Carnot engine analysis in exergy and energy analysis

1. Qh = 10 J
Qc = 6 J

2. Analisis Distribusi Energi, Entropi, dan Exergi dalam Sistem Pemanas Air
Qin
S=Qloss
Wav
energi
(energi)
(entropi) (exergi)
(indicator??)

3. 1. Analisis Energi, H  HK 1 TD
Energi dalam sistem pemanas air terutama terdiri dari energi termal yang
diberikan ke air.
Distribusi Energi
Sebagian besar energi yang diberikan oleh pemanas digunakan untuk
meningkatkan suhu air.
Sebagian kecil dapat hilang ke lingkungan karena konduksi dan konveksi
melalui dinding wadah 
Q = energi panas yang diberikan, J
m = laju aliran massa air (kg/s)
Cp = kapasitas panas spesifik air (4.18 kJ/kg.K)
Tout = suhu keluar air (°C)
Tin = suhu masuk air (°C)

4. 2. Analisis Entropi, S  HK 2 TD
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan dalam sistem. Perubahan entropi air dalam
pemanas dapat dihitung dengan:
Distribusi Entropi
Entropi bertambah karena proses pemanasan adalah ireversibel.
Jika ada kehilangan panas ke lingkungan, maka entropi lingkungan juga
meningkat.
Ketidaksempurnaan dalam perpindahan panas dan gesekan fluida juga
menyumbang peningkatan entropi.
S = perubahan entropi (J/K)
Tout = suhu keluar air (°C)
Tin = suhu masuk air (°C)

5. 3. Analisis Exergi, Wav
Exergi adalah bagian dari energi yang dapat dikonversi menjadi kerja. Exergi untuk
air dalam sistem pemanas dihitung sebagai:
Distribusi Exergi
Exergi maksimum terjadi saat Tout​jauh lebih tinggi dari Tamb​
.
Sebagian besar exergi hilang dalam bentuk panas ke lingkungan akibat proses
ireversibel.
Semakin tinggi perbedaan suhu antara air panas dan lingkungan, semakin besar
kehilangan exergi.
Wav = available work atau exergi yang tersedia (J)
Tamb = Tin = suhu lingkungan (°C)

6. Kesimpulan
Energi sebagian besar digunakan untuk menaikkan suhu air, tetapi ada juga
yang hilang ke lingkungan.
Entropi meningkat karena proses pemanasan bersifat ireversibel,
meningkatkan ketidakteraturan dalam sistem.
Exergi tidak seluruhnya digunakan secara efektif karena adanya kehilangan
panas dan ketidaksempurnaan proses.

7. Contoh soal

8.  Fan
Kipas angin merupakan perangkat mekanik yang digunakan untuk meningkatkan
sirkulasi udara dengan cara mengonversi energi listrik menjadi energi kinetik.
(energi)
Qloss
(entropi)
Pinput
Wav
(exergi)
(indicator??)
 Win  Daya dalam kipas angin berasal dari energi listrik yang dikonversi menjadi
energi mekanik pada motor, yang kemudian menghasilkan aliran udara.
Pin = daya listrik yang masuk (W)
Pmotor = daya mekanik motor (W)
Ploss = kehilangan daya (W)

9. Distribusi Energi:
Sebagian besar energi listrik dikonversi menjadi energi kinetik udara yang
bergerak.
Sebagian hilang sebagai panas akibat gesekan internal, hambatan aerodinamis, dan
resistansi motor.
Efisiensi kipas dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan desain baling-baling
dan sistem motor.
 Entropi  Dalam kipas angin, perubahan entropi terjadi karena adanya gesekan
fluida dan disipasi energi dalam motor listrik. Entropi bertambah karena ada
proses ireversibilitas dalam sistem.
Distribusi Entropi:
Entropi bertambah akibat gesekan udara dengan baling-baling kipas.
Kehilangan panas dalam motor listrik juga menyebabkan peningkatan entropi.
Semakin tinggi efisiensi aerodinamis kipas, semakin kecil peningkatan entropi.

10.  Wav  adalah bagian energi yang dapat dikonversi menjadi kerja yang
berguna. Dalam kipas angin, exergi dari daya listrik dikonversi
menjadi exergi kinetik udara. Namun, sebagian besar exergi hilang
akibat proses ireversibel.
Contoh soal

11. Kesimpulan:
Dari daya listrik sebesar 110W, sekitar 93.5W digunakan oleh motor.
Udara yang dikeluarkan hanya mengandung 6.25W energi kinetik.
Terdapat 16.5W kehilangan daya akibat gesekan, panas, dan resistansi
aerodinamis.
Efisiensi kipas angin hanya sekitar 5.68%, menunjukkan bahwa sebagian besar
energi listrik tidak langsung dikonversi menjadi energi udara yang bermanfaat.

12. Air conditioning
 AC bekerja berdasarkan siklus refrigerasi, yang memanfaatkan perubahan
tekanan dan suhu untuk menyerap panas dari dalam ruangan dan
melepaskannya ke luar.
 Proses ini melibatkan empat komponen utama: kompresor, kondensor, katup
ekspansi, dan evaporator.

13. Berfungsi untuk menekan gas
refrigeran sehingga suhunya
meningkat. Refrigeran yang
bertekanan tinggi ini
kemudian mengalir ke
kondensor.
Berfungsi untuk mendinginkan
refrigeran yang panas dengan cara
melepas panas ke lingkungan luar.
Refrigeran berubah dari gas bertekanan
tinggi menjadi cair bertekanan tinggi
setelah melewati kondensor.
Berfungsi untuk menurunkan
tekanan refrigeran secara tiba-
tiba. Saat tekanan turun, suhu
refrigeran juga turun secara
drastis, sehingga siap
menyerap panas di evaporator.
Berfungsi untuk menyerap panas
dari udara dalam ruangan.
Refrigeran menyerap panas ini
dan mengubah dirinya kembali
menjadi gas. Udara dingin yang
dihasilkan ditiupkan ke dalam
ruangan menggunakan kipas.

14.  Distribusi energi pada AC
Sistem AC bekerja berdasarkan siklus refrigerasi  energi listrik dikonversi
menjadi energi termal dan mekanik dalam berbagai tahap siklus.
energi balance di AC:
Qevap: Energi yang diserap dari ruangan oleh evaporator (pendinginan), kJ
Wcond: Energi listrik yang digunakan oleh kompresor (kerja kompresor), kJ
Qcond: Energi yang dibuang ke lingkungan oleh kondensor (panas buangan), kJ

15.  Evaporator (Pendinginan Udara Ruangan)
Menyerap panas dari dalam ruangan, sehingga udara dalam ruangan
menjadi lebih dingin  Refrigeran menguap saat menyerap panas,
mengubah dirinya dari cairan bertekanan rendah menjadi gas bertekanan
rendah.
Distribusi Energi pada Komponen AC

16.  Kompresor (Meningkatkan Tekanan Refrigeran)
Menggunakan daya listrik untuk mengompresi refrigeran gas bertekanan
rendah menjadi gas bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi  ini adalah
komponen utama yang mengonsumsi energi listrik.

17.  Kondensor (Pembuangan Panas ke Lingkungan)
Melepas panas ke lingkungan luar dengan mendinginkan refrigeran
sehingga berubah kembali menjadi cairan  Panas yang dilepaskan ke luar
ruangan adalah kombinasi dari panas yang diserap dari ruangan dan kerja
kompresor.

18.  Katup Ekspansi (Menurunkan Tekanan Refrigeran)
Menurunkan tekanan dan suhu refrigeran sebelum masuk kembali ke
evaporator  Tidak mengonsumsi energi, tetapi menyebabkan penurunan
ekses energi.

19. Performa atau efisiensi sistem AC biasanya dinyatakan dengan Coefficient of
Performance (COP).
 Semakin tinggi COP, semakin efisien AC dalam menghasilkan pendinginan untuk
setiap unit daya listrik yang digunakan.
 AC inverter memiliki COP yang lebih tinggi dibandingkan AC konvensional
karena dapat menyesuaikan daya sesuai kebutuhan.

20. Contoh soal
• Daya listrik kompresor, Wcomp = 1.2 kW
• kapasitas AC, Qevap = 3.5 kW
Hitung COP dari AC
• Energi yang dibuang ke lingkungan oleh kondensor:
Qcond = 3.5 + 1.2 = 3.7 kW
• AC ini memiliki COP = 2.92, yang berarti untuk setiap 1 kW listrik yang
digunakan, AC mampu mendinginkan sebesar 2.92 kW.
• Sebanyak 4.7 kW energi dilepaskan ke lingkungan melalui kondensor.