PENERAPAN MESIN CARNOT

Hello readers! Kembali lagi nih kita membahas seputar Fisika jenjang SMA. Sebelumnya, kita sudah pernah membahas tentang termodinamika kelas XI. Nah, sekarang apa yah yang akan kita bahas kira-kira? Yup! Sesuai sama judulnya nih, kita akan membahas seputar mesin carnot dan terutama mengenai aplikasinya atau penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. 

MESIN CARNOT

Readers ada yang udah tahu belum mengenai mesin carnot itu apa? Kalau berbicara mengenai mesin carnot ini, maka akan ada hubungannya dengan mesin uap atau mesin kalor loh readers! Jadi, mesin carnot merupakan suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang bolak-balik atau disebut dengan reversibel dan siklus ini disebut siklus Carnot. 

SIAPA SIH PENCETUS MESIN CARNOT?  

Readers tahu gak nih pencipta dari model dasar mesin ini siapa? Sama seperti nama mesinnya, mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, yang adalah seorang insinyur Prancis pada tahun 1824. Beliau diketahui adalah orang pertama yang mengenal hubungan mengenai usaha dan kalor loh (wah hebat banget yah). Carnot ini lah yang merumuskan ide-ide dasar dari termodinamika. Dalam pandangan ilmu pengetahuan yang modern, visi alamiah dari Carnot ini sebenarnya sangat sederhana, tetapi pengertiannya dan penjabarannya mengenai kalor sebagai suatu pembangkit daya secara esensial adalah tepat loh. Untuk siklus carnot tersendiri nih readers, sudah dibahas loh sebelumnya di postingan mengenai termodinamika (jangan lupa di baca ya). 

PENERAPAN NYATA DARI MESIN CARNOT APA YA? 

Well, seperti yang udah tadi kita bahas di awal-awal nih, aplikasi mesin carnot dalam kehidupan sehari-hari gak jauh-jauh dari yang berhubungan sama mesin. Nah untuk kali ini, blog ini akan membahas contoh penerapan mesin carnot, yang mencakup mesin diesel, mesin uap, dan pompa kalor. Yuk langsung aja kita bahas! 

1. MESIN DIESEL 

Mesin diesel merupakan mesin pembakar dalam loh readers, mesin diesel juga menggunakan suatu panas kompresi untuk memicu penyalaan dan membakar bahan bakar yang sudah diinjeksikan atau masuk ke dalam ruang bakar. Readers tahu gak nih uniknya mesin ini, dia gak pakai busi loh, jadi mesin diesel tidak seperti mesin bensin atau mesin gas yang pakai busi. Readers tahu gak busi itu apa? Suku cadang yang kerap dipasang pada mesin pembakar dalam dengan ujung elektrode pada ruang bakar dan dipasang guna membakar bensin yang telah dikompres oleh piston dinamakan busi. 

 

FYI, mesin diesel ini diciptakan oleh Rudolf Diesel tahun 1892 loh readers. Beliau menerima hak paten atas ciptaannya pada 23 Februari 1893. Usut punya usut nih, ternyata tujuan awalnya beliau ingin sebuah mesin yang bisa digunakan dengan berbagai macam bahan bakar bahkan termasuk batu bara. Nah, akhirnya Rudolf ini membuatnya dengan mempertunjukannya pada Exposition Universelle (sebuah pameran dunia) pada tahun 1900. Lalu, mesin ini disempurnakan oleh Charles F. Kettering. Kurang lebih begitu readers asal mula cerita dibuatnya mesin diesel ini. 

 

Ngomongin tentang mesin diesel nih, ternyata mesin diesel memiliki efisiensi termal yang terbaik loh dibandingkan dengan mesin pembakar dalam atau luar lainnya, soalnya rasio kompresi dari mesin diesel sangat tinggi, readers. FYI, mesin diesel dengan kecepatan yang rendah (misalnya mesin kapal) mempunyai efisiensi termal lebih dari 50% loh! Awalnya mesin ini digunakan sebagai pengganti mesin uap, tapi tahun 1910-an, mesin ini mulai digunakan untuk kapal-kapal, termasuk kapal selam. Terus berkembang ke lokomotif, truk, pembangkit listrik, dan peralatan berat lainnya. Tahun 1930-an, mesin ini mulai digunakan pada mobil. Mesin ini tidak berhenti berkembang begitu saja, melainkan terus meningkat sampai sekarang dan sudah banyak mobil keluaran Uni Eropa yang menggunakan mesin diesel ini, bahkan di Prancis sudah 70% mobil keluarannya bermesin diesel loh, readers! Mungkin diantara readers yang pengguna mobil Eropa juga menggunakan mesin diesel ini. 

 

CARA KERJA MESIN DIESEL 

Proses dari siklus tersebut adalah :

• 0-1 = langkah hisap udara, pada tekanan konstan (isobarik) 
• 1-2 = langkah kompresi, pada keadaan adiabatik 
• 2-3 = langkah pemasukan kalor atau pembakaran, pada tekanan konstan (isobarik)
• 3-4 = langkah ekspansi, pada keadaan adiabatik 
• 4-1 = langkah pengeluaran kalor sisa, pada volume konstan (isokhorik) 
• 1-0 = langkah buang, pada tekanan konstan (isobarik)

Untuk membahas lebih dalam seputar cara kerja mesin diesel, ada empat langkah yang dilalui oleh mesin diesel ini readers. Pastinya masing-masing langkah saling berkesinambungan loh, jadi performa yang dihadirkan bisa maksimal. Yuk langsung bahas aja : 

1. Langkah Hisap

Saat langkah ini terjadi, ada udara yang masuk ke dalam ruang bakar melalui bagian katup dan udara mengalir ke dalam silinder. Hal ini karena adanya piston atau torak yang bergerak dari arah TMA ke TMB. Saat ini, kondisi katup buang masih tertutup.

2. Langkah Kompresi

Berlanjut ke langkah kompresi, saat langkah ini kedua katup menutup dikarenakan piston bergerak dari TMB ke bagian TMA. Saat mencapai TMA, bahan bakar diinjeksikan. Dengan begitu, maka akan mengakibatkan tekanan serta suhu menjadi naik.

3. Langkah Kerja

Proses pembakaran terjadi saat proses ini. Proses ini membuat piston mulai bergerak mendorong dan bekerja untuk menggerakan mesin mobil. Selain itu, proses juga terus berjalan saat piston bergerak dari TMA ke TMB.

4. Langkah Buang

Langkah ini adalah yang terakhir dalam cara kerja mesin diesel. Hasil pembakaran yang sudah muncul akan dibuang melalui katup pembuangan. Kondisi piston tetap bergerak dari TMA ke TMB. Ketika piston hampir mencapai TMB, katub buang terbuka, katub masuk tetap tertutup. Akhir langkah ini adalah ketika piston mencapai TMA. Siklus kemudian berulang lagi. 

KEUNTUNGAN MESIN DIESEL 

Mesin diesel memiliki beberapa keuntungan dibandingkan mesin pembakaran lain loh readers! Mau tahu apa aja? Yuk bahas :

• Mesin diesel membakar lebih sedikit bahan bakar daripada mesin bensin untuk menghasilkan kerja yang sama karena suhu pembakaran dan rasio kompresi yang lebih tinggi. Tingkat efisiensi mesin bensin umumnya 30%, sedangkan mesin diesel bisa mencapai 45%.
• Saat penyalaan, tidak ada tegangan listrik tinggi. Jadi lebih tahan lama dan mudah digunakan pada lingkungan yang keras. 
• Daya tahan mesin diesel umumnya 2 kali lebih lama daripada mesin bensin karena suku cadang yang digunakan telah diperkuat. 
• Bahan bakar diesel dapat dihasilkan langsung dari minyak bumi loh readers. 
• Mesin diesel menghasilkan panas yang terbuang lebih sedikit. 
• Mesin diesel dapat menerima tekanan dari supercharger atau turbocharger tanpa batasan (tergantung dari kekuatan komponen mesinnya). Tidak seperti mesin bensin yang dapat menimbulkan ketukan pada tekanan tinggi.
• Kandungan karbon monoksida pada gas buangnya sedikit, oleh karena itu mesin diesel digunakan pada tambang bawah tanah. 

APLIKASI MESIN DIESEL

 

Sudah gak asing dong ya kalau mesin diesel digunakan oleh banyak kendaraan bermotor, terutamanya mobil. Bukan hanya itu readers, karena tenaganya yang besar, mesin diesel banyak digunakan oleh truk juga loh. Karena banyak digunakan oleh truk dan mesin

diesel ini kerap mengeluarkan bunyi yang lebih kasar dari mesin bensin, mesin diesel sering dianggap memiliki image yang kurang baik di mata orang banyak. Namun seiringnya dengan perkembangan teknologi, suara mesin diesel sudah bisa dihaluskan dan hampir setara dengan halusnya mesin bensin. Bahkan mesin diesel sudah memiliki 2 bakat alami yang tidak dimiliki oleh mesin busi, yaitu torsi yang besar dan kehematan bahan bakar loh readers (ga heran kan truk suka dianggap lebih irit) . Hal ini membuat produsen mobil mulai mengeksploitasi potensi mesin diesel. 

(contoh kendaraan yang menggunakan mesin diesel)

2. MESIN UAP 

(sumber : https://www.wikipedia.org) 

Nah readers, aplikasi penerapan dari mesin carnot lainnya mesin uap. Kalau ngomongin  tentang mesin uap sekarang ini, kayaknya sudah ketinggalan zaman ya readers. Sejarah mesin uap yang mulai berkembang sejak awal abad 17 dan sampai zaman keemasannya pada awal abad ke-19, yang saat itu prime mover untuk industri maupun transportasi (kapal laut dan kereta api) menggandalkan mesin uap. Tapi readers, walaupun era mesin uap telah sirna, tapi turbin uap masih banyak dipakai loh karena hampir 80% pembangkit tenaga listrik didunia ini menggunakan turbin uap. Jadi masih ada sedikit kaitannya untuk mengetahui mesin uap. 

Mesin uap adalah mesin pembakaran luar, sama halnya dengan mesin diesel dimana fluida kerja dipisahkan dari hasil pembakaran. Siklus termodinamuka ideal yang digunakan untuk menganalisis proses ini disebut siklus Rankine. Dalam penggunaan umum, istila mesin uap dapat merujuk pada pembangkit uap lengkap (termasuk ketel uap dan lainnya) seperti lokomotif uap kereta api dan mesin portabel, atau dapat merujuk pada mesin piston atau turbin saja, seperti pada mesin balok dan mesin uap stasioner.  Mesin uap merupakan mesin yang masuk dalam kategori pesawat kalor, yaitu mesin yang mengubah tenaga termis dari bahan bakar menjadi tenaga mekanis melalui proses pembakaran. 

SISTEM KERJA MESIN UAP 

1. Air akan dipanaskan pada tekanan yang tinggi dan menyebabkan air tersebut mendidih pada suhu yang tinggi pula. Semakin tinggi suhu uap, maka akan semakin besar pula tekanan uap. Uap ini akan bergerak melewati katup masukan dan menyebabkan piston terdorong meluncur ke kanan.  
2. Saat tersebut, sebagian uap atau kalor berubah menjadi energi kinetik. Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar. Setelah setengah putaran, roda menekan piston untuk kembali ke posisinya semula. 
3. Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, dan katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun. Yang selanjutnya, air di dalam kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan kembali. Lalu proses berulang sedemikian rupa. 
4. Proses yang terjadi secara berulang membuat piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Karena pergerakan ini, maka roda pun berputar secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakan sesuatu. 

APLIKASI MESIN UAP 

Kalau berbicara mengenai aplikasi dari mesin uap ini, pasti akan membawa readers bernostalgia deh! Pasalnya, aplikasi atau penerapan dari mesin uap salah satunya adalah lokomotif dan transportasi yang jadul. Apa saja sih? Penasaran kan.. Yuk langsung cek aja yang di bawah : 

 

1. Kereta Uap 

Nah, ngomongin kereta uap nih, membuat kita mengingat masa lalu banget gak sih? Ya kan. Dari namanya aja udah keliatan ya readers, kereta uap merupakan salah satu alat transportasi lama yang menggunakan mesin uap sebagai mesin pembangkitnya untuk beroperasi. Walau udah lama dan jarang banget ditemukan sekarang, kereta uap menjadi salah satu lokomotif yang unik loh readers. Bahkan, di beberapa tempat kunjungan wisata, kereta uap menjadi salah satu ikon yang digunakan sebagai tujuan tempat wisata, misalnya di Jawa Tengah, Indonesia. Sensasi menaiki kereta uap ini membuat readers bernostalgia ala-ala tahun 1900an. Hal ini lah yang membuat kereta uap menjadi salah satu lokomotif yang unik dan diminati banyak pengunjung sebagai ikon wisata. 

 

2. Kapal Uap 

Sama halnya dengan kereta uap, kapal uap juga menggunakan mesin uap nih readers sebagai mesin pembangkitnya untuk berjalan. Kapal uap juga pastinya membuat readers mengenang akan masa lalu, pasalnya kapal uap ini pertama kali dibuat tahun 1776. Waw! Kebayang gak tuh seberapa jadulnya. Tapi dengan adanya kapal uap ini, kita jadi bisa merasakan kapal-kapal modern yang telah berkembang sekarang ya, readers. 

3. POMPA KALOR 

Nah, ini adalah contoh aplikasi mesin carnot yang ke-3 readers. Ada yang tahu ga pompa kalor itu apa? Pompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari suatu lokasi ke lokasi lain dengan menggunakan sistem kerja yang mekanis. Teknologi pompa kalor ini sebagian besar adalah memindahkan panas dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Bisa dibilang bahwa pompa kalor ini kerja nya terbalik readers dari mesin kalor lainnya. Unik bukan? Biasanya nih, pompa kalor ini mengambil panas dari udara atau permukaan. 

CARA KERJA POMPA KALOR 

Readers masih inget gak nih sama hukum termodinamika kedua? Yap, kalau berdasarkan pada hukum kedua termodinamika nih, panas tidak bisa secara spontan mengalir dari lokasi bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur tinggi kan? Nah, untuk melakukan hal ini, maka dibutuhkan suatu kerja. Kalau pada pompa kalor, kerja tersebut diaplikasikan dalam hal yang berbeda dalam memindahkan panas. Kebalikannya, pompa kalor ini membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih panas. Tapi pada dasarnya, pompa kalor sama halnya dengan mesin kalor hanya saja sistemnya terbalik. 

1. Prinsip kerja dari mesin pompa kalor ini adalah dimulai dari refrigerator yang menuju ke kompresor. Refrigerator meninggalkan kompresor pada temperatur yang tinggi. 
2. Pada saat tersebut, air dikumpulkan dan didinginkan, air mengalami kondensasi di kondensor dan membuang panasnya ke lingkungan. 
3. Refrigerator kemudian memasuki tabung kapiler yang membuat tekanan refrigerator turun drastis. Refrigerator yang bertemperatur rendah ini kemudian memasuki evaporator, dan pada saat tersebut refrigerator menyerap panas dari ruang refrigerasi. 
4. Pemindahan kalor ini disebabkan oleh kompresornya sehingga terasa panas pada evaporator. Kemudian refrigerator kembali memasuki sebuah kompresor dan siklus ini dimulai kembali atau berulang. 

Dalam sistem seperti ini, sangat penting bagi refrigerator untuk mencapai suhu tinggi ketika diberi suatu tekanan, sebab panas akan sulit bertukar dari fluida dingin ke lokasi yang lebih panas secara spontan, hal ini sesuai dengan hukum termodinamika kedua. Oleh karena itu, fluida harus bertekanan rendah jika ingin mengambil kalor dari suatu sistem dan menguap, begitu pula jika ingin membuang kalor dan mengembun, fluida harus bertekanan tinggi. Hal ini sesuai dengan persamaan gas ideal yang menyatakan bahwa temperatur berbanding lurus dengan tekanan. Jika hal ini tercapai, maka efisiensi tertinggi juga akan tercapai.

APLIKASI POMPA KALOR

1. Lemari Es atau Freezer 

Sama halnya dengan pompa kalor, lemari es atau yang brasa kita kenal dengan freezer memiliki sistem kerja yang sama dengan pompa kalor. Lemari es mempunyai sistem kerja yang terbalik dari mesin kalor pada umumnya. 

2. Pendingin ruangan atau AC (Air Conditioner) 

Begitu juga dengan pendingin ruangan, sistem kerja dari pendingin ruangan adalah sama halnya dengan sistem yang bekerja pada pompa kalor. 

PENUTUP

Nah, tidak terasa sekarang kita sudah berada di penghujung blog ini yah readers. Bagaimana readers? Sekarang sudah paham belum nih mengenai aplikasi atau penerapan dari mesin carnot? Mudah bukan untuk dipelajari? Jangan lupa untuk nantikan postingan dari blog ini selanjutnya ya. Semoga kiranya blog ini membawa banyak manfaat dan pengetahuan bagi readers semua yang mengulik tentang fisika. Semangat belajar!