Aplikasi Mesin Carnot Dalam Kehidupan

 Aplikasi Mesin Carnot Dalam Kehidupan Sehari-hari

         Hai sobat fisika! kembali lagi dipembahasan kita seputar fisika nih, masih berlanjut dengan materi sebelumnya yaitu tentang konsep hukum termodinamika. Hari ini kita akan membahas mengenai salah satu prinsip mesin kalor yang dikemukanan oleh seorang yang disebut-sebut sebagai pelopor ilmu termodinamika yaitu seorang insinyur Perancis bernama Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832), faktanya pada tahun 1824 beliau mempublikasikan suatu laporan tentang prinsip-prinsip umum mesin kalor yang didalamnya terdapat rumusan ide-ide dasar termodinamika, dalam hal ini Carnot mengatakn bahwa semua perpindahan (pergerakan) berhubungan dengan kalor. Mesin kalor itu apa sih? Mesin kalor merupakan sebutan untuk mesin yang mampu mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (energi mekanik). Nah, ternyata mesin kalor sudah ditemukan sekitar tahun 150SM loh, mesin tersebut merupakan turbin uap pertama yang ditemukan oleh seorang ilmuwan Yunani kuno, Hero dari Alexandria. Mesin tersebut merupakan mesin uap pertama yang ditemukan oleh manusia. Selain itu mesin uap juga sudah dikembangkan oleh James Watt dan beberapa ilmuwan lainnya, namun prinsip-prinsipnya baru muncul pada tahun 1824.

I. Siklus Carnot

        Nah, disini aku akan meriview secara singkat mengenai siklus Carnot ya. Siklus merupakan sebuah rangkaian proses yang berjalan sedemikian rupa sampai pada akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam siklus Carnot terjadi dua proses isotermal dan dua proses adiabatik, seperti yang ditunjukkan gambar berikut.

Gambar 1.1 Diagram P-V untuk siklus Carnot.

        Terlihat pada gambar bahwa proses berbalik dari keadaan D ke keadaan awal hal ini dapat disimpulkan bahwa perubahan besaran keadaan (besaran termodinamika) seperti energi dalam maupun entalpi sistem proses adalah nol. Dalam siklus Carnot tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0), sehingga sesuai dengan hukum 1 termodinamika persamaannya adalah sebagai berikut :

∆U = Q-W

0 = (Q₁ – Q₂) – W

W = Q₁ – Q₂ 

II. Aplikasi Penerapan Mesin Carnot

        Nah, tadi kita sudah meriview sedikit mengenai siklus Carnot, sekarang kalian tahu tidak bahwa penerapan siklus Carnot ini ternyata banyak loh dalam kehidupan sehari-hari. Contohnya apa sih? disini aku akan menjelaskan beberapa contoh penerapan mesin Carnot yang dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari ya, yuk kita lihat.

A. Mesin Pendingin (Kulkas)

        Di zaman yang semakin berkembang ini, waktu menjadi suatu hal yang semakin berharga dalam kehidupan sehari-hari. Kita bisa melihat aktifitas orang-orang di Negeri Matahari Terbit, mereka sangat menghargai setiap detik waktu yang adaloh sampai memasak saja tidak lagi sempat. Untuk meminimalis waktu saat makan, banyak orang memilih untuk membeli makanan instan yang biasanya sudah dibekukan atau harus disimpan di lemari es (kulkas), atau kalian menyimpan sayuran-sayuran segar di lemari es untuk memperlambat proses pembusukan melalui reaksi oksidasi. Kalian tahu tidak kalau ternyata lemari es juga terikat prinsip hukum II termodinamika loh. 

        Kulkas mengambil kalor yang dikeluarkan oleh makanan yang tersimpan didalamnya ke udara disekitarnya, dalam proses tersebut diperlukan sejumlah energi listrik untuk melakukan usaha pada sistem sehingga kalor dapat mengalir dari sumber dingin ke sumber panas. Hal tersebut menyebabkan bagian kanan kiri kulkas terasa hangat saat kita sentuh sewaktu kulkas tersebut bekerja. Lalu apa peranan siklus Carnot pada kulkas?

