Mesin panas dan Refrigerator

1. Mesin panas dan Refrigerator • Sejumlah proses yang membawa sistem kembali ke keadaan semula di sebut daur atau siklus. Pada tiap bagian proses itu dapat terjadi aliran panas masuk ke atau keluar dari sistem • Bila panas yang masuk ke dalam sistem lebih besar daripada panas yang dikeluarkan dari sistem dan kerja dilakukan oleh sistem, maka sistem itu disebut mesin panas ( heat engine). • Bila panas yang keluar dari sistem lebih besar dan kerja yang dilakukan terhadap sistem maka sistem disebut refrigerator.

2. Tujuan mesin panas adalah menghasilkan kerja terus-menerus ke luar, dengan cara melakukan siklus itu secara berulang-ulang. • Bila panas yang masuk adalah Q2 dan panas yang keluar adalah Q1 serta kerja yang dilakukan oleh sistem adalah W, maka efisiensi termal mesin didefinisikan sebagai • 5.40 • Karena proses itu adalah siklik, maka  U = 0 , sehingga • Dari hukum I termodinamika diperoleh I W I = IQ2I – IQ1I

3. Persamaan 5.40 menjadi 5.41 • Transformasipanasmenjadikerjadapatdiperolehdariduamesin: yaitu: mesinbakarluar ( sepertimesinstirlingdanmesinuap), danmesinbakardalam ( seperti, mesin diesel).

4. Mesin Stirling • Mesin ini diciptakan oleh Robert Stirling pada tahun 1816, sebelum termodinamika sendiri berkembang. • Mesin udara panas ini dapat mengubah sebagian dari tenaga yang dilepaskan oleh bahan bakar yang terbakar menjadi kerja. • Setelah mesin uap dan mesin bakar dalam berkembang, mesin stirling tidak lagi banyak dipakai. • Mesin ini memiliki efisiensi yang tinggi, tetapi biaya pembuatannya mahal.

5. Mesin ini memiliki dua piston, yaitu piston untuk ekspansi dan piston untuk kompresi. • Siklus terdiri atas dua isotermal dan dua isometrik. 3 p I Q2I 4 T2 2 T1 I Q1I 1 V 0 Gbr.5.1

6. Pada proses 1  2 : proses kompresi isotermal pada suhu T1, panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem. • Pada proses 2  3 proses isometrik , suhu naik dari T1 ke T2 dan tekanan juga naik dari p1 ke p2, tidak ada kerja yang dilakukan. • Pada proses 3  4: proses ekspansi isotermal pada suhu T2, panas Q2 masuk ke dalam sistem, sementara kerja dilakukan oleh sistem, akhirnya • Pada proses 4  1: proses isometrik, suhu turun dari T2 ke T1 dan tekanan juga turun dari p4 ke p1, tidak ada kerja yang dilakukan.

7. Pada proses 1  2 adalah proses isotermal pada suhu T1 , sehingga tidak ada perubahan energi dalam, karena itu Q1 = W1-2, dan apabila zat pelaku kerja itu adalah gas sempurna, maka • Pada proses dari 3  4 adalah proses isotermal pada suhu T2 sehingga

8. Dari keduapersmaandiperoleh Q1/Q2 = nRT1 (ln V2- ln V1)/ nRT2(lnV1 – lnV2) = - T1/T2 5.42

9. Mesin Carnot • Carnot, dalam tahun 1824,adalah orang yang pertama kali memperkenalkan suatu proses siklik sederhana ke dalam teori termodinamika yang sekarang dikenal sebagai siklus Carnot. • Carnot pada awalnya tertarik dalam meningkatkan efisiensi mesin uap. • Perhatian Carnot bukan hanya dicurahkan pada masalah mekanis, tetapi lebih dicurahkan pada usaha untuk memahami asas-asas fisis mendasar yang menyangkut masalah efisiensi. • Usaha Carnot merupakan landasan pengetahuan tentang termodinamika.

10. p b T2 Q2 d c T1 Q1 0 v • Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan sistem apapun (boleh zat padat, cair atau gas, atau juga selaput permukaan, atau zat paramagnetik). • Siklus Carnot untuk gas sempurna adalah sebagai berikut a Gbr. 5.2

11. Siklus Carnot terdiri dari empat proses • Ekpansi isotermal dari a ke b pada suhu T1, Q2 masuk dan kerja dilakukan oleh sistem. • Ekspansi adiabatik dari b ke c, suhu turun menjadi T1 dan kerja dilakukan oleh sistem • Pemampatan isotermal pada suhu T1 dari c ke d.Panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem. • Pemampatan adiabatik dari d ke a, suhu naik dari T1 menjadi T2, dan kerja dilakukan terhadap siustem

12. Dari hukum I termodinamika • W = (Q2-Q1) – (U2-U1) • Karena U2 = U1 (karena proses siklik), maka • W = Q2-Q1 • Diagram alir siklus Carnot adalah sebagai berikut T2 Q2 W T1 Q1

13. Sesuai definisi efisiensi •  = I W I/ IQ2I = (IQ2I – IQ1I) / IQ2I •  = 1 – IQ1I) / IQ2I 5.43

14. W = kerja keluaran olehmesin, yang dapat dimanfaatkan • Q2 = energi panas yang masuk, yang harus dibayar • Q1= energi panas keluaran, yang tak berguna

15. Andaikan zat yang digunakan adalah gas sempurna, maka untuk proses isotermal dari a ke b, besar kerjanya • Wa-b = nRT2 ln (Vb/Va) 5.44 • Proses dari b k c adalah adiabatik ,Q = 0 W = - dU = - ncv dT, bila diintegralkan diperoleh Wb-c = ncv(T2-T1) 5.45 Proses dari c ke d adalah isotermal pada suhu T1 dan besar kerjanya W c-d = nRT1 ln(Vd/Vc) Proses dari d ke a adalah adiabatik W d-a = ncv (T1 –T2)

16. Q2 = (Ub-Ua) + Wa-b = Wa-b ( isotermal , U tetap) • Q1 = - Wc-d ( negatif karena Wc-d negatif ) • Dengan mengingat bahwa • W da = - Wbc • 5.45

17. Dari kedua proses adiabatik dapat diperoleh • T2Vb-1 = T1Vc-1 dan T2Va-1 = T1Vd-1 • Dari kedua persamaan yang terakhir diperoleh • Vd/Vc = Va/Vb atau ln (Vd/Vc) = ln (Va/Vb) • Atau ln (Vd/Vc) = - ln (Vb/Va) • Bila hasil terakhir dimasukkan ke dalampersamaan 5. 45 diperoleh • 5.46

18. Refrigerator • Untuk refrigerator: • Q1 = energi panas yang dihasilkan , yaitu energi panas yang dikeluarkan dari zat yang didinginkan • W = kerja dari luar, yang harus dibayar • Q2 = energi panas yang dibuang ke reservoir dengan suhu yang lebih tinggi • Pada refrigerator didefinisikan koefisien unjuk kerja (coeficient of performance) sebagai;