Mesin Diesel

Mesin Diesel

Mesin diesel bekerja dengan cara menekan udara yang berada dalam ruang bakar setinggi mungkin. Selain tekanan tinggi, proses ini juga akan menaikkan temperatur dari udara ini. Karena, pada fasa gas, jika tekanan dinaikkan, maka juga akan diikuti dengan kenaikan temperatur. Kemudian bahan bakar baru dimasukkan ke dalam udara bertekanan dan bertemperatur tinggi tersebut dalam bentuk kabut (mist). Alhasil ledakan dengan daya besar sehingga akan mendorong piston untuk menggerakkan cam shaft. Jadi, pada mesin diesel ini tidak ada yang namanya karburator maupun busi seperti di mesin otto (bensin). Karena kita sama-sama tahu bahwa karburator berfungsi untuk mencampur bahan bakar dengan udara dan busi untuk menimbulkan percikan api. Sementara Nah disinilah inti perbedaan mesin otto (bensin) dan mesin diesel ini.

Untuk langkah-langkah yang ada (langkah isap, langkah buang, langkah kompresi dan langkah kerja), mesin otto (bensin) dan diesel memiliki langkah yang sama pula.

Lalu apa pengaruh dari perbedaan cara kerja terhadap hasil yang didapat? Mari kita sedikit berlogika dengan perbedaan proses diantara keduanya.

1.       Daya

Dalam satu siklus, mesin diesel akan menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan dengan mesin otto (bensin). Hal ini dapat dijelaskan melalui ilustrasi diagram tekanan-volume mesin diesel dan mesin otto sebagai berikut :

2.       Efisiensi

Konsep yang digunakan adalah pembakaran miskin bahan bakar, yang artinya jumlah massa udara jauh lebih besar dibandingkan jumlah massa dari solar saat ketika proses pembakaran terjadi. Solar diijeksikan ke dalam ruang bakar yang sudah bertekanan tinggi. Perbandingan massa antara solar dengan bensin pun sampai 1:60. Dengan pembakaran yang miskin tersebut maka kemungkinan terbakarnya solar secara sempurna dalam ruang bakar akan semakin besar.

Ditambah lagi, torsi maksimum mesin diesel didapat di putaran rendah sedangkan mesin bensin di putaran tinggi. Semakin rendah putaran mesin akan menyebabkan semain sedikit konsumsi bahan bakar.

3.       Aselerasi dan Putaran Tinggi

Cara kita menaikkan putaran dan aselerasi pada mesin dengan cara menginjak lebih pedal gas. Itu artinya kita akan memasukkan solar lebih banyak pada mesin diesel dan campuran bensi dan udara lebih banyak pada mesin bensin.

Karena pertemuan solar dengan udara pada mesin diesel hanya terjadi pada waktu yang singkat, semakin banyak bahan bakar yang masuk akan menyebabkan semakin banyaknya solar yang tidak terbakar . itulah yang menyebabkan efisiensi nya turun. Hal ini berbeda dengan mesin otto (bensin) yang sudah mempertemukan bensin dan udara di dalam karburator.

Sehingga kesimpulannya, mesin otto (bensin) lebih baik dalam hal aselerasi dan putaran tinggi. Dewasa ini, problem mesin diesel di sisi ini mulai dikompensasi dengan adanya Turbocharger. Adanya turbocharger membuat mesin diesel dapat beroperasi lebih baik di putaran mesin yang lebih tinggi.

4.       Getaran dan Kebisingan

Karena perbandingan kompresi pada mesin diesel sangat tinggi, selain menyebabkan daya yang lebih besar, getaran dan kebisingan hasil pembakaran juga lebih besar dibandingkan dengan mesin bensin.

5.       Polusi

Di mesin diesel, emisi pembakarannya berupa HC, NOx, SOx, CO2, partikulat dan jelaga. Di mesin otto (bensin), emisi pembakarannya berkisar antara NOx, CO2, CO dan HC. Karena memiliki nilai efisiensi lebih tinggi, pada mesin diesel terdapat NOx lebih banyak dibandingkan dengan mesin otto (bensin), namun CO2 dan HC nya akan lebih sedikit. Dari segi ini, mesin otto (bensin) memberikan hasil emisi yang lebih baik ketimbang mesin diesel.

Mesin Stirling

Mesin Stirling

Motor bakar stirling atau biasa juga disebut Mesin stirling adalah salah satu mesin kalor dan didefinisikan sebagai mesin regenerasiudara panas siklus tertutup. Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem, di mana mesin siklus terbuka seperti mesin pembakaran internal dan beberapa mesin uap, menukarkan fluida kerjanya dengan lingkungan sekitar sebagai bagiaan dari siklus kerja. Regenerasi berarti bahwa adanya penggunaan alat penukar panas internal, yang dapat meningkatkan efisiensi mesin. Banyak sekali kemungkinan dari penggunaan mesin stirling ini, dengan mayoritas masuk ke kategori mesin dengan piston tolak balik. Mesin stirling secara tradisional diklasifikasikan ke dalam mesin pembakaran eksternal, meskipun panas bisa didapatkan dari sumber selain pembakaran seperti tenaga matahari maupun nuklir. Mesin stirling beroperasi melalui penggunaan sumber panas eksternal dan heat sink eksternal, masing-masing dijaga agar memiliki perbedaan temperatur yang cukup besar.

            Mesin stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup.  Dalam konteks ini, siklus tertutup berarti bahwa fluida kerjanya secara permanen terkurung di dalam sistem.  Mesin stirling adalah mesin kalor yang unik karena efisiensi teoritisnya mendekati efisiensi teoritis maksimum yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin carnot.

Mesin stirling bekerja karena adanya ekspansi gas ketika dipanaskan dan diikuti kompresi gas ketika didinginkan. Mesin itu berisi sejumlah gas yang dipindahkan antara sisi dingin dan panas terus-menerus. Perpindahan gas ini dimungkinkan karena adanya piston displacer yang memindahkan gas antara dua sisi dan piston power mengubah volume internal karena ekspansi dan kontraksi gas. Piston yang berpindah disebut sebagai regenerator yang dapat membangkitkan kembali udara.

Prinsip kerja mesin stirling adalah memanfaatkan adanya perubahan tekanan dan volume pada gas dalam system tertutup. Gas pada sisitem dikontakan pada reservoir panas sehingga system menyerap panas. Panas yang dihasilkan disimpan di dalam sebuah regenerator. Akibat adanya panas ini menyebabkan volume gas bertambah. Karena system dalam keadaan tertutup maka tidak ada gas yang keluar sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan menimbulkan perubahan tekanan yang cukup besar. Tekanan yang dihasilkan ini kemudian digunakan untuk menggerakan piston. Sementara itu gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dengan melepas panas pada saat bersamaan. Karena penurunan suhu ini volume gas berkurang dan sisitem menerima kerja kompresi yang menyebabkan volume gas kembali ke keadaan awal. Keadan tersebut terjadi berulang secara periodik sehingga terjadi gerakan piston yang dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik dengan menghubungkannya ke turbin.

            Siklus ini ditemukan oleh Stirling, dimana terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses volume konstan. Dua proses terakhir terjadi dengan bantuan sebuah regenerator untuk membuat siklus ini reversibel

Siklus Carnot ( Siklus Tenaga Uap)

Siklus Carnot (Siklus Tenaga Uap)

Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap.  Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) dan kembali ke fase cair secara berulang-ulang.

Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Misalnya, amonia yang sering digunakan sebagai refrigeran, pada tekanan 1 atmosfir (101.3 kPa) dapat mendidih pada suhu -33ᵒC.  Suhu titik didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya, untuk menaikkan suhu titik didih amonia menjadi 0 oC, tekanan harus dinaikkan menjadi 428.5 kPa.Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi.  Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) .Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

Berasal dari standar yang digunakan, yaitu panas yang diserap oleh 1 ton (2000 lb) es saat mencair selama 24 jam.  Karena panas laten pencairan es adalah 144 Btu/lb, maka panas yang diserap (2000 lb X 144 Btu/lb)/(24 jam X 60 menit) adalah 200 Btu/menit.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamika ideal yang mampu balik,  yang pada mulanya digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan maksimum konversi energi panas ke energi mekanik.  Dalam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum suatu alat pendingin.  Siklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin  mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu-balik di alam nyata,  tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.               

Siklus Carnot berlangsung dengan suatu urutan yang terdiri atas 4 proses yang mampu-balik, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermik

Jika siklus Carnot dibalik, akan diperoleh siklus yang menjadi ukuran kinerja maksimum yang mungkin diperoleh dari suatu mesin pendingin.  Dalam hal ini, kerja harus diberikan pada siklus, zat kerja dikembangkan secara adiabatik dari TH ke TC, menyerap panas pada TC dengan entropi yang meningkat darisa ke sb.  Selanjutnya, zat kerja dikempa secara adiabatik dari TC ke TH, melepas panas secara isotermal pada TH dengan entropi menurun dari sb ke sa.  Dengan demikian, siklus Carnot dapat digunakan untuk tiga tujuan yaitu:

1. mengubah energi panas menjadi energi mekanik (sebagai mesin panas)

2. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat dan melepaskannya di tempat yang diinginkan (sebagai pompa panas)

3. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat yang diinginkan dan membuangnya di tempat lain (sebagai mesin pendingin)

Tujuan (2) dan (3) didasarkan pada siklus Carnot terbalik dan berbeda hanya pada hasil akhir yang diinginkan.  Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan dan siklus pompa panas pada prinsipnya sama dan hanya berbeda pada tujuan akhir proses.  Pada siklus pendinginan yang menjadi tujuan adalah mendapatkan suhu yang lebih rendah dari lingkungannya, sebaliknya pada siklus pompa panas yang menjadi tujuan akhir adalah memperoleh suhu yang lebih tinggi dari lingkungannya.

Penampilan mesin pendingin dan pompa panas umumnya dinyatakan dalam koefisien penampilan (coefficient of performance, COP).  Koefisien penampilan (coefficient of performance, cop) telah digunakan sebagai alat pengukur keefektifan suatu alat dan didefinisikan sebagai perbandingan antara hasil akhir yang diperoleh dengan kerja bersih yang harus diberikan. 

untuk pompa panas,

dan untuk mesin panas,

Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang sangat   jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran.

Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain adalah :

1. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan tekanan          terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas secara isotermal.

2. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas panas   tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek.

3. Diagram p-v siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga sedikit ke-tak-mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus tersebut.

Koefisien tampilan menyatakan keefektifan suatu sistem pendingin, yang merupakan perbandingan  antara efek pendinginan bermanfaat terhadap energi bersih yang harus disediakan dari luar untuk mendapatkan efek pendinginan tersebut.

Efisiensi refrigerasi menunjukkan kedekatan sistem atau siklus pendingin tersebut dengan siklus ideal yang mampu-balik, yaitu siklus Carnot.

KAPASITAS PANAS

Kapasitas Panas

Kapasitas panas yang ada pada sebagian besar sistem tidaklah konstan, namun bergantung pada variasi kondisi dari sistem termodinamika. Kapasitas panas bergantung pada temperatur itu sendiri, dan juga tekanan dan volume dari sistem.

Berbagai cara untuk mengukur kapasitas panas dapat dilakukan, yang secara umum dilakukan pada kondisi tekanankonstan atau volume konstan. Sehingga simbol kapasitas jenisnya disesuaikan, menjadi C_p untuk kapasitas jenis pada tekanan konstan, dan C_V untuk kapasitas jenis pada volume konstan. Gas dan cairan umumnya diukur pada volume konstan. Pengukuran pada tekanan konstan akan menghasilkan nilai yang lebih besar karena nilai tekanan konstan juga mencakup energi panas yang digunakan untuk melakukan kerja untuk mengembangkan volume zat ketika temperatur ditingkatkan.

Panas jenis spesifik dari suatu zat merupakan molekul yang tidak pada kondisi konstan melainkan bergantung pada temperaturnya. Temperatur pada lingkungan pengukuran yang dibuat biasanya juga ditentukan. Conth dua cara untuk menuliskan panas jenis dari suatu zat yaitu:

• Air (cair): c_p = 4.1855 [J/(g·K)] (15 °C, 101.325 kPa) atau 1 kalori/gram °C
• Air (cair): C_vH = 74.539 J/(mol·K) (25 °C)

Untuk cairan dan gas, penting untuk mengetahui tekanan yang digunakan dalam menuliskan nilai kapasitas panas. Kebanyakan data yang dipublikasikan dituliskan pada kondisi tekanan standar.

Hubungan termodinamika

Energi internal dari sebuah sistem tertutup akan berubah dengan menambahkan panas ke sistem atau ketika sistem melakukan kerja.

Untuk kerja sebagai hasil dari perubahan volume sistem:

Jika panas ditambahan pada volume konstan:

Jadilah kapasitas panas pada volume konstan, C_V.

Untuk kapasitas panas pada tekanan konstan, C_P, yang diturunkan dari persamaan perubahan entalpi:

Perubahan pada entalpi dapat dirumuskan dengan:

Sehingga pada tekanan konstan, didapatkan:

Hubungan antara kapasitas panas[sunting | sunting sumber]

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Hubungan antara kapasitas panas

Pengukuran kapasitas panas pada volume konstan seringkali sulit dilakukan pada benda berwujud padat dan cair, karena perubahan temperatur dapat membuat volume zat mengalami pemuaian sehingga membutuhkan penampung yang memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Lebih mudah menghitung secara tekanan konstan dan lalu menurunkannya menggunakan persamaan termodinamika dasar.

Bisa juga dituliskan dengan:

di mana

 adalah koefisien pemuaian

 adalah kompresibilitas isotermal

Rasio kapasitas panas atau indeks adiabatik adalah rasio dari kapasitas panas pada tekanan konstan terhadap kapasitas panas pada volume konstan, yang dapat disebut juga sebagai faktor ekspansi isentropik.

Gas ideal[sunting | sunting sumber]

Untuk gas ideal, mengevaluasi persamaan turunan parsial di atas berdasarkan persamaan keadaan di mana R adalah konstanta gas ideal^[1]

 →= 

→

Substitusikan

= 

Sehingga akan didapatkan persamaan Mayer jika direduksi

Kapasitas panas spesifik (panas jenis)

Kapasitas panas spesifik (atau panas jenis) adalah kapasitas panas per basis massa

di mana pada ketiadaan transisi fase zat akan didapatkan panas jenis:

di mana

 adalah kapasitas panas

 adalah massa zat

 volume zat

 massa jenis zat

Untuk gas dan bahan lainnya yang berada pada tekanan tinggi, terdapat perbedaan nilai panas jenis pada kondisi yang berbeda. Kapasitas panas dapati didefinisikan dengan measukkan kondisi proses isobarik (tekanan konstan, ) danproses isokhorik (volume konstan, ). Hubungan panas jenisnya dapat dirumuskan dengan:

Sesuai dengan persamaan sebelumnya: