Termodinamika
SISTEM TENAGA GAS
5. 1. Fluida kerja merupakan udara dalam jumlah tertentu yang dimodelkan sebagai gas ideal. 2. Proses pembakaran digantikan oleh perpindahan kalor yang berasal dari sebuah sumber luar eksternal. 3. Tidak ada proses isap dan buang sebagaimana terdapat pada mesin actual. Siklus diselesaikan melalui sebuah proses perpindahan panas yang terjadi pada volume konstan sementara piston berada pada posisi titik mati bawah. 4. Semua proses yang terjadi bersifat reversible
7. Siklus otto standar udara merupakan siklus ideal yang mengasumsikan bahwa penambahan kalor terjadi seketika ketika piston berada pada titik mati atas. Siklus otto dapat dilihat melalui diagram p-v dan T-s pada gambar 9.3. 9.3 diagram p-v dan diagram T-s dari siklus otto standar udara.
8. Siklus tersebut terdiri dari empat buah proses yang secara internal reversible di dalam satu rangkaian. Proses 1-2 merupakan kompresi isentropic pada udara yang terjadi selama piston bergerak dari titk mati bawah menuju titik mati atas.
Proses 2-3 merupakan proses terjadinya pelepasan kalor pada volume konstan dari sumber eksternal ke udara ketika piston berada pada titik mati atas. Proses ini merepresentasikan pemantikan campuran udara dan bahan bakar dan proses
pembakaran yang cepat yang terjadi selanjutnya. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi isentropic (langkah kerja).
Siklus diselesaikan dengan proses 4-1 yang terjadi pada volume konstan di mana kalor akan dikeluarkan dari udara pada saat piston berada pada titik mati bawah.
9. Karena siklus otto standar udara terdiri dari proses yang secara internal reversible, daerah pada diagram T-s dan p-v pada gambar 9.3 secara berturut- turut dapat diartikan sebagai kalor dan kerja. Pada diagram T-s, daerah 2-3-a-b- 2 mewakili kalor yang ditambahkan per satuan massa dan daerah 1-4-a-b- 1 mewakili kalor yang dibuang per satuan massa. Pada
diagram p-v daerah 1-2-a-b- 1 menunjukan besarnya kerja yang dimasukkan per satuan massa pada proses kompresi dan daerah 3-4-b-a-3 merupakan kerja yang telah dilakukan per satuan massa selama proses ekspansi. Daerah yang tertutup pada tiap gambar tersebut dapat diartikan sebagai besarnya kerja netto yang dihasilkkan, atau ekuivalen dengan kalor netto yang ditambahkan.
10. Analisis siklus. Siklus otto standar udara terdiri dari dua buah proses di mana terjadi kerja tetapi tidak terjadi perpindahan kalor, proses 1-2 dan 3-4, dan dua proses di mana terjadi perpindahan kalor tetapi tidak terjadi kerja, Proses 2-3 dan 4-1. Hubungan di antara perpindahan energy ini dapat disederhanakan dengan menganggap bahwa perubahan energy kinetic dan potensial yang terjadi pada kesetimbangan energy di dalam system tertutup tersebut dapat diabaikan.
Hasilnya adalah: Persamaan 9.2
11. Perhatikan baik-baik bahwa di dalam menuliskan persamaan 9.2, kita melanggar kebiasaan penggunaan tanda untuk kalor dan kerja. Dalam menganalisis siklus, sering kali lebih mudah jika kita menganggap seluruh kerja dan perpindahan kalor sebagai kuantitas positif. Jadi W12/m merupakan angka positif yang menunjukan besarnya kerja yang dimasukkan selama langkah kompresi dan Q41/m merupakan angka positif yang menunjukkan besarnya kalor yang dikeluarkan di dalam proses 4-1. Kerja netto dari siklus dapat dinyatakan sebagai berikut.
13. Siklus disel standar udara merupakan siklus ideal yang mengasumsikan bahwa penambahan kalor berlangsung di dalam sebuah proses dengan tekanan konstan yang dimulai dengan kondisi piston berada pada titik mati atas.
14. Analisis siklus. Pada siklus diesel, penambahan kalor terjadi pada tekanan konstan. Oleh karena itu, proses 2-3 melibatkan kerja dan kalor. Kerja diberikan melalui (persamaan 9.9) Kalor yang masuk di dalam proses 2-3 dapat ditentukan melalui kesetimbangan system energy tertutup
15. Dengan menggunakan persamaan 9.9 dan menghitung perpindahan kalor (persamaan 9.10) Dimana entalpi spesifik digunakan untuk mempermudah persamaan. Sebagaimana terdapat pada siklus otto, kalor yang keluar di dalam proses 4-1 diberikan melalui
21. Dengan menggunakan persamaan 9.12 dan data vr3 pada temperature T3, nilai temperature T4 dapat dihitung melalui interpolasi setelah nilai dari vr4 diperoleh melalui persamaan isentropic Pada analisis standar udara dingin, persamaan yang tepat untuk digunakan untuk mendapatkan nilai dari T2 adalah
22. Temperatur T4 dapat dihitung dengan menggunakan hubungan Dimana persamaan 9.12 telah digunakan untuk menggantikan rasio volume.
24. Analisis siklus. Karena siklus rangkap terdiri dari jenis proses yang sama dengan siklus otto dan siklus diesel, kita dapat dengan mudah menuliskan hubungan- hubungan untuk kerja dan kalor dengan mengacu kepada pengembangan- pengembangan sebelumnya. Jadi, selama proses kompresi isentropic 1-2 tidak terjadi perpindahan kalor, dan kerja dinyatakan sebagai
25. Seperti pada proses serupa yang terdapat pada siklus otto, di dalam bagian volume konstan dari proses penambahan kalor, proses 2-3, tidak terdapat kerja, dan perpindahan kalor dinyatakan sebagai.
16. Efisiensi termal adalah perbandingan antara besarnya kerja netto yang dihasilkan pada siklus dengan kalor yang masuk (persamaan 9.11)
17. Untuk mengevaluasi besarnya efisensi termal pada persamaan 9.11 dibutuhkan nilai-nilai u1, u4,h2 dan h3 atau mengetahui karakteristik temperature yang terjadi pada tiap proses utama di dalam siklus tersebut. Selanjutnya mari kita
pikirkanbagaimana temperature-temperatur tersebut dievaluasi.
Untuk menggunakan hubungan persamaan isentropic dan data vr
19. Untuk mengetahui nilai T3, perhatikan bahwa dengan nilai p3 = p2 persamaan gas ideal menjadi lebih sederhana sehingga memberikan Di mana telah diperkenalkan nilai rc =V3/V2 yang disebut juga cutoff ratio (rasio pemotongan).
20. Karena V4=V1, maka rasio volume pada proses isentropic 3- 4 dapat dinyatakan sebagai (persamaan 9.12) Di mana rasio kompresi r dan cutoff ratio rc telah diperkenalkan untuk menyingkat penulisan.