Rencana Pembelajaran Kegiatan Mingguan (RPKPM).

1

Rencana Pembelajaran Kegiatan Mingguan (RPKPM).

Pertemuan ke

Capaian Pembelajaran

Topik (pokok, subpokok

bahasan, alokasi waktu)

Media Ajar Metode

Evaluasi dan Penilaian

Metode

Ajar Aktivitas

Mahasiswa Aktivitas Dosen/

Nama Pengajar

Sumber Ajar (pustaka)

Teks Presentasi Gambar Audio/Video Soal-tugas Web

4. Mahasiswa dapat menjelaskan siklus motor diesel dan mengerjakan perhitungan teknik

Proses thermodina mika Motor Bakar.

Waktu: 1x pertemuan

@100 menit

Ѵ Ѵ Ѵ - - Ѵ - ^Mahasiswa

Menerima materi dan diskusi di kelas

-Menerima materi sesuai kontrak pembelajaran -Diskusi materi kuliah

-Menyampai kan materi kuliah dan mengaktifka n mahasiswa berdiskusi di kelas

Pengajar:

Harjono

Wiranto A M., 1979, Motor Diesel Putaran Tinggi, Ed. 3, Pradnya Paramita, Jakarta

2 Bab IV. Proses thermodinamika motor bakar

Diskripsi singkat :

Dalam silinder motor bakar terjadi proses dan reaksi kimia berantai yang sangat komplek dan rumit, maka sangat sulit dilaksanakan penganalisaannya. Untuk penganalisaan pendekatan maka perlu dilakukan asumsi yaitu muatan dianggap gas ideal, panas jenis muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses, proses kompresi dan ekspansi dianggap berlangsung secara adiabatic, Massa muatan yang dikerjakan dianggap konstan, pemasukan dan pengeluaran panas berlangsung secara konduksi, tidak terdapat kerugian mekanis.

Siklus Otto juga disebut siklus udara volume konstan untuk motor bakar torak penyalaan api / bensin. Pada proses siklus diesel sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan energy terjadi pada tekanan konstan. Siklus gabungan ( tekanan terbatas ) Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan maupun tekanan konstan. Dengan asumsi persamaan gas ideal dan hokum thermodinamika I, dari siklus otto ataupun siklus diesel dapat dihitung efisiensi thermos mesin dalam keaadan ideal.

a. Manfaat :

Mahasiswa dapat menjelaskan persamaan gas ideal, dan hukum thermodinamika I b. Learning Outcomes :

Mahasiswa dapat menjelaskan siklus otto , siklus diesel dan siklus gabungan.

c. Relevansi :

Mahasiswa dapat menghitung efisiensi motor torak saat menyusun tugas akhir

PENYAJIAN URAIAN:

a. Contoh :

Memberikan contoh siklus thermodinamika pada mesin diesel dan contoh aplikasi mesin yang banyak dipakai.

b. Ilustrasi :

Memberikan penjelasan proses pembakaran pada ruang bakar disertai dengan gambar.

3 c. Aktivitas

Berdiskusi dengan mahasiswa tentang perhitungan teknik pada siklus otto dan siklus diesel.

d. Tugas

Mahasiswa mencari contoh perhitungan siklus diesel dengan internet dengan disertai sumber yang jelas.

e. Rangkuman

Dengan penjelasan dari dosen waktu kuliah dan diskusi serta tugas yang harus dikumpulkan kemudian dapat dibuat rangkuman tentang materi proses thermodinamika motor bakar.

4

BAB IV

PROSES THERMODINAMIKA MOTOR BAKAR

Siklus pada motor bakar dibentuk dari lima rangkaian proses : 1. Pengisian

2. Kompresi

3. Pengapian/pembakaran pemasukan bahan bakar/pemasukan kalor 4. Ekspansi / daya

5. Pembuangan

Dalam silinder motor bakar terjadi proses dan reaksi kimia berantai yang sangat komplek dan rumit, maka sangat sulit dilaksanakan penganalisaannya.

Untuk penganalisaan pendekatan maka perlu dilakukan pengandaian – pengandaian sbb : 1. Muatan dianggap gas ideal

2. Panas jenis muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses

3. Proses kompresi dan ekspansi dianggap berlangsung secara adiabatic, reversible 4. Massa muatan yang dikerjakan dianggap konstan ( siklus tertutup )

5. Pemberian atau pengeluaran panas berlangsung secara konduksi 6. Tidak terdapat kerugian mekanis

GAS IDEAL

Gas ideal adalah gas dimana tenaga ikat molekul – molekulnya dapat diabaikan.

Persamaan gas ideal:

Hukum Boyle Gay Lussac

PV = m RT untuk m satuan massa Pv = RT untuk 1 satuan massa

R =Cp – Cv untuk gas ideal Cp dan Cv konstan  R = konstan PV / T = R= konstan  p₁ v₁ / T₁= p₂ v₂ / T₂

Dari hukum thermodinamika I

dQ = dU + dW perubahan panas = perubahan energi dalam + perub kerja Proses adiabatic : dQ = 0

0 =dU + dW dU =- dW U2 – U1 = W1 – W2

5 Kerja yang timbul hanya sebagai hasil perubahan energy dalamnya pada gas ideal dw =pdv dU + pdv = 0

dU = Cv dT  CvdT + RT / v dv = 0 CV dT + pdv = 0

Pv = R T  p = R T / v

Jadi dT / T = R/Cv . dv/v = 0  + =

Ln T + R / C_V ln v = constan  ln T + ln V^R/Cv = constan TV^R/Cv = constan

R = C_P – C_v R/ C_V = C_P / C_V - 1 CP / CV = σ

R / CV = σ – 1

T V ^{σ – 1} = constan

T₁ V₁^{σ - 1}= T₂ V₂^{σ – 1} T₁/ T₂= ( V₂ / V₁ )^{σ – 1} ( PV / R )^{σ – 1}= constan  pV^σ=constan

Atau P₂ / P₁ = ( V₁ / V₂ )^σ

Dalam motor bakar : V1 : volume silinder mula-mula

V 2 : volume silinder pada akhir kompresi V 1 / V 2 : kompresi ratio = r

Jadi T₁ / T ₂ = ( 1/ r )^{σ – 1} atau T₂ / T₁ =r^{σ - 1} P2 / P1 = r^σ

Hubungan Temperatur dan Tekanan

P1 v1σ = p2 v2σ p 1 / p 2 = ( v 2 / v 1 ) ^σ v2 / v 1 = ( p 1 / p 2 )^{1 /σ} P1 v1 / T1 = p2 v2 /T2 T2 / T1 = P2 / P1 . v2 / v1

T 2 / T 1 = p 2 / p1 ( p 1 / p 2 )^{1 / σ}

= ( p ₂ / p₁ )^{1 – 1 /σ} = ( p ₂ / p ₁ )^{σ – 1/σ}

( T2 / T1 )^σ = ( p 2 / p1 ) atau T1σ / p1σ - ¹ = T2σ /p2σ –

6

4.1 Siklus Otto

Siklus Otto juga disebut siklus udara volume konstan.Untuk motor bakar torak penyalaan api / bensin maka untuk menganalisa siklusnya dapat didekati dengan siklus ini.

Gb. 5.1 Siklus Otto

0 → 1 langkah isap merupakan proses tekanan konstan.

1 → 2 langkah kompresi merupakan proses isentropis.

2 → 3 proses pembakaran volume konstan atau proses pemasukan kalor.

3 → 4 langkah kerja / ekspansi proses isentropis.

4 → 1 proses pembuangan sebagai proses pengeluaran pada volume konstan.

1 → 0 langkah buang V2= VS = Volume sisa VL= Volume langkah torak

V1= V = Volume silinder = V2 + V1

Panas masuk : Q_{2 3} = C_V ( T₃ – T₂ ) kj / kg C_V : Panas jenis pada volume konstan.

T₃ : Temperatur akhir pengisian panas / pembakaran Panas keluar : Q41 = CV ( T4 – T1 )

T4 : temperature akhir ekspansi T₁ : Temperatur udara masuk Panas berguna : Q = Wth

7 Selama proses kompresi dan ekspansi tidak terjadi pertukaran panas oleh karena itu selisih panas masuk dengan panas keluar merupakan usaha yang dihasilkan tiap siklus

Q = Q23 – Q41 = CV ( T3 – T2 ) – CV ( T4 – T1 ) kj / kg

Efisiensi Thermis

Didefinisikan sebagai panas berguna terhadap ( dibagi ) panas yang dimasukan.

=

= 1 - = 1 -

Temperatur temperature tersebut sulit diketahui atau diukur maka dicari persamaan dalam hubungan volume.

Proses 1 -2 berlangsung secara adiabatic - reversible T1 / T 2 = ( V2 / V1 )^{σ – 1}

Proses 3 – 4 berlangsung secara adiabatic T ₄ / T₃ = ( V₃ / V₄ ) ^{σ - 1} = ( V₂ / V ₁ )^{σ -1} Jadi T1 / T2 = T4 / T3 T4 / T 1 = T3 / T2

ηth = 1 – T₁ / T2 = 1 –

= 1 – ( V2 / V1 )^{σ - 1}

η

th

= 1 – ( )

^{σ - 1}

dimana r : perbandingan kompresi atau angka kompresi η th : efisiensi thermis

σ : Cp / Cv

8 Dari persamaan tersebut dapat dibuat tabel sebagai berikut :

r 4 5 6 ……… 12

η^th % 43 48 53 ……… 64 % dst

Nampak dari tabel diatas bahwa semakin besar r ( perbandingan kompresi ) juga semakin besar effisiensi thermisnya, atau untuk menaikan effisiensi motor maka dapat dilakukan dengan menaikan perbandingan kompresinya.

4.2 Siklus Diesel

Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan energy terjadi pada tekanan konstan.

Gambar Siklus Diesel Panas berguna dirubah menjadi daya :

Q = Q23 – Q41 = Cp ( T3 – T 2 ) - Cv ( T4 – T1 ) kj/kg Efisiensi thermis

CP( T3 – T2 ) – CV ( T4 – T1 ) T4 – T1

ηth = --- = 1 - C_P / C_V --- CP( T3 – T2 ) T3 – T2

9 T1( T4 / T1 – 1 )

= 1 – 1/ σ --- T2( T4 / T1 – 1 )

Proses isentropis : T1 / T2 = ( V2 / V1 ) ^σ -1 dan T 4/ T3 = ( V3 / V4 )^{σ – 1} Proses 2 – 3 : tekanan konstan P₂ V₂ / T = P₂ V₃ / T₃ T3 / T₂ = V₃ / V₂ V4 = V1

V3 / V4

Jadi T₄ / T₁ = T₃ / T₂( --- )^{σ – 1} dan V₃ / V₂ ( V₃ / V ₂) = ( V₃ / V₂ ) ^{σ – 1} V₂/ V₁

V / V = λ = Perbandingan volume selama proses pengisian panas 1 λ^σ - 1

ηth = 1 - ---

{

---

}

rσ -1 σ ( λ -1 )

4.3 Siklus Gabungan ( Tekanan Terbatas )

Gambar Siklus tekanan terbatas

Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan ( 2 – 3a ) maupun tekanan konstan ( 3a – 3 )

Efisiensi Thermis =

CV( T3a – T2 ) + Cp ( T3 – T3a ) – Cv ( T4 – T1 ) Efisiensi thermis : ηth = --- C_v( T_3a – T₂ ) + C_p ( T₃ – T_3a )

10 T₄ – T₁

= 1 - --- ……….1) ( T3a – T2) + σ ( T3 – T3a )

V1 P3a

T ₂= T₁( ---)^{σ -1} = T₁ ( r )^{σ -1} , T_3a = T₂ ---= T₂ ( r )^{σ – 1}. α . V2 P2

P_3a

---- = α : Perbandingan tekanan : laju ledakan P2

V3 V3

λ = --- = --- : Perbandingan pemotongan V3a V2

V₃

T3 = T3a T3a --- = T1 ( r ) ^{σ -1} α . λ V3a

V3 V₃ T4 = T3 ( --- )^{σ – 1} = T1 ( r )^{σ – 1} α λ ( --- )^{σ - 1} V4 V4

V3 V3 V3 V3a V3 V2

--- = --- = --- =--- dimana V2 = V3a

V4 V1 V₁ V3a V₂ V₁ V3 λ

Jadi --- = --- V4 r λ

T₄ =T₁ ( r ) ^{σ – 1} α λ ( ----)^{σ – 1} = T₁ α λ^σ r

Substitusi T₂, T_{3a ,}T₃ dan T₄ ke pers. 1) diperoleh

1 α λ^{σ - 1}

ηth = 1 - ---

{

---

}

r^{σ – 1}( α – 1 ) + α σ ( λ – 1 )

Bila α = 1  P3a / P2 = 1  titik 2 dan 3a berimpit  menjadi Siklus Diesel λ = 1  V3 / V2 = 1  titik 3 dan 3a berimpit  menjadi Siklus Otto

11 Contoh

Mesin Diesel putaran tinggi yang bekerja sesuai dengan siklus gabungan, tekanan awal kompresi 1 kgf/cm2 dengan temperature 50⁰ C. perbandingan kompresi 14, penambahan energy pada tahap pertama dapat menaikan tekanan menjadi 2 kali dari tekanan kompresi pada tahap tekanan konstan dapat menaikan volume menjadi 2 kalinya.Hitung temperature pada titik titik mati dan efisiensi termisnya.

Jawab :

T₂ / T₁ = r^{σ – 1}  T2 = T₁ r^{σ – 1} T1 = 50 + 273⁰ = 323 ⁰K

Gb. 5.4 Gambar siklus Diesel

T2 = 323 ( 14 )^{1,4 – 1} = 323 ( 14 )^0,4 = 930 ⁰K P2 / P1= r^σ P2 = 1 . 14^1,4= 40 kgf / cm²

T₃ / T₂ = P₃ / P₂T₃ = 930 x 80/40 = 1860⁰K pada volume konstan T4 / T3 = V4 / V3  T4 = 1860 x 2 = 3720⁰K pada tekanan konstan Pada langkah ekspansi

Perbandingan ekspansi : V5 / V4 = 14 / 2 = 7

Jadi T₅ = T₄ / ( V₅/V₄ )^{λ – 1} = 3720 / 70,4 = 1710 ⁰K

12

Rangkuman Proses Thermodinamika Motor

Dalam silinder motor bakar terjadi proses dan reaksi kimia berantai yang sangat komplekk, dan untuk penganalisaan pendekatan maka perlu asumsi yaitu muatan dianggap gas ideal, panas jenis (cp dan cv) muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses,proses kompresi dan ekspansi dianggap berlangsung secara adiabatic, reversible, massa muatan yang dikerjakan dianggap konstan ( siklus tertutup ), pemberian atau pengeluaran panas berlangsung secara konduksi dan tidak terdapat kerugian mekanis.

Siklus Otto adalah siklus udara volume konstan.Untuk motor bakar torak penyalaan api / bensin maka untuk menganalisa siklusnya dapat didekati dengan siklus ini.

Siklus diesel adalah siklus udara tekanan konstan, proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan energi terjadi pada tekanan konstan.

Siklus gabungan adalah Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan maupun tekanan konstan.

Efisiensi thermis didefinisikan sebagai panas berguna terhadap ( dibagi ) panas yang dimasukan.

Latihan soal :

1. Jelaskan tentang siklus otto dan siklus diesel

2. Jelaskan perbedaan antara siklus otto dan siklus diesel

3. Jelaskan dengan singkat definisi proses adiabatic, isobaric, isokhoris dan isothermis yang terjadi pada siklus motor bakar.

4. Jelaskan tentang efisiensi thermos pada motor bakar.

5. Gambarkan diagram P-V siklus otto dan jelaskan prosesnya.

Jawaban soal akan didiskusikan di kelas