsa) - Siklus Miller (mesin Miller)  Siklus khusus cair Dalam siklus dan mesin ini cairan kerja selalu seperti cairan. Hanya ada dua contoh siklus mesin panas menurut perubahan fase cairnya, yaitu Siklus Stirling (mesin Malone) dan Topan Regeneratif Panas.  Siklus yang digunakan untuk pendinginan Lemari pendingin dalam negeri adalah contoh pompa panas : mesin panas terbalik. Pekerjaan digunakan untuk menciptakan perbedaan panas. Banyak siklus bisa berjalan terbalik untuk memindahkan panas dari sisi dingin ke sisi panas, membuat sisi dingin lebih

dingin dan sisi panasnya lebih panas. Versi mesin pembakaran internal dari siklus ini, menurut sifatnya, tidak reversibel. Siklus pendinginan meliputi : ∙ Pendinginan kompresi uap ∙ Stirling cryocoolers ∙ Kulkas penyerapan gas ∙ Mesin siklus udara ∙ Pendinginan vuilleumier ∙ Pendinginan magnetik  Mesin panas uap Mesin penguapan Barton adalah mesin panas yang didasarkan pada siklus yang menghasilkan tenaga dan mendinginkan udara lembab dari penguapan air menjadi udara kering yang panas.  Mesin panas mesoskopik Mesin panas mesoskopik adalah perangkat berskala nano yang dapat melayani tujuan pengolahan fluks panas dan melakukan pekerjaan yang berguna pada skala kecil. Aplikasi potensial misalnya : perangkat pendingin listrik. Pada mesin panas mesoskopik seperti itu, kerja per siklus operasi berfluktuasi karena kebisingan termal. Ada persamaan yang persis sama yang menghubungkan rata-rata eksponen pekerjaan yang dilakukan oleh mesin panas dan perpindahan panas dari pemandian panas yang lebih panas. Hubungan ini mengubah ketimpangan Carnot menjadi persamaan yang tepat.

Daftar Pustaka Anonim. Heat Engine (https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_engine). Diakses pada 16 Agutus 2017 pukul 13.10 WIB. Anonim. Heat Engine (http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm). Diakses pada 16 Agutus 2017 pukul 14.00 WIB....