EFISIENSI, EFIKASI, REDUNDANSI, DAN PERFORMANSI MESIN TERMODINAMIKA

● Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup proses reversibel, untuk perubahan tenaga panas atau energi termal ke tenaga gerak atau energi mekanik, kehematan atau efisiensi sistem dari seluruh siklus yang beroperasi diantara beberapa titik operasional yang memiliki temperatur sama, adalah sama, dan efisiensi ini bergantung hanya pada temperatur, tak pada bahan digunakan, sehingga perubahan temperatur menentukan perubahan efisiensi.

● Tak ada mesin termodinamik dapat bekerja lebih efisien daripada mesin reversibel termodinamik yang bekerja diantara titik operasional yang memiliki temperatur sama.

● Efisiensi (efficiency) atau kehematan suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, rasio antara hasil (result) dan upaya (effort), atau rasio antara kuantitas energi efektiv atau berdayaguna dari keluaran (output) terhadap energi total masukan (input), atau setara dengan rasio antara daya keluaran (output power) dan daya masukan (input power), dimana untuk mesin termodinamik, adalah setara dengan rasio kerja eksternal diunjukkerjakan oleh mesin dan energi digunakan oleh mesin untuk menghasilkan kerja tersebut pada temperatur lebih tinggi. Untuk mesin proses reversibel termodinamik, dimana efisiensi bergantung hanya pada temperatur, dapat dinyatakan secara matematik sebagai berikut.

● η = Wout/Qinp

● η = (Qinp ― Qout)/Qinp = Qinp/Qinp ― Qout/Qinp = 1 ― Qout/Qinp

● η = (Tinp ― Tout)/Tinp = Tinp/Tinp ― Tout/Tinp = 1 ― Tout/Tinp

● η% = η x 100% 

dimana,

● η, efisiensi

● η%, efisiensi, dalam % (per cent)

● Wout, kerja dihasilkan, dalam J; apa yang kita peroleh, sebagai bagian apa yang kita bayar

● Qinp, kuantitas energi panas masukan, dalam J; apa yang kita bayar

● Qout, kuantitas energi panas keluaran, dalam J; apa yang kita bayar, tapi terbuang

● Tinp, temperatur masukan atau sebelum kerja dilakukan, dalam K

● Tout, temperatur keluaran atau sesudah kerja dilakukan, dalam K

Untuk Qout setara Qinp, atau Tout samadengan Tinp, efisiensi adalah maksimum, 1 atau 100%.

Maksud efisiensi adalah memperoleh Wout sebesar mungkin dengan Qout sekecil mungkin, dimana Wout > Qout, tapi Qout minimum samadengan 0 adalah ideal, sehingga efisiensi maksimum tak pernah dapat dicapai.

● Efisiensi maksimum adalah ideal, dan tak akan pernah dicapai secara real, dan yang dapat dicapai hanya mendekati maksimum.

Untuk suatu mesin tertentu termodinamik, penetapan rangkum temperatur operasional adalah penting untuk menset efisiensi optimum, dimana efisiensi merosot bila, temperatur merosot atau sebaliknya temperatur meningkat, diluar rangkum temperatur optimum.

Konsep dan prinsip efisiensi tak hanya berlaku untuk sistem termodinamik atau termal, tapi berlaku generik atau universal untuk segala mesin. Tentang ini akan dibahas dalam topik tersendiri.

● Efikasi (efficacy) atau efektivitas (effectiveness) atau kedayagunaan suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, ukuran kuantitas efektiv (effective quantity) sistem, yang merupakan rasio kuantitas keluaran terhadap kuantias masukan. Untuk sistem termodinamik proses reversibel, efikasi dinyatakan sebagai berikut. 

● ε = Qout/Qinp = Tout/Tinp

● η = 1 ― Qout/Qinp = 1 ― ε

● ε% = ε x 100%

● η% = (1 ― ε) x 100%

dimana,

● ε, efikasi

● ε%, efikasi, dalam % (per cent)

Untuk Qout setara Q inp, atau Tout samadengan Tinp, efikasi adalah maksimum, 1 atau 100%.

● Efikasi maksimum adalah ideal, dan tak akan pernah dicapai secara real, dan yang dapat dicapai hanya mendekati maksimum.

● Redundansi (redundancy) atau pemborosan, disebut juga irreversibilitas suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, ukuran kuantitas terbuang atau takdigunakan (unused quantity) sistem, yang merupakan beda atau selisih antara kuantitas masukan dan kuantitas keluaran. Untuk sistem termodinamik proses reversibel, redundansi dinyatakan sebagai berikut. 

● ρ = Qinp ― Qout

● η = (Qinp ― Qout)/Qinp = ρ/Qinp

● ρ% = ρ x 100%

dimana,

● ρ, redundansi

● ρ%, redundansi, dalam % (per cent)

Untuk Qout setara Q inp, redundansi adalah minimum, 0 atau 0%.

● Redundansi minimum adalah ideal, dan tak akan pernah dicapai secara real, dan yang dapat dicapai hanya mendekati minimum.

● Koefisien performasi (coeficient of performace) atau unjukkerja suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, rasio antara kuantitas energi keluaran (output) terhadap kerja total masukan (input), yang dapat dinyatakan secara matematik sebagai berikut.

● δ = Qout/Winp

● δ = Qout/(Qinp ― Qout) = Qout/Qinp ― Qout/Qout = Qout/Qinp ― 1

● δ% = δ x 100%

dimana,

● δ, koefisien performansi

● δ%, koefisien performansi, dalam % (per cent)

● Winp, kerja dilakukan, dalam J; apa yang kita bayar

● Qinp, kuantitas energi panas masukan atau diserap, dalam J; apa yang kita bayar, tapi terbuang

● Qout, kuantitas energi panas keluaran atau dibuang, dalam J; apa yang kita peroleh, sebagai bagian apa yang kita bayar

Maksud koefisien performansi adalah memperoleh Qout sebesar mungkin dengan Qinp sekecil mungkin, dimana Qout =< W inp dan Qout >> Qinp, sehingga, tak seperti efisiensi, karena Qinp selalu lebih kecil daripada Qout, koefisien performansi bisa jauh melampaui 1 atau 100%, tapi Qinp minimum samadengan 0 adalah ideal, sehingga koefsisien performansi maksimum atau takterhingga tak pernah dapat dicapai.

Hukum Kedua Termodinamika menjadi landasan pembuatan mesin panas Carnot (Carnot heat engine) dan mesin desakan Diesel (Diesel compression engine). Perangkat teknologi seperti, lemari-es (refrigerator), lemari-pendingin atau kulkas (cool-case), penyejuk-udara (air-conditioner, AC), mesin bakar (combustion engine) atau mesin bensin (gasoline engine) dan mesin desak (compression engine) atau mesin solar dari berbagai kendaraan bermotor (RANMOR), mencakup sepedamotor dan mobil, dirancang berdasarkan pada prinsip Hukum Kedua Termodinamika. 

Jika koefisien performansi maksimum ingin diperoleh diterapkan pada mesin dingin: refrigerator, kulkas, AC, dan semacamnya, maka efiesiensi maksimum ingin diperoleh diterapkan pada mesin panas: RANMOR, dan semacamnya.