Komponen-komponen kulkas

Gambar 2.1 Lemari es (motherandbaby,2020)

1.Komresor : Sebagai bagian paling penting dari kulkas, terletak dibagian bawah kulkas. Berperan dalam memompa freon atau cairan pendingin ke seluruh bagian kulkas.

2.Kondensor : sebagai alat penukar kalor, berfungsi untuk membuang panas (kalor). Dalam hal ini kondensor akan mengubah fase gas refrigeran pada suhu dan tekanan yang tinggi menjadi refrigeran dalam fase cair. Kondensor akan terasa hangat saat kulkas bekerja, untuk kulkas zaman sekarang kondensor terletak di dalam badan (body) kulkas, itulah mengapa kulkas akan terasa hangat jika dipegang.

3.Filter / filter dryer : Sebagai penyaring kotorang yang terbawa oleh aliran bahan pendingin setelah melakukan sirkulasi, agar kotoran tidak masuk kedalam kompresor dan pipa kapil. Filter terletak diantara kondensor dan pipa kapiler. Selain itu, filter membuat bahan pendingin yang akan disalurkan pada proses berikutnya lebih bersih sehingga penyerapan kalor dapat dilakukan secara lebih maksimal.

4.Pipa kapiler : sebagai komponen yang berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigeran yang akan masuk ke evaporator. Pipa kapiler sering disebut sebagai alat ekspansi, di pipa kapiler terjadi perubahan dari refrigeran bertekanan tinggi menjadi refregeran bertekanan rendah.

5.Evaporator : Merupakan alat yang berfungsi untuk menyerap panas dari segala benda yang ada didalam kulkas, seperti makanan, minuman, daging, dan lain sebagainya. Panas (energi kalor) yang diserap oleh evaporator disimpan pada kulkas akan menguapkan bahan pendingin yang mengalir di dalamnya, dengan kata lain evaporator merupakan alat penguap bahan pendingin agar efektif dalam penyerapan panas dan penguapan bahan pendingin.

6.Thermostat : sebagai pengatur kerja kompresor secra otomatis berdasarkan batasan suhu pada setiap bagian kulkas, disebut juga saklar otomatis yang bekerja berdasarkan suhu.

7.Heater : sebagai komponen yang berfungsi untuk mencairkan bunga es yang menempel pada evaporator, serta mencegah terjadinya penimpunan bunga es pada bagian evaporator yang dapat menyebabkan sirkulasi udara menjadi tidak lancar dan penyerapan kalor tidak terjadi secara maksimal.

8.Fan motor : berfungsi untuk menghembuskan angin. Fan motor evaporator untuk meniupkan udara dingin dari evaporator keseluruh bagian dalam kulkas, sedangkan fan motor kondensor terletak dibagian bawah kulkas untuk menghisap atau mendorong udara melalui kondensor dan kompresor.

9.Overload motor protector : sebagai pengaman arus berlebihan, menyatu dengan kompresor, dalam prinsip kerjanya dapat memutuskan dan menyambungkan arus listrik.

10.Timer : sebagai pengatur waktu, kerusakan timer akan mengakibatkan kebekuan, atau bisa membuat kompresor tidak mampu bekerja.

11.Defrost heater (Thermofuse / Fuse) : Ketika timer mengalami kerusakan, heater akan bekerja secara terus-menerus sehingga temperatur kulkas dapat melebihi 70 derajat celcius, makan defrost heater akan memutuskan arus listris yang mengalir pada heater.

12.Refrigeran : disebut juga freon, refrigeran merupakan fluida yang mudah berubah fase dari gas menjadi fase cair, ataupun sebaliknya.

Siklus Carnot Pada Kulkas

1. Pada saat kulkas dialiri oleh energi listrik, komponen evaporator menjalankan fungsinya dengan menyerap kalor yang berada di dalam kulkas berasal dari bahan makanan dan sebagainya yang berada di dalam kulkas. Disamping itu motor kompresor juga akan berputar dan menghasilkan tekanan pada refrigeran yang mengakibatkan refrigeran mengalir. Proses tersebut disebut proses kompresi pada kompresor saat langkah pengeluaran (Discharge stroke), refrigeran akan berubah sifatnya menjadi gas yang bertekanan tinggi dan suhu yang tinggi karena disebabkan adanya tekanan motor kompresor (itulah mengapa suhu pada body kulkas terasa hangat terutama pada kompresor). 

2. Refrigeran selanjutnya mengalir melewati kondensor (komponen kulkas yang berfungsi membuang panas) ketika berada di kondensor, refrigeran akan melepas kalor ke lingkungan luar sehingga berubah dari fase gas menjadi cair dengan suhu yang menurun namun tetap bertekanan tinggi, artinya refrigeran mengalami peristiwa kondensasi menjadi cairan.

 

3. Refrigeran akan melewati filter untuk dibersihkan dari kotoran, kemudian masuk ke pipa kapiler menuju saluran evaporator. Tekanan tinggi refrigeran cair diturunkan dengan menggunakan katup ekspansi dan dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan berusu rendah dengan bentuk kabut yang diteruskan ke evaporator. Saat berada di evaporator, refrigeran bersuhu rendah dengan tekanan yang tinggi akan menguap dan kembali ke fase gas dengan suhu rendah. Proses tersebut merupakan proses penguapan. Tekanan tinggi refrigeran cair diturunkan dengan menggunakan katup ekspansi dan dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan berusu rendah dengan bentuk kabut yang diteruskan ke evaporator.

4. Penguapan yang terjadi disebabkan karena adanya penyerapan kalor dari dalam kulkas yang bersumber dari makanan, minuman, dan bahan lainnya yang ada di dalam kulkas yang diserap oleh evaporator, akibatnya udara di evaporator terkondensasi. Proses ini akan berulang terus-menerus selama adanya aliran listrik yang mengalir pada kulkas, akibatnya lama kelamaan udara tersebut akan menjadi butiran-butiran es (bunga es) di ruang evaporator.

Gambar 2.2  Siklus pada kulkas (Suhendra Cahyadi, 2019)

B. PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap)

Gamber 2.3 Siklus PLTU (Bunayya Deju Nasution; Hidayani; Indah Fitri; Nurul Arista; Nurul Ramadhaniyah; Wirna Dewi Zebua, 2020)

        Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) mungkin hal ini tidak terdengar asing lagi bagi kalian, yap betul PLTU merupakan salah satu jenis pembangkit listrik tenaga termal yang banyak dipakai karena mampu menghasilkan energi listrik yang tinggi. Lalu hubungannya dengan siklus carnot apa? siklus Carnot digunakan PLTU di pabrik-pabrik industri karena uap yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan mesin-mesin di pabrik tersebut, selain itu juga terdapat siklus rankine pada siklus PLTU yang menggunakan cara berulang-ulang. Yuk kita bahas lebih lanjut mengenai siklus Carnot pada PLTU.

        Siklus Carnot pada PLTU berperan dalam menganalisa kerja mesin panas PLTU dalam mengubah siklus air-uap-air. Berikut ini merupakan siklus pada PLTU :

1. Siklus air-uap-air yang merupakan suatu sistem tertutup air dari kondensat atau air hasil proses kondensasi di kondensor dan air yang dimurnikan dipompa oleh pompa kondensat  ke pemanas tekanan rendah. Disini air dipanaskan lalu dimasukkan oleh daerator untuk membuang oksigen, kemudian dipompa oleh boiler feed water pump menuju ke economizer. Selanjutnya air dialirkan ke pipa untuk dipanaskan pada tube boiler.

2. Pada tube boiler, air menguap dan berubah menjadi fase uap air yang akan dikumpulkan kembali pada steam drum, lalu dipanaskan pada superheater dan berubah menjadi uap kering yang mempunyai tekanan dan temperatur tinggi, uap ini akan digunakan untuk menggerakkan sudu turbin tekanan tinggi, agar sudu turbin menggerakan poros turbin.

3. Berputarnya poros turbin akan membuat poros generator berputar yang dihubungkan dengan coupling, putaran tersebut menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan oleh generator akan disalurkan dan di distribusikan lebih lanjut ke pelanggan (mesin-mesin di pabrik industri).

4. Uap yang terbebas dari turbin akan di kondensasikan dari kondensor dan bersama air dari make up water pump dipompa oleh pompa kondensat masuk ke pemanas tekanan rendah, kemudian siklus akan berulang terus-menerus.

C. Mesin Diesel

Pengertian & Sejarah Singkat Mesin Diesel

Gambar 2.4 Mesin Diesel pertama (Wikipedia, 2010)

        Mesin diesel adalah sebuah mesin yang melakukan proses pembakaran di dalam mesinnya / pembakaran dalam (internal combustion engine) di samping motor bensin dan turbin gas, dikatakan sebagai internal combustion karena proses menyalanya bahan bakar dilakuman dengan penyemprotan bahan bakar ke dalam udara dengan tekanan dan suhu yang tinggi, karena proses kompresi. Secara lebih mendalam mesin diesel merupakan sebuah mesin pemicu kompresi, dalam hal tersebut bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang di kompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain seperti busi. Selain itu ada beberapa hal yang dapat mempengaruhi kinerja mesin diesel seperti besarnya perbandingan kompresi, tingkat homkgenitas campuran bahan bakar dengan udara sekitar, dan karakteristik bahan bakar.

        Seorang peneliti bernama street melakukan penelitian mengenai motor pembakaran dalam (ICE) pada tahun 1794, hasil penelitiannya di kembangkan oleh seorang insinyur Perancis bernama Sadi Carnot pada tahun 1824. Selanjutnya ide Sadi Carnot menjadi dasar perkembangan mesin diesel, ia mengatakan bahwa udara murni yang dimampatkan tersebut dengan perbandingan 15:1 dapat menghasilkan udara yang panas untuk menyalakan kayu kering. Udara yang digunakan untuk proses pembakaran hendaknya di kompresian dengan perbandingan yang besar sebelum dinyalakan. Selain itu ia juga menyatakan bahwa dinding silinder harusnya didinginkan, karena panas akibat pembakaran akan berpengaruh pada kinerja motor pembakaran.

        Penemu mesin diesel adalah seorang insiyur yang berkebangsaan Jerman, lahir di Prasi 1858 bernama Rudolf Christian Karl Diesel. Pada zaman tersebut mesin diesel menjadi incaran banyak orang karena merupakan ciptaan yang sangat revolusioner, menggunakan bahan bakar nabati seperti minyak kacang dan minyak ganja bukan bahan bakar bensin cs. Pada tahun 1892 Dr. Rudolf Diesel berhasil membuat motor penyalaan kompersi dengan bahan bakar serbuk batu bara menggunakan prinsip penyalaan bahan bakar dan udara. 

Gambar 2.5 Mesin Diesel buatan Dr. Rudolf Diesel (Wikipedia,2010)

        Nah kalau kita lihat dari gambar tersebut mesin diesel buatan Dr.Rudolf yang dipajang di museum Jerman pada tahun 1897 tersebut ukurannya besar sekali ya! pasti membutuhkan tempat yang luas ya readers, dan lagi kalau didistribusikan pasti membutuhkan banyak tenaga dan waktu nih. Untuk mengatasi permasalahan tersebut seorang penemu yang berkebangsaan Jerman bernama Robert Bosch pada tahun 1927 telah mengembangkan sistem pompa injeksi bahan bakar yang benar-benar dapat disebut "mini" berdasarkan penemuannya tersebut masalah mototr diesel yang memakan tempat terlalu banyak dapat diatasi. Pompa injeksi motor diesel dapat diatur sesuai oembebanan, sedangkan kondisi kecepatan motor dapat atau lebih baik dari karburator motor bensin. Motor diesel akhirnya memasuki perkembangan pemakaian dan pemasaran yang lebih luas, perkembangan lainnya yaitu penambahan sebuah turbocarjer yaitu alat untuk memompakan udara kedalam saluran masuk, pompa tersebut digerakan oleh gas buang yang kedalam turbocarjer tersebut hal tersebut menurunkan asap gas buang. Akhirnya motor diesel seperti keadaan sekarang menjadi motor yang efisien, ringan dan bebas polusi udara.

        Salah satu keuntungan dari motor diesel yaitu membakar lebih sedikit bahan bakar daripada bensi untuk menghasilkan usaha yang sama karena suhu pembakaran dan rasio kompresi yang lebih tinggi. Mesin bensin umumnya memiliki tingkat efisiendi 30% sedangkan mesin diesel 45% karena mengubah energi bahan bakar menjadi energi mekanik berdasarkan siklus Carnot.

Cara Kerja Mesin Diesel

Gambar 2.6 Diagram P-V Siklus Mesin Diesel

        Berdasarkan diagram P-V siklus termodinamika sebuah mesin diesel ideal, urutan kerja mesin diesel berurutan dari nomor 1-4 searah dengan arah jarum jam. Dalam siklus mesin diesel, pembakaran terjadi dalam tekanan tetap dan pembuangan terjadi dalam volume tetap. Berikut ini merupakan langkah kerja sebuah mesin diesel:

1. Langkah Isap 

Pada langkah ini udara yang masuk ke dalam ruang pembakaran melalui bagian katup atau saluran hisap. Hal tersebut terjadi karena torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB), dalam kondisi ini katup hisap membuka dan  katup buang masih tertutup saat langkah ini mulai bekerja.

2. Langkah Kompresi

Langkah ini disebut kompresi karena pada saat piston atau torak bergerak dari TMB ke bagian TMA , udara tersebut dimampatkan atau di kompresikan seiring dengan bergeraknya katup ke TMA. Dalam kondisi ini katup hisap dan katup buang tertutup, kompresi mengakibatkan suhu udara dan tekanan udara meningkat atau naik drastis.

3. Langkah Usaha / Pembakaran 

Langkah usaha meneruskan langkah kompresi, kemudian bahan bakar solar disemprotkan oleh pengabut ke dalam ruang bakar sehingga bercampur dengan udara bertekanan dan bersuhu tinggi (hal ini terjadi sebelum torak mencapai TMA), maka terjadilah pembakaran. Piston mulai bergerak menuju TMB mengakibatkan adanya dorongan hasil ledakan proses pembakaran. Dalam kondisi ini katup buang dan katup hisap tertutup, hingga pada saat proses mulai berakhir katup buang mulai terbuka.

4. Langkah Buang

Ketika piston atau torak akan sampai di TMB, katup buang terbuka mengakibatkan gas sisa pembakaran terbuang dan kemudian torak bergerak lagi dari TMA ke TMB mendorong gas sisa pembakaran keluar sehingga menjadi bersih dari gas sisa hasil pembakaran.

Gambar 2.7 ( Maritime world, 2013)

        Nah itu dia tadi beberapa contoh dari aplikasi mesin Carnot dalam kehidupan sehari-hari, masih banyak lagi contoh dari aplikasi mesin Carnot loh misalnya pendingin ruangan (ac), mesin uap, mesin jet, dan lain sebagainya. Ternyata aplikasi mesin Carnot ada banyak ya readers! Semoga apa yang aku sampaikan hari ini bisa menjadi ilmu baru bagi kalian ya, jangan lupa terus semangat dan perluas wawasan kalian, terimakasih sudah membaca dan sampai jumpa dilain kesempatan ✋.

"The more I learn

The more I realize

how much I don't know"

-Albert Einstein-