2. PENDAHULUAN
• Dua area penting dalam aplikasi Termodinamika adalah:
– Pembangkitan daya
– Refrigerasi
• Keduanya biasanya diikuti dengan sistem yang beroperasi pada
siklus termodinamika, yaitu:
– Siklus daya
– Siklus refrigerasi
• Alat yang digunakan untuk menghasilkan output daya sering
disebut dengan istilah mesin (engine) dan siklusnya adalah siklus
daya
• Siklus termodinamika juga bisa dikategorikan ke dalam siklus gas
dan siklus uap, tergantung pada fase dari fluida kerjanya. Pada
siklus gas, fluida kerja tetap dalam fase gas selama seluruh siklus,
sedangkan pada siklus uap, fluida kerjanya ada pada fase uap di
satu bagian dan pada fase cair di bagian yang lain.
3. • Siklus termodinamika juga bisa dikategorikan ke
dalam siklus tertutup dan siklus terbuka.
• Dalam siklus tertutup, fluida kerja dikembalikan
ke keadaan awal di akhir siklus dan disirkulasikan.
• Dalam siklus terbuka, fluida kerja tidak
disirkulasikan (misalnya pada mesin kendaraan).
Mesin itu beroperasi menurut siklus mekanis,
tetapi fluida kerjanya tidak menjalani siklus yang
lengkap.
• Mesin kalor, berdasarkan cara kalor diberikan
pada fluida kerja:
– Pembakaran dalam
– Pembakaran luar
5. Pertimbangan Dasar Dalam Analisis
Siklus Daya (lanj.)
• Idealisasi dan penyederhanaan dalam analisis
siklus daya:
– Dalam siklus gesekan diabaikan. Sehingga fluida
kerja tidak mengalami penurunan tekanan.
– Semua proses ekspansi dan kompresi berlangsung
secara quasi-equilibrium.
– Tidak ada perpindahan kalor melalui pipa yang
menghubungkan berbagai komponen.
– Tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial
pada fluida kerja.
9. Contoh soal
• Tunjukkan bahwa efisiensi termal siklus Carnot yang bekerja antara batas
temperatur atas TH dan temperatur bawah TL hanya merupakan fungsi dari
kedua temperatur itu.
• Kalor dipindahkan ke sistim selama proses 1-2 dan dibuang dari sistim
selama proses 3-4, sehingga jumlah kalor masuk dan keluar untuk siklus di
atas adalah:
qin TH (s2 s1 ) ; qout TL (s2 s1 )
• Karena proses 2-3 dan 4-1 isentropis, maka
wnet
qout
TL ( s2 s1 )
TL
th
1
1
1
qin
qin
TH ( s2 s1 )
TH
9
10. Asumsi Udara-standar
• Karena kompleksnya siklus daya gas aktual, maka perlu ada pendekatan
berupa asumsi udara-standar:
1.
2.
3.
4.
Fluida kerjanya dianggap sepenuhnya udara, yang bersirkulasi dalam siklus
tertutup dan dianggap sebagai gas ideal.
Semua proses yang membentuk siklus dianggap reversibel secara internal.
Proses pembakaran dianggap sebagai proses penambahan kalor dari
sumber luar.
Proses pembuangan dianggap sebagai proses pelepasan kalor yang
mengembalikan fluida kerja ke keadaan awal.
• Asumsi lain:
1.
Udara mempunyai kalor spesifik konstan yang nilainya ditentukan pada
temperatur ruang (25oC, atau 77oF). Jika asumsi ini digunakan disebut
asumsi udara-standar-dingin.
• Siklus yang yang menerapkan asumsi udara-standar ini disebut sebagai
siklus udara-standar.
11. Tinjauan Terhadap Mesin Bolak-Balik
• Beberapa istilah yang perlu diketahui oleh mahasiswa
mengenai mesin bolak-balik (menggunakan piston dan
silinder) antara lain:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Titik mati atas dan titik mati bawah
Langkah dan volume langkah
Diameter piston yang disebut dangan bor.
Katup hisap dan katup buang
Volume sisa (clearance volume)
Rasio kompresi, r.
Tekanan efektif rata-rata (mean effective pressure), MEP.
12. Siklus Otto
• Siklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian
percikan bunga api
• Hal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai
siklus Otto:
1. Proses-proses yang membentuk siklus Otto
2. Mesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai
alat yang menerapkan siklus Otto.
3. Diagram P-ν aktual/nyata untuk mesin empat-langkah
4. Efisiensi termal siklus Otto.
5. Pembakaran-sendiri (auto-ignition) dan ketukan mesin
(engine knock), penyebab terjadinya dan cara
mengatasinya
18. • Hubungan hukum I untuk setiap proses:
qin qout win wout u
qin u3 u2 Cv T3 T2
qout u4 u1 Cv T4 T 1
• Efisiensi termalnya menjadi:
th,Otto
wnet
T4 T1
T1 T4 T1 1
1
1
qin
T3 T2
T2 T3 T2 1
19. • Proses 1-2 dan 3-4 isentropis, dan v2=v3; v4=v1,
maka
k 1
k 1
T1 v2
T2 v1
v3
v
4
T4
T3
• Maka efisiensi termalnya menjadi:
th,Otto 1
Vmax
r
Vmin
1
k 1
r
V1 v1
V2 v2
20.
21. • Autoignition: terjadi pembakaran sebelum busi
memercikkan api menghasilkan engine knock.
• Rasio kompresi bisa ditingkatkan sampai 12
dengan menggunakan bahan bakar yang
dicampur dengan timah tetraethil. Bahan
berfungsi untuk meningkatkan angka oktan.
• Angka oktan adalah ukuran ketahanan terhadap
terjadinya engine knock.
• Dalam prakteknya efisiensi termal untuk siklus
Otto berkisar antara 25% sampai 30%.
22. Contoh Soal
• Siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi 8. di
awal proses kompresi, udara ada pada 100 kPa
dan 17 oC, dan selama proses penambahan kalor
pada volume konstan kalor yang ditransfer
sebesar 800 kJ/kg,tentukan
– temperatur dan tekanan maksimum yang terjadi
selama siklus
– kerja output netto
– efisiensi termal
– tekanan efektif rata2
23. Jawaban
a) Temperatur dan tekanan tertinggi terjadi di
keadaan 3
– Dari tabel A-17 (Cengel) diperoleh:
• Pada T1 = 290 K: u1 = 206,91 kJ/kg, vr1 = 676,1
– Untuk proses kompresi 1-2:
vr 2 v2 1
676,1
vr 2
84,51
vr1 v1 r
8
T2 652,4 K ; u2 475,11 kJ / kg
24. Jawaban
– Untuk proses 2-3 (penambahan kalor pada
volume konstan):
qin u3 u2 u3 qin u2 1275,11kJ / kg
• Dari tabel A-17 diketahui, untuk u = 1275,11 kJ/kg maka
T = 1575,1 K dan vr3 = 6,108.
T3 v2
P3v3 P2v2
P3 P2 4,347 MPa
T v
T3
T2
2 3
25. Jawaban
b) Proses 3-4 (ekspansi isentropis gas ideal):
vr 4 v4
r vr 4 (8)(6,108) 48,864
vr 3 v3
T4 795,6 K ; u4 588,74 kJ / kg
qout u1 u4 qout 381,83 kJ / kg
wnet 418,17 kJ / kg
c) Efisiensi termal:
wnet 418,17
th
52,3%
qin
800
th,Otto 1
1
r
k 1
56,5%
26. d. Tekanan efektif rata2 (MEP)
RT1 0,287kPa.m3 / kg.K .290 K
v1
P
100kPa
1
0,832m3 / kg
wnet
wnet
418,17
MEP
574,4kPa
v v1 v 2 0,832 0,104
27.
28. Siklus Diesel
• Siklus ideal untuk mesin dengan sistem pengapian
kompresi
• Hal-hal yang perlu diketahui oleh mahasiswa mengenai
siklus Diesel:
1. Proses-proses yang membentuk siklus Diesel
2. Mesin-mesin empat-langkah dan dua-langkah sebagai
alat yang menerapkan siklus Diesel.
3. Diagram P-ν aktual/nyata untuk mesin empat-langkah
4. Efisiensi termal siklus Diesel.
5. Kombinasi siklus Otto dan Diesel yang dikenal dengan
siklus Dual
29. Siklus Diesel
• Siklus diesel adalah siklus ideal untuk mesin pengapiankompresi (CI engine)
• Mesin ini berbeda dengan mesin pengapian-busi (SI engine)
dari cara memulai pembakaran.
• Pada mesin SI campuran udara-bahan bakar dikompresi
sampai temperatur di bawah temperatur pembakaran-sendiri
bahan bakar itu, dan proses pembakaran dimulai oleh
pengapian oleh busi.
• Pada mesin CI dikompresi sampai temperaturnya berada di
atas temperatur pembakaran-sendiri bahan bakar,
pembakaran dimulai ketika bahan bakar diinjeksi ke
dalamnya.
29
30. Siklus Diesel
• Karena udara yang dikompresi sampai di atas temperatur
pembakaran-sendiri bahan bakar, maka rasio kompresinya
lebih tinggi dari pada mesin SI, antara 12 dan 24.
• Proses injeksi bahan bakar dimulai ketika piston mendekati
titik mati atas dan berlanjut hingga awal langkah kerja.
• Proses pembakaran dalam mesin ini berlangsung lebih lama
dari pada mesin SI, sehingga proses pembakaran yang ideal
didekati dengan proses penambahan kalor pada tekanan
konstan.
30
31. Mesin CI 4-langkah
1.
Langkah Hisap
Piston bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB), katup
hisap terbuka dan katup buang tertutup, sehingga udara terhisap ke dalam
ruang bakar.
2.
Langkah Kompresi
Piston bergerak dari TMB ke TMA, katup hisap dan katup buang tertutup, udara
dikompresi sampai temperatur di atas temperatur pembakaran-sendiri
3.
Langkah Kerja (Pembakaran)
Ketika piston mendekati TMA bahan bakar diinjeksi ke ruang bakar dan
pembakaran terjadi secara spontan. Kedua katup tertutup, piston bergerak dari
TMA ke TMB.
4.
Langkah Buang
Katup buang terbuka dan katup hisap tertutup, piston bergerak dari TMB ke
TMA.
31
33. Siklus Diesel
• Perbedaannya dari siklus Otto adalah pada proses
penambahan kalor, pada siklus Otto penambahan
kalor terjadi pada volume konstan, pada siklus Diesel
terjadi pada tekanan konstan
• Siklus Diesel terdiri dari 4 proses, yaitu:
–
–
–
–
Kompresi isentropis
Penambahan kalor pada tekanan konstan
Ekspansi isentropis
Pembuangan kalor pada volume konstan
33
