Dasar Proses Konversi Energi
Pengetahuan dasar tentang Konversi Energi seperti termodinamika, perpindahan panas dan mekanika fluida sangat dibutuhkan membantu para operator dan staf pemeliharan mesin-mesin industri. Konsep dasar yang akan digunakan dalam pemahaman prinsip-prinsip dasar kerja mesin mesin industri.
Pembahasan tidak dipresentasikan secara menyeluruh, namun ditekankan pada hal-hal khusus saja yang bersangkutan dengan konsep dasar. Untuk pembahasan yang menyeluruh dan lebih rinci, pembaca dapat merujuk pada buku teks yang ada pada daftar pustaka.
Kemudian untuk membedakan antara benda kerja dan lingkungan sekitarnya, adalah pada benda kerja sering disebut dengan sistem, yaitu pada bagian tertentu, yang volume dan batasnya tidak harus selalu tetap, yang mana perpindahan dan konversi energi atau massa akan dianalisa.
Adapun istilah-istilah yang sering disebut antara lain adalah.
Pemodelan matematis yaitu suatu metode untuk mencari hubungan antara faktor-aktor fisik yang satu dengan yang lainnya memakai simbol-simbol dan koordinat matematik. Dengan memakai pemodelan tersebut, akan lebih mudah menemukan suatu rumusan matematik yang bisa mewakili permasalahan fisik secara kwantitatif.
Pada ilmu termodinamika besaran fisik atau koordinat-koordinat akan selalu melingkupi semua rumusan termodinamika yaitu seperti: Temperatur = T, Kerapatan = ρ, Tekanan = p, Voume = V, dan besaran-besaran yang lainnya. Besaran- besaran tersebut akan mempengaruhi berbagai keadaan pada sistem termodinamika. Contohnya, sistem motor bakar akan berubah keadaannya jika tekanan atau p kompresinya menurun, yaitu tenaga yang dihasilkan berkurang.
Perubahan keadaan pada temodinamika digambarkan pada grafik hubungan tekanan dengan volume atau dengan tekanan. Misalnya perubahan keadaan termodinamika yaitu pada perubahan keadaan yang terjadi dalam temperatur tetap ( isotermis), penggambarannya dengan grafik p-v dan p-t adalah sebagai berikut
Dari gambar diatas bisa diketahui bahwa terjadi sebuah perubahan yaitu besaran pada keadaan satu ke keadaan dua. Perubahan tersebut akan tetap berlangsung sampai ada proses keadaan yang lainnya. Proses keadaan akan selalu memiliki satu karakteristik yang spesifik.
Misalnya untuk proses keadaan isotermis, karakteristik yang pasti khusus adalah tidak ada-nya perubahan temperatur selama proses berlangsung. Dalam termodinamika, besaran sistem dibagi menjadi dua yaitu besaran intensive dan besaran extensive.
Untuk definisi masing-masing besaran adalah sebagai berikut.
● Besaran intensif, yaitu besaran yang tidak dipengarui oleh massa sistem.
Misanya: temperatur, tekanan, dan lainnya.
● Besaran ekstensif, yaitu besaran yang dipengarui oleh massa atau mol sisitem. Misalnya kapasitas panas, kerja, volume, entropi.
Dari besaran-besaran ekstensif didapat harga-harga jenis (spesifik value). Harga jenis yaitu perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem atau zat.
Hal ini berbeda dengan besaran lainnya yang tidak berdasarkan pada pengukuran, namun diturunkan dari besaran tekanan dan temperatur. Contohnya yaitu, kerja adalah besaran turunan dari temperatur atau tekanan.
1. Kerja pada volume konstan W = m .R.ΔT
2. Kerja pada tekanan kostan W = pΔV
Sedang untuk bentuk-bentuk energi yang lain dijelaskan dibawah ini:
● Energi Kinetik yaitu energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, contohnya seperti, mobil yang bergerak, benda jatuh dan yang lainnya, dan untuk rumus energinya bisa ditulis:
● Energi potensial yaitu energi yang tersimpan pada sebuah benda karena kedudukannya. Contoh yaitu energi potensial air adalah energi yang yang terdapat pada air karena ketinggiannya dari permukaan
Ep = m.g.h
● Energi potesial pegas yaitu energi yang terdapat pada benda yang dihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan tertentu karena penarikan dari pegas.
Ep = 0,5.k.x2
● Energi mekanik yaitu energi total atau penjumlahan antara energi kinetik dan energi potesial.
Em = Ek + Ep
● Energi atau kerja mekanik pada mesin-mesin panas, yaitu kerja yang dihasilkan dari sebuah proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Kerja mekanik (dW) ini sebanding dengan perubahan volume (dV) pada tekanan (p) tertentu.
ΔW = pΔV . Contoh energi kerja mekanik secara sederhana yaitu pada pergerakan piston, putaran poros engkol, dan yang lainnya.
Dan energi mekanik yang terjadi pada benda-benda yang berputar misalnya seperti pada, poros mesin mesin fluida (turbin, pompa ,atau kompresor)
● Torsi yaitu energi yang dibutuhkan atau dihasilkan oleh suatu benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F dimana energi tersebut pada r tertentu dari pusat putaran.
T= Fx r
● Energi Aliran atau kerja aliran yaitu kerja yang dilakukan oleh sebuah fluida yang mengalir untuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.
Wenergi aliran = pV
● Panas (Q) yaitu energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan dari temperatur. Dengan c panas jenis pada volume konstan atau tekanan konstan, energi ini dirumuskan
Q = mcΔT
● Energi dalam (U) yaitu energi dari gas karena ada pergerakan pada tingkat molekul, dan pada gas ideal yang hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.
● Entalpi (H) yaitu sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan yang konstan, dengan cp panas jenis pada tekanan konstan, dan dirumuskan:
ΔH = mcp ΔT
● Energi yang tersedia yaitu bagian dari panas yang ditambahkan ke pada sistem yang dapat dirubah menjadi kerja. Perbandingan antara jumlah energi tersedia yang dapat dirubah menjadi kerja dengan energi yang dimasukan ke sistem yaitu konsep Efisiensi.
Contoh yang lain yaitu suatu proses perubahan energi atau konversi energi pada sebuah turbin dan pompa. Perubahan energi pada turbin yaitu seperti berikut, energi fluida (energi kinetik fluida) yang masuk turbin dan berekspansi. Kemudian terjadilah suatu perubahan energi yaitu dari energi fluida menjadi sebuah energi mekanik putaran poros turbin.
Selanjutnya, putaran poros turbin akan memutar poros generator listrik, dan disini akan terjadi perubahan energi untuk yang kedua yaitu dari energi mekanik menjadi energi listrik.
Pada gambar 5B terjadi sebuah proses konversi energi dari energi listrik menjadi energi fluida.
Prosesnya adalah energi listrik yang dirubah menjadi energi mekanik pada motor listrik, energi mekanik tersebut yaitu putaran poros motor listrik yang kemudian diteruskan ke poros pompa. Pada pompa ini akan terjadi perubahan energi mekanik menjadi sebuah energi fluida, fluida yang keluar dari pompa memiliki energi yang lebih tinggi jika dibanding sebelum masuk pompa.
2. Transfer energi adalah energi panas (heat) yang bisa ditransfer dari tempat satu ke tempat yang lainnya atau dari material satu ke material yang lainnya.
3. Energi bisa pindah ke benda yang lain melalui suatu gaya yang menyebabkan pergeseran, dan ini disebut dengan energi mekanik, seperti yang sudah dibahas di artikel sebelumnya.
W = FxS
T = F x R
W = FxS dengan S =2 π r.nrev dan F =
, maka
W = 2 π r.nrev = (2 π .nrev.)xT ( KERJA dari MEKANIK POROS)
dimana nrev = jumlah putaran
Energi mekanik PUTARAN POROS yaitu biasanya paling sering dipakai untuk perhitungan pada mesin-mesin konversi energi. Karena hampir pada sebagian besar mesin-mesin konversi adalah mesin-mesin rotari. Alasan dalam pemilihan gerak putaran poros mesin (mesin rotary) yang digunakan sebagai transfer energi atau kerja dibanding dengan putaran bolak-balik (reciprocating) yaitu.
Karena gerak rotary memiliki efisiensi mekanik yang tinggi, getaran yang rendah, dan tidak banyak membutuhkan komponen mesin yang rumit. Energi atau kerja langsung dapat ditransfer atau diterima peralatan tanpa membutuhkan peralatan tambahan. Sebagai perbandingan mesin rotary yaitu mesin reciprocating atau motor bakar. Pada gambar ditunjukkan skema dari mesin motor bakar dengan gerakan bolak-baliknya.
4. Energi adalah kekal, maksudnya yaitu tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan.
Hukum pertama Termodinamika bisa ditulis sebagai berikut ;
EP1 + EK1 + ED1 + EA1 + ΔQ = EP2 + EK2 + ED2 + EA2 + ΔW
Untuk sistem terbuka yang mana ada pertukaran energi dan massa dari sistem kelingkungan atau sebaliknya, maka persamaan energi diatas bisa dijabarkan sebagai berikut:
dengan [ pV + U] = H bisa dituliskan kembali menjadi:
Jadi Hukum termodinamika pertama bisa diutuliskan secara sederhana dengan persamaan berikut (untuk sistem terbuka)
Emasuk = Ekeluar atau ΔEP + ΔEK + ΔH + ΔQ = ΔW
Bila Hukum termodinamika pertama dituliskan secara sederhana untuk sistem tertutup, yang mana massa tidak bisa melintas batas sistem. Maka pada suku-suku EP, EK dan EA bisa dihilangkan dari persamaan. Persamaan bisa ditulis kembali mejadi:
ΔEP + ΔEK + ΔpV + ΔQ = ΔW + ΔU
ΔQ = ΔW + ΔU
Jadi