Penerapan Hukum II Termodinamika

15.35 |

PENERAPAN HUKUM II TERMODINAMIKA

2.1. MESIN CARNOT

Menurut hukum II Termodinamika, tak mungkin didapatknan mesin panas yang bekerja antara dua tandon panas dengan efisiensi 100 persen. Carnot menemukan bahwa semua mesin reversibel yang bekerja antara dua tandon panas mempunyai efesiensi yang sama dan bahwa tidak ada mesin yang dapat mempunyai yang lebih besar daripada efesiensi mesin reversibel. Hasil ini dikenal sebagai teorema Carnot yaitu :

“tidak ada mesin yang bekerja di antara dua tandon panas yang tersedia yang dapat lebih efesien daripada mesin reversibel yang bekerja di antara kedua tandon itu”.

Beberapa syarat yang diperlukan agar proses bersifat reversibel:

1. Tidak ada energi mekanik yang dapat hilang karena gesekan, gaya viskos, atau gaya disipatif lain yang menghasilkan panas.

2. Tidak ada konduksi panas karena beda temperatur.

3. Proses harus kuasi-statik agar sistem selalu dalam keadaan setimbang (atau sangat dekat dengan keadaan setimbang).

Tiap proses yang melanggar salah satu kondisi diatas merupakan proses irriversibel. Kebanyakan proses yang terjadi di alam bersifat irriversibel.

Carnot, dalam tahun 1824, adalah orang yang pertama kali memperkenalkan suatu proses siklik kedalam teori termodinamika yang sekarang dikenal sebagai siklus Carnot. Carnot terutama sekali tertarik di dalam meningkatkan mesin uap. Usaha Carnot ini dapat dikatakan sebagai landasan pengetahuan tentang termodinamika.

Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan system yang bersifat apapun. Boleh zat padat, cair atau gas, atau juga saput permikaan (surface film), atau zat paramagnetic. Bahkan system boleh juga mengalami perubahan fase selama siklus tersebut. Dan mesin reversibel yang memakai gas ideal sebagai zat kerjanya , dikenal dengan istilah yaitu siklus Carnot.

Siklus Carnot

Gambar 1.1 siklus Carnot untuk gas ideal.

Siklus dimulai pada keadaan 1 dengan absorsi panas isotermal kuasi-statik dari tandon panas pada temperatur T_h. kerena panas diserap secara isotermal, proses dapat dibalik tanpa melanggar hukum kedua Termodinamika. Usaha dilakukan oleh gas ketika berekspansi ke keadaan 2. Dari keadaan 2 ke keadaan 3, gas berekspansi secara adiabatik, artinya tanpa pertukaran panas. Jika ekspansi ini dilakukan secara kuasi statik, maka proses ini bersifat reversibel. Lebih banyak usaha dikerjakan oleh gas, dan temperatur gas turun menjadi T_c. bagian ketiga siklus ini adalah kompresi isotermal pada temperatur T_c, dari keadaan 3 ke keadaan 4. Selama tahapan siklus ini, usaha dilakukan pada gas, dan panas │Q_c│ dibuang ke tandon dingin pada temperatur T_c. bagian terakhir siklus ini adalah kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan awal 1. Usaha kembali dilakukan selama kompresi ini. Usaha neto yang dilakukan selama siklus ini dinyatakan oleh luasan bayang-bayang dalam gambar.

Dengan cara yang sama, panas yang dibuang ke tandon dingin sama dengan usaha yang dilakukan pada gas sealama kompresi isotermal pada temperatur T_c dari keadaan 3 ke keadaan 4. Usaha ini besarnya sama dengan usaha yang dilakukan oleh gas jika mengembang dari keadaan 4 ke keadaan 1 jadi panas yang dibuang adalah:

Kita dapat menghubungkan volume V₁, V₂, V₃,dan V₄dengan menggunakan persamaan untuk ekspansi adiabatik kuasi-statik:

Dengan menggunakan persamaan ini pada ekspansi dari keadaan 2 ke keadaan 3, kita mendapat

Dengan cara yang sama, untuk kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan 1, kita mendapatkan

Dengan membagi kedua persamaan ini, kita dapatkan

Dengan demikian, V₂/V₁= V₃/V₄. Selanjutnya ln(V₂/V₁)= ln(V₃/V₄), sehingga kita dapat meniadakan suku logaritmik pada persamaan

Persamaan diatas berlaku untuk tiap mesin reversibel yang bekerja di antara tandon dengan temperatur T_h dan T_c. mesin ini menghasilkan efesiensi terbesar yang mungkit untuk mesin yang bekerja di antara temperatur-temperatur ini. Tidak ada mesin yang dapat mempunyai efisiensi carnot, mesin dengan efisiensi yang lebih besar dari mesin ini akan melanggar hukum II Termodinamika.

2.2. MESIN KALOR

Mesin kalor adalah suatu alat yang mempertukarkan kalor dengan lingkungannya dan melakukan usaha berulang-ulang secara terus-menerus dalam suatu rangkaian proses.

Gagasan dasar di balik mesin kalor adalah bahwa energi mekanik bisa didapat dari energi termal hanya ketika kalor dibiarkan mengalir dari temperature tinggi ke temperature yang lebih rendah. dalam proses ini, sebagian kalor dapat diubah menjadi kerja mekanik.

Artinya, masukan kalor Q_h pada temperatur tinggi T_h sebagian diubah menjadi kerja W dan sebagian dibuang sebagai kalor Q_Lpada temperatur yang lebih rendah T_L. dengan kekekalan energi , Q_h = W + Q_L. temperature tinggi T_h dan temperature rendah T_L disebut temperature operasi mesin.

Efisiensi e dari mesin kalor dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja yang dilakukan W terhadap masukan kalor pada temperature tinggi T_h.

Perlu diketahui bahwa kita hanya meninjau mesin kalor yang melakukan kerja secara terus menerus. Agar kerja bisa dilakukan secara terus menerus maka kalor harus mengalir secara terus menerus dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Jika kalor hanya mengalir sekali saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi mekanik yang dihasilkan sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita manfaatkan secara optimal. Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan kerja secara terus menerus. Dengan kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor cukup banyak sehingga bisa kita gunakan untuk menggerakkan sesuatu.

a. Mesin Bensin

Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis.

Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar seproporsional mungkin. Hal ini dsebut EFI

Mesin bensin sering digunakan dalam :

1. Sepeda motor.

2. Mobil.

3. Pesawat.

4. Mesin untuk pemotong rumput

5. Mesin untuk speedboat dan sebagainya.

Tipe-tipe mesin bensin berdasarkan siklus proses pembakaran adalah :

1. Mesin satu tak, setiap langkah piston terjadi proses pembakaran.

2. Mesin dua tak, memerlukan dua langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.

3. Mesin empat tak, memerlukan empat langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.

4. Mesin enam tak, memerlukan enam langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.

5. Mesin wankel (rotary engine/wankel engine). memerlukan satu putaran penuh rotor dalam satu siklus pembakaran.

Tiga syarat utama supaya mesin bensin dapat berkerja :

1. Kompresi ruang bakar yang cukup.

2. Komposisi campuran udara dan bahan bakar yang sesuai.

3. Pengapian yang tepat (besar percikan busi dan waktu penyalaan/timing ignition)

Sistem-sistem dalam mesin bensin mencakup :

1. Sistem bahan bakar (fuel system).

2. Sistem pengapian (ignition system).

3. Sistem pemasukan udara dalam ruang bakar (intake system).

4. Sistem pembuangan udara hasil pembakaran (exhaust system).

5. Sistem katup (valve mechanism)

6. Sistem pelumasan (lubricating system)

7. Sistem pendinginan (cooling system).

8. Sistem penyalaan (starting system).

Siklus Otto

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

Gambar 1.3. piston mesin bensin

Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran dari oli pelumas. Mesin empat tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk sekali pembakaran. Pada motor-motor besar biasa menggunakan mesin empat tak. Akan tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin empat tak. Mesin jenis ini sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya bensin murni.

Gambar di atas merupakan mesin pembakaran dalam empat langkah (empat tak). Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali. Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga.
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat adanya gesekan. Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Dengan Proses yang terjadi adalah :

Gambar 1.4. Siklus Otto

1-2 : Kompresi adiabatis
2-3 : Pembakaran isokhorik
3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis
4-1 : Langkah buang isokhorik
Sesuai hukum 1 termodinamika, kesetaraan panas dan gerak dapat dituliskan sebagai persamaan energi sebagai berikut:

Keterangan:
Q = panas yang keluar atau masuk sistem (joule)
ΔU = perubahan energi dalam (joule)
W= kerja yang diberikan s istem (joule)

Sebuah mesin bekerja menurut sikllus Otto dengan gas sempurna sebagai zat pelakunya (working subtance). Maka dapat ditentukan efisiensi termal mesin ini.

Efisisensi mesin

dan

Dengan memperhatikan jenis proses pada tiap langkah, maka dapat diperoleh persamaan-persamaan berikut.

V₂ = V₃ V₁ = V₄

Gambar 6.6 Siklus Otto

, sehingga

Jadi efisiensi mesin

(A)

Dari Gb. 6-6, dapat disimpulkan bahwa suhu tidak diketahui, sihigga suhu T₁dan lain-lain. Dalam persamaan (A) harus diubah menjadi besarean volume. Dari kedua adibat, diperoleh

(B)

Dari gambar diketahui bahwa

(C)

Dari keempat persamaan dal (B) dan (C) diperoleh

(tetapan), jadi

(D)

Masukan hasil dalam persamaan (D) ini kedalam persamaan (A)

Jika , maka

b. Mesin diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi).

Gambar 1.5. Diagram siklus termodinamika sebuah mesin diesel ideal.

Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (lihat biodiesel). Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering.

Prinsip Kerja

Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reakasi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pada motor diesel ruang bakarnya bisa terdiri dari satu atau lebih tergantung pada penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.

Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi. Berdasarkan cara menganalisa sistim kerjanya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistim airless injection (solid injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistim air injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan siklus otto).

Gambar 1.6. siklus pada mesin diesel

Pada mesin Diesel, dibuat ”ruangan” sedemikian rupa sehigga pada ruang itu akan terjadi peningkata suhu hingga mencapai ”titik nyala” yang sanggup ”membakar” minyak bahan bakar. Pemampatan yang biasanya digunakan hingga mencapai kondisi ”terbakar” itu biasanya 18 hingga 25 kali dari volume ruangan normal. Sementara suhunya bisa naik mencapai 500 oC . Cara kerjanya mudah, minyak

solar

yang sudah dicampur udara (seperti yang keluar dari semprotan obat nyamuk) disemprotkan ke dalam ruangan yang telah ”mampat” dan bersuhu tinggi, sehingga dapat langsung membuat ”kabut solar” tadi meledak dan mendorong ”piston” yang kemudian akan menggerakkan poros-poros roda, singkatnya menjadi TENAGA. Kejadian ini berulang-ulang dan tenaga yang muncul pun dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan mobil, generator listrik, dan sebagainya.

Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection).

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.

Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen : Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin selalu para putaran yang diinginkan. Apabila putaran mesin turun terlalu banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun sehingga peralatan listrik tidak dapat berkerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila putaran mesin terlalu tinggi maka bisa mengakibatkan over voltage yang bisa merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai tujuan ini melalui elektronik kontrol modul (ECM) atau elektronik kontrol unit (ECU) – yang merupakan “komputer” dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.

Keunggulan dan kelemahan mesin diesel dibanding dengan mesin busi-nyala (mesin bensin)

Untuk keluaran tenaga yang sama, ukuran mesin diesel lebih besar daripada mesin bensin karena konstruksi besar diperlukan supaya dapat bertahan dalam tekanan tinggi untuk pembakaran atau penyalaan. Dengan konstruksi yang besar tersebut penggemar modifikasi relatif mudah dan murah untuk meningkatkan tenaga dengan penambahan turbocharger tanpa terlalu memikirkan ketahanan komponen terhadap takanan yang tinggi. Mesin bensin perlu perhitungan yang lebih cermat untuk modifikasi peningkatan tenaga karena pada umumnya komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat untuk modifikasi mesin dengan biaya murah.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin bertujuan meningkatkan jumlah udara yang masuk dalam ruang bakar dengan demikian pada saat kompresi akan menghasilkan tekanan yang tinggi dan pada saat penyalaan atau pembakaran akan menghasilkan tenaga yang besar. Penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin diesel tidak berpengaruh besar terhadap pemakaian bahan bakar karena bahan bakar disuntikan secara langsung ke ruang bakar pada saat ruang bakar dalam keadaan kompresi tertinggi untuk memicu penyalaan agar terjadi proses pembakaran. Sedangkan penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin bensin sangat memengaruhi pemakaian bahan bakar karena udara dan bahan bakar dicampur dengan komposisi yang tepat sebelum masuk ruang bakar, baik untuk mesin bensin dengan sistem karburator maupun sistem injeksi.

2.3. MESIN PENDINGIN

a. Cara Kerja Mesin Pendingin

Pada dasarnya sistem yang digunakan pada AC Ruang, Kulkas, Freezer dan alat pendingin lainya adalah sama, hanya bentuk dan ukurannya yang berbeda disesuaikan dengan kebutuhannya. Pada dasarnya pendinginan yang terjadi pada mesin pendingin adalah hasil dari refrigrasi atau proses perputaran refrigran, tentu saja refrigran tidak akan berputar sendiri oleh karena itu dalam sistem pendingin ada

Gambar 1.7. cara kerja mesin pendingin

beberapa komponen untuk mengalirkan refrigran yaitu:

Kompresor
Merupakan bagian yang paling penting dari mesin pendingin, kompresor menekan bahan pendingin kesemua bagian dri system. Pada system refrigerasi kompresor bekerja membuat perbedaan tekanan pada masing – masing bagian. Karena dengan adanya perbedaan antara sisi tekanan tinggi dan tekanan rendah, maka bahan pendingin cair dapat melalui alat pengatur aliran ke evaporator. Fungsi kompresor sendiri adalah menghisap gas refrigerant dari evaporator yang bertekanan dan bertemperatur rendah kemudian memampatkan gas tersebut menjadi gas yang bertekanan dan bertemperatur yang tinggi.
Kondensor
Kondensor adalah alat untuk membuat kondensasibahan pendingin gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Untuk penempatanya sendiri, kondensor ditempatkan diluar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat membuang panasnya keluar. Kondensor merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai pengembunan. Refrigerant yang yang dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa kondensor, kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigerant yang sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator.
Filter
filter berfungsi untuk menyarin refrigran agar dalam keadaan bersih saat melewati expansi, filter hanya sebagai tambahan sehingga boleh ada atau boleh tidak, letak filer terdapat setelah kondensor.
Expansi
expansi berfungsi untuk menurunkan tekanan refrigran, expansi terletak setelah filter.
Evaporator
Evaporator merupakan jaringan pipa yang berfungsi sebagai penguapan. Zat cair yang berasal dari pipa kondensor masuk ke evaporator lalu berubah wujud menjadi gas dingin karena mengalami penguapan. Selanjutnya udara tersebut mampu menyerap kondisi yang ada dalam ruangan mesin pendingin. Selanjutnya gas yang ada dalam evaporator akan mengalir menuju kompresor karena terkena tenaga hisapan.
Akumulator
akumulator berfungsi sebagai penyaringan gas dari cairan, sehingga refrigran yang masuk ke dalam kompresor dalam keadaan gas (kompresor dirancang untuk memompa gas bukan cairan), akumulator hanya sebagai tambahan boleh ada atau boleh tidak, akumulator terletak setelah evaporator dan sebelum kompresor.

b. Lemari Es (Kulkas)

Adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas.

Gambar 1.8. Lemari Es (Kulkas)

Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya.

Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah T_L (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi T_h (ruangan).

Gambar 1.9. Prinsip kerja kulkas

Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Q_h dikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (Q_L) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali.

Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak aka nada lemari Es yang sempurna.

Koefisien kerja (KK) lemari es didefinisikan sebagai kalor Q_L yang diambil dari area dengan temperatur rendah ( di dalam lemari es) dibagi dengan kerja W yang dilakukan untuk mengeluarkan kalor:

Hal ini masuk akal karena makin banyak kalor Q_L yang didapat dikeluarkan dari dalam lemari es untuk sejumlah kerja tertentu , makin baik (makin efisien ) lemari es tersebut. Energi adalah kekal, sehingga dari hukum pertama kita dapat menuliskan :

W = Q_h - Q_L

Q_L + W = Q_h

kemudian persamaan menjadi :

KK_ideal =

Untuk lemari es ideal (bukan yang sempurna, yang tidak mungkin) yang terbaik yang bisa di dapat adalah :

Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas

Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.

Jenis Aliran Udara Pendingin

Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam :

1. Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atas dekat evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dingin akan mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari es karena berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalir naik ke atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingin dan berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah.

2. Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakai fan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian dari lemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan melalui evaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran atau cerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es.

C. Penyejuk Udara (AC)

Air conditioner atau alat pengkondisi udara membantu manusia memberikan udara sejuk dan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi tubuh. Air conditioner bentuknya lebih kecil dari lemari es, tetapi tenaga motor listrik sebagai penggerak yang diperlukan jauh lebih besar. Proses pendinginan yang harus dilakukan yaitu untuk menyejukkan udara dalam suatu ruangan luas atau kamar, adalah jauh lebih lebih besar dari pada lemari pendingin atau kulkas. Secara umum dapat dibedakan menjadi 2 jenis :

AC Window/Jendela
AC Split

Prinsip kerja AC mirip seperti lemari es, AC beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungan yang hangat. Meskipun mirip namun perincian perancangan sebenarnya berbeda karena penyejuk udara mengambil kalor Q_L dari dalam ruangan atau gedung pada temperature rendah , dan membuang kalor Q_h keluar lingkungan pada temperature yang tinggi.

Kalor secarra alami mengalir darri temperatur tinggi ke temperatur rendah. Penyejuk udara melakukan kerja untuk melakukan yang sebaliknya (membuat kalor mengalir dari dingin ke panas). Kita bisa mengatakan bahwa penyejuk udara “memompa” kalor dari daerah dingin kedaerah yang lebih panas, melawan kecenderungan alami kalor untuk mengalir dari panas ke dingin, sebagaimana air dapat di pompa menaiki bukit, melawan kecenderungan alami untuk mengalir ke bawah bukit.

Gambar 1.10. Prinsip Kerja AC

Prinsip Kerja Ac
Prinsip kerja AC dapat dibagi 3 bagian :

1. Kerja bahan pendingin, Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.

2. Kerja Aliran Udara, kerja aliran udara ada 2 bagian yang terpisah yaitu : bagian muka atau bagian depan dan bagian belakang atau bagian yang panas. Bagian depan bagian dari evaporator merupakan bagian dingin, dimana fan menghembuskan udara meniup evaporator sehingga udara yang keluar dari bagian depan udara dingin. Sedangkan bagian belakang fan meniup kondensor untuk mendinginkan sehingga udara yang keluar udara panas dari kondensor.

3. Kerja Alat-alat Listrik, Alat-alat listrik dari AC adalah bagian-bagian yang paling banyak variasinya dan paling banyak menimbulkan gangguan-gangguan. Pada prinsipnya dapat dibagi dalam 2 bagian : fan motor dan kompresor dengan alat-alat pengaman dan pengaturnya.

Secara garis besar prinsip kerja air conditioner adalah sebagai berikut:

1. Udara di dalam ruangan dihisap oleh kipas sentrifugal yang ada dalam evaporator dan udara bersentuhan dengan pipa coil yang berisi cairan refrigerant. Dalam hal ini refrigerant akan menyerap panas udara sehingga udara menjadi dingin dan refrigerant akan menguap dan dikumpulkan dalam penampung uap.

2. Tekanan uap yang berasal dari evaporator disirkulasikan menuju kondensor, selama proses kompresi berlangsung, temperatur dan tekanan uap refrigerant menjadi naik dan ditekan masuk ke dalam kondensor.

3. Untuk menurunkan tekanan cairan refrigerant yang bertekanan tinggi digunakan katup ekspansi untuk mengatur laju aliran refrigerant yang masuk dalam evaporator.

4. Pada saat udara keluar dari condensor udara menjadi panas. Uap refrigerant memberikan panas kepada udara pendingin dalam condensor menjadi embun pada pipa kapiler. Dalam mengeluarkan panas pada condensor, dibantu oleh kipas propeller.

5. Pada sirkulasi udara dingin terus-menerus dalam ruangan, maka perlu adanya thermostat untuk mengatur suhu dalam ruangan atau sesuai dengan keinginan.

6. Udara dalam ruang menjadi lebih dingin dibanding diluar ruangan sebab udara di dalam ruangan dihisap oleh sentrifugal yang terdapat pada evaporator kemudian terjadi udara bersentuhan dengan pipa/coill evaporator yang didalamnya terdapat gas pendingin (freon). Di sini terjadi perpindahan panas sehingga suhu udara dalam ruangan relatif dingin dari sebelumnya.

7. Suhu di luar ruangan lebih panas dibanding di dalam ruangan, sebab udara yang di dalam ruangan yang dihisap oleh kipas sentrifugal dan bersentuhan dengan evaporator, serta dibantu dengan komponen AC lainnya, kemudian udara dalam ruangan dikeluarkan oleh kipas udara kondensor. Dalam hal ini udara di luar ruangan dapat dihisap oleh kipas sentrifugal dan masuknya udara melalui kisi-kisi yang terdapat pada AC.

8. Gas refrigerant bersuhu tinggi saat akhir kompresi di condensor dengan mudah dicairkan dengan udara pendingin pada sistem air cooled atau uap refrigerant menyerap panas udara pendingin dalam condensor sehingga mengembun dan menjadi cairan di luar pipa evaporator.

9. Karena air atau udara pendingin menyerap panas dari refrigerant, maka air atau udara tersebut menjadi panas pada waktu keluar dari kondensor. Uap refrigerant yang sudah menjadi cair ini, kemudian dialirkan ke dalam pipa evaporator melalui katup ekspansi. Kejadian ini akan berulang secara terus menerus.

Jadi intinya prinsip pendinginan udara pada AC melibatkan siklus refrigerasi, yakni udara didinginkan oleh refrigerant/pendingin (biasanya freon), lalu freon ditekan menggunakan kompresor sampai tekanan dan suhunya naik, kemudian didinginkan oleh udara lingkungan sehingga mencair. Proses tersebut diatas berjalan berulang-ulang sehingga menjadi suatu siklus yang disebut siklus pendinginan pada udara yang berfungsi mengambil kalor dari udara dan membebaskan kalor ini ke tempat lain semisal di luar ruangan.