1
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab 1 Pendahuluani terdiri atas latar ibelakang, perumusani masalah, tujuan ipenelitian, manfaati penelitian, dan ikerangka ipenelitian.
1.1 Latar Belakang
Mesin panas merupakan piranti yang dapat mengubah energi panas yang diterima dari lingkungan menjadi energi mekanis. Sebuah mesin panas disusun oleh proses-proses termodinamika, yaitu adiabatik, isotermal, isobarik, dan isokhorik.
Proses-proses tersebut yang kemudian menciptakan suatu siklus, seperti siklus Carnot yang terdiri dari proses isotermal dan adiabatik atau siklus Stirling yang terdiri dari proses isotermal dan isokhorik. Keberadaan mesin panas imemiliki peran penting dalam menunjang kehidupan sehari-harii masyarakat, seperti mesin uap, kendaraan bermotor, dan lain-lain.
Kemajuan teknologi berkembang semakin pesat, diantaranya adalah pada sektor energi. Pembangkit listrik dari energi terbarukan menjadi fokus riset dan penelitian nasional, salah satunya ialah pembangkit listrik tenaga panas bumi.
Pembangkit listrik tenaga panas bumi dilengkapi satu piranti yang disebut mesin turbin. Mesin tersebut merupakan salah satu penerapan dari siklus Stirling. Akan tetapi, mesin Stirling klasik masih memiliki kekurangan pada efisiensi termalnya.
Efisiensi maksimum mesin Stirling klasik sebesar 40% (Ahmadi et al., 2016) sehingga masih perlu untuk ditingkatkan. Oleh sebab itu, perlu adanya substansi kerja baru yang dapat menggantikan substansi kerja pada versi klasik.
Mesin panas kuantum menawarkan solusi atas permasalahan tersebut.
Substansi kerja mesin panas kuantum berbeda dengan mesin panas klasik. Substansi kerja mesin panas klasik adalah gas monoatomik, sedangkan substansi kerja mesin panas kuantum adalah sebuah partikel tunggal. Mesin panas klasik memakai silinder berpiston yang berisikan gas ideal sebagai model sistemnya. Gas monoatomik yang berada di dalam piston tidak dapat keluar dari silinder sehingga piston di dalam silinder akan mengkompresi dan mengekspansi gas tersebut. Model
2 sistem kuantum yang analoginya paling dekat dengan sistem termodinamika klasik tersebut adalah kotak potensial tak berhingga dengan partikel tunggal di dalamnya.
Siklus mesin Stirling terdiri dari dua proses termodinamika yaitu isotermal dan isokhorik. Dikarenakan pada proses isokhorik sebagian kalor yang keluar pada proses tersebut kembali masuk ke dalam sistem melalui regenerator maka pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan tidak terjadi. Oleh karena itu, siklus mesin Stirling memiliki bentuk formulasi efisiensi yang sama seperti siklus mesin Carnot (Oladimeji et al., 2020). Penelitian yang dilakukan Oladimeji et al.
(Oladimeji et al., 2020) menggunakan substansi kerja partikel tunggal yang terperangkap di dalam kotak potensial 1 dimensi dengan dua level energi. Pada penelitian ini, mesin Stirling kuantum akan dikembangkan lebih lanjut dengan menggunakan sistem kuantum 2 dan 3 dimensi.
1.2 Perumusan Masalah
Rumusan masalahi dalami penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mesin Stirling kuantum yang selama ini dikaji masih menggunakan kotak potensial tak berhingga 1 dimensi sehingga perlu ada kajian untuk 2 dan 3 dimensi tak bergantung waktu.
2. Mesin Stirling kuantum tak bergantung waktu yang selama ini dikaji masih terbatas pada penentuan formulasi efisiensi untuk sistem kuantum 1 dimensi sehingga perlu ada kajian untuk penentuan efisiensi serta daya optimum pada sistem kotak potensial itak iberhingga 1, 2, dan 3 dimensi yang simetris.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuani idalam ipenelitian iini iadalah isebagai iberikut:
1. Membandingkan efisiensi mesin Stirling kuantum tak bergantung waktu dengan dua level energi pada sistem kotak potensial tak berhingga 1, 2, dan 3 dimensi yang simetris.
2. Menentukan sifat reversibilitas mesin Stirling kuantum tak bergantung waktu dengan dua level energi pada sistem kotak potensial tak berhingga 1, 2, dan 3 dimensi yang simetris.
3 3. Membandingkan daya optimum mesin Stirling kuantum tak bergantung waktu pada sistem kotak potensial tak berhingga 1, 2, dan 3 dimensi yang simetris.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Substansi kerja kuantum yang digunakan pada penelitian ini adalah sebuah partikel tunggal yang terperangkap di dalam kotak potensial tak berhingga 2 dan 3 dimensi yang simetris.
2. Persamaan yang digunakan untuk menjelaskan perilaku partikel adalah persamaan Schrödinger tak bergantung waktu.
3. Level energi yang digunakan adalah 2 level terendah yaitu keadaan dasar dan keadaan tereksitasi pertama.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui formula efisiensi dari mesin Stirling kuantum dengan menggunakan substansi kerja partikel tunggal pada kotak potensial tak berhingga simetri 2 dan 3 dimensi tak bergantung waktu dengan dua level energi.
2. Mengetahui daya optimum sistem dari mesin Stirling kuantum dengan menggunakan substansi kerja partikel tunggal pada kotak potensial tak berhingga simetri 1, 2, dan 3 dimensi tak bergantung waktu dengan dua level energi.
3. Memberikan sumbangan ide dan sumber wawasan untuk perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang Fisika, khususnya pada bidang Fisika Teoritik terkait mesin panas kuantum. Hal ini konsekuen dengan salah satu bidang fokus riset nasional, yaitu penciptaan dan pemanfaatan energi baru dan terbarukan.
1.6 Kerangka Pemikiran Penelitian
4 Kerangka pemikiran pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 1.1 sebagai berikut.
5 Gambar 1. 1 Kerangkai Pemikirani Penelitiani
