Prinsip Kerja Mesin Pendingin dan Mesin Kalor

A. MESIN PENDINGIN

• Pengertian Mesin Pendingin

Mesin pendingin adalah perangkat yang digunakan untuk menurunkan dan mempertahankan suhu suatu ruangan atau benda pada tingkat yang lebih rendah daripada suhu lingkungan sekitarnya. Prinsip kerja mesin pendingin didasarkan pada siklus termodinamika yang memindahkan panas dari area yang ingin didinginkan ke lingkungan luar.

•  Komponen Utama Mesin Pendingin

Evaporator : Di mana zat pendingin menguap, menyerap panas dari ruang yang didinginkan.

Kompresor: Menaikkan tekanan dan suhu zat pendingin yang berwujud gas.

Kondenser: Di sini, zat pendingin mengeluarkan panas ke lingkungan luar dan berubah dari gas menjadi cair.

Katup Ekspansi (Ekspansi Valve) : Mengurangi tekanan zat pendingin cair, menyebabkan penurunan suhu sebelum kembali ke evaporator.

• Prinsip Kerja Mesin Pendingin

1. Evaporasi

Zat pendingin bertekanan rendah dan suhu rendah mengalir ke evaporator. Di dalam evaporator, zat pendingin menyerap panas dari ruang yang ingin didinginkan dan menguap, berubah dari cair menjadi gas. Proses ini menyerap sejumlah besar panas dari ruangan, menyebabkan penurunan suhu ruangan.

2. Kompresi

Zat pendingin dalam bentuk gas yang telah menyerap panas dari evaporator dihisap oleh kompresor. Kompresor memampatkan gas tersebut, menaikkan tekanan dan suhu gas. Gas bertekanan tinggi dan suhu tinggi ini kemudian dikirim ke kondenser.

3. Kondensasi

Gas bertekanan tinggi dan suhu tinggi masuk ke kondenser. Di kondenser, zat pendingin melepaskan panas ke lingkungan luar (biasanya dengan bantuan kipas atau air pendingin), dan mengembun menjadi cair. Proses ini menurunkan suhu zat pendingin namun tetap dalam tekanan tinggi.

4. Ekspansi

 Zat pendingin cair yang bertekanan tinggi mengalir melalui katup ekspansi. Katup ekspansi menurunkan tekanan zat pendingin secara tiba-tiba, menyebabkan penurunan suhu. Zat pendingin cair bertekanan rendah dan suhu rendah ini kemudian masuk kembali ke evaporator untuk memulai siklus lagi.

• Rumus Mesin Pendingin

Persamaannya pada mesin pendingin dapat dituliskan sebagai berikut.

ΔU = 0 = Q – W

Keterangan:

ΔU: perubahan usaha

Q: kalor masuk

W: kalor keluar

Dengan catatan Q = W. Artinya, kalor yang masuk ke sistem sama dengan kalor yang keluar sistem. Oleh karena itu, rumus mesin pendingin bisa dituliskan sebagai berikut.

Weks = Qc – QH

Keterangan:

Weks: usaha yang dilakukan kepada sistem.

Qc: kalor yang masuk atau diserap.

QH: kalor yang keluar atau dilepaskan.

• Aplikasi Mesin Pendingin 

1. Kulkas (Refrigerator)

Kulkas adalah salah satu mesin pendingin yang paling umum ditemukan di rumah. Kulkas bekerja dengan prinsip siklus kompresi uap untuk menjaga makanan tetap segar dengan menurunkan suhu di dalam kompartemen penyimpanan. Komponen utama kulkas meliputi evaporator, kompresor, kondenser, dan katup ekspansi.

2. AC (Air Conditioner)

AC adalah mesin pendingin yang digunakan untuk menyejukkan udara di dalam ruangan. AC dapat ditemukan di rumah, kantor, mobil, dan berbagai tempat lain. Sistem kerja AC juga menggunakan siklus kompresi uap. Prinsip Kerja yaitu AC akan menguapkan zat pendingin di dalam evaporator untuk menyerap panas dari udara dalam ruangan, kemudian mengeluarkan panas tersebut ke luar ruangan melalui kondenser.

3. Freezer

Freezer adalah perangkat pendingin yang menjaga suhu sangat rendah, biasanya jauh di bawah titik beku air, untuk menyimpan makanan beku dalam jangka panjang. Freezer sering ditemukan sebagai bagian dari kulkas atau sebagai unit mandiri.

• Contoh soal :

Sebuah mesin pendingin bekerja dengan menyerap kalor dari suatu ruangan sebesar 2.000 J. Kalor tersebut dibuang ke lingkungan. Jika kalor yang dibuang ke lingkungan sebesar 5.000 J, berapakah usaha yang dilakukan oleh mesin pendingin tersebut?

Jawab: 3.000 J.

Pembahasan:

W = QH – QC = 5.000 – 2.000 = 3.000 J.

Sehingga, usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut sebesar 3.000 J.

B.  MESIN KALOR 

• Pengertian 

Mesin kalor adalah suatu alat yang beroperasi terus menerus yang menghasilkan kerja dengan cara memindahkan panas dari sumber panas (benda bersuhu tinggi) ke heat sink (benda bersuhu rendah) dengan menggunakan fluida kerja.

• Komponen Mesin Kalor

Mesin kalor terdiri dari berbagai komponen yang bekerja sama untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Berikut adalah beberapa komponen utama dalam mesin kalor:

1. Sumber Panas (Heat Source)

Ini adalah bagian dari mesin di mana energi panas pertama kali diperoleh. Sumber panas bisa berupa pembakaran bahan bakar (seperti dalam mesin diesel atau bensin), pemanasan uap air (seperti dalam turbin uap), atau proses lain yang menghasilkan energi panas.

2. Media Kerja (Working Fluid)

Media kerja dalam mesin kalor adalah zat yang mengalami perubahan suhu dan tekanan untuk menghasilkan kerja mekanik. Contohnya adalah uap air dalam mesin uap, gas dalam turbin gas, atau udara dalam mesin kalor Stirling.

3. Komponen Pembakaran (Combustion Chamber)

Jika mesin menggunakan pembakaran bahan bakar, komponen ini adalah ruang di mana pembakaran terjadi. Ini mencakup ruang bakar dalam mesin pembakaran dalam atau kompor dalam mesin kalor berbasis pembakaran.

4. Kompresor (Compressor)

Dalam beberapa mesin kalor, seperti turbin gas, ada kompresor yang bertugas mengompresi gas sebelum proses pembakaran. Ini meningkatkan tekanan dan memastikan aliran gas yang lebih padat ke ruang bakar.

5. Radiator/Condenser

Dalam mesin yang menghasilkan energi panas berlebih, seperti mesin kalor terkompresi atau mesin kalor absorpsi, radiator atau kondensor digunakan untuk menghilangkan panas ekstra dari sistem. Ini membantu mendinginkan media kerja agar siap untuk siklus berikutnya.

6. Siklus Termodinamika

Setiap jenis mesin kalor mengikuti siklus termodinamika tertentu, seperti siklus Carnot, Rankine, atau Brayton. Komponen-komponen ini memungkinkan mesin untuk mengikuti siklus ini dengan benar, yang penting untuk menghasilkan kerja mekanik.

7. Piston atau Turbin

Piston digunakan dalam mesin seperti mesin pembakaran dalam dan mesin Stirling untuk mengubah energi panas menjadi gerakan linier, sedangkan turbin digunakan dalam mesin seperti turbin uap dan turbin gas untuk mengubah energi panas menjadi gerakan rotasi.

8. Generator (Jika Ada)

Dalam beberapa mesin kalor, terutama dalam aplikasi pembangkit listrik, generator digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

9. Sistem Pemindah Panas (Heat Exchanger)

Dalam beberapa mesin, seperti mesin kalor absorpsi dan sistem pendingin, sistem pemindah panas digunakan untuk mengalihkan panas antara media kerja dan media lain, seperti refrigeran atau udara.

10. Kontrol dan Pemantauan

Sistem pengendalian dan pemantauan penting untuk mengatur suhu, tekanan, dan berbagai parameter lain dalam mesin kalor untuk memastikan operasi yang aman dan efisien.

• Prinsip Kerja Mesin Kalor

Prinsip kerja mesin kalor adalah proses konversi energi panas menjadi energi mekanik atau pekerjaan. Ini terjadi dalam beberapa tahap, tergantung pada jenis mesin kalor yang digunakan. Di bawah ini adalah penjelasan umum tentang prinsip kerja mesin kalor:

1. Pemanasan (Heating)

Tahap pertama dalam mesin kalor adalah pemanasan media kerja. Panas diberikan kepada media kerja dari sumber panas, seperti pembakaran bahan bakar, atau melalui pemanasan eksternal. Pemanasan ini meningkatkan suhu media kerja, meningkatkan energi kinetik dan tekanan dalam media kerja.

2. Ekspansi (Expansion)

Setelah media kerja dipanaskan, tekanan yang tinggi dihasilkan. Media kerja yang dipanaskan kemudian diizinkan untuk memperluas atau melebar, yang dapat terjadi dalam beberapa bentuk tergantung pada jenis mesin. Misalnya, dalam mesin uap, ini terjadi ketika uap air memasuki turbin dan memutar sudu-sudu. Ekspansi ini menghasilkan kerja mekanik karena media kerja melakukan pekerjaan terhadap piston, sudu-sudu turbin, atau komponen lain.

3. Penggerak (Work Output)

Kerja mekanik yang dihasilkan selama tahap ekspansi digunakan untuk menggerakkan komponen mesin, seperti piston, turbin, atau roda gigi. Energi mekanik ini bisa digunakan untuk melakukan pekerjaan, seperti menggerakkan kendaraan dalam mesin pembakaran dalam atau memutar rotor generator dalam pembangkit listrik.

4. Pendinginan atau Kondensasi (Cooling or Condensation)

Setelah kerja mekanik selesai, media kerja mungkin perlu didinginkan atau dikondensasi untuk mempersiapkannya kembali untuk siklus berikutnya. Ini terjadi dalam beberapa mesin kalor, seperti dalam turbin uap, di mana uap air perlu dikondensasi kembali menjadi air cair sebelum siklus dimulai lagi.

5. Siklus Termodinamika

Proses-proses ini mengikuti siklus termodinamika yang khas, seperti siklus Carnot, Rankine, atau Brayton, tergantung pada jenis mesin. Siklus ini adalah urutan perubahan suhu dan tekanan yang mengatur bagaimana energi panas dikonversi menjadi kerja mekanik.

6. Pemulihan Energi Panas (Heat Recovery)

Dalam beberapa sistem, terutama yang dirancang untuk efisiensi maksimum, energi panas yang tersisa dalam media kerja yang dingin mungkin dipulihkan untuk digunakan kembali dalam pemanasan media kerja yang panas. Ini meningkatkan efisiensi keseluruhan mesin.

7. Pengendalian dan Pemantauan

Selama operasi, mesin kalor dikendalikan dan dipantau dengan cermat untuk memastikan suhu, tekanan, dan parameter lainnya dalam kisaran yang aman dan efisien.

• Efisiensi Mesin Kalor

• Aplikasi Mesin Kalor

Berikut adalah beberapa contoh mesin kalor yang digunakan dalam berbagai aplikasi:

1. Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine)

Mesin ini adalah salah satu yang paling umum digunakan dalam kendaraan bermotor. Dalam mesin pembakaran dalam, campuran bahan bakar dan udara dibakar di dalam ruang bakar untuk menghasilkan gerakan piston yang menggerakkan kendaraan. Ini termasuk mesin bensin dan mesin diesel.

2. Mesin Uap (Steam Engine)

Mesin uap adalah salah satu mesin kalor tertua yang dikembangkan. Mereka mengubah energi panas menjadi energi mekanik dengan menggunakan uap air yang dipanaskan untuk menggerakkan piston atau turbin. Mesin uap pernah digunakan dalam lokomotif, kapal uap, dan pabrik-pabrik selama Revolusi Industri.

3. Turbin Gas (Gas Turbine)

Turbin gas digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk pembangkit listrik, penerbangan, dan industri. Mereka mengubah energi panas dari pembakaran bahan bakar (seperti gas alam atau minyak) menjadi energi mekanik dengan menggerakkan sudu-sudu pada rotor.

• Contoh Soal

Suatu mesin kalor menghasilkan usaha 2000 Joule dan membuang kalor sebanyak 500 Joule dalam satu siklus. Efisiensi mesin tersebut adalah… 

Pembahasan

Diketahui :

Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 2000 Joule

Kalor yang dibuang (QL) = 5000 Joule

Kalor yang diserap (QH) = 2000 + 5000 = 7000 Joule

Ditanya : Efisiensi mesin kalor (e)

Jawab :

2. Mesin sebuah mobil mempunyai efisiensi 30%. Jika mesin tersebut menghasilkan usaha 10.000 Joule tiap siklus, berapa kalor yang dibuang oleh mesin setiap siklus ?

Pembahasan

Diketahui :

Efisiensi (e) = 30 % = 30/100 = 0,3

Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 3000 Joule

Ditanya : Kalor yang dibuang mesin setiap siklus (QL)

Jawab :

Hitung kalor yang diserap (QH) menggunakan rumus efisiensi (e) mesin kalor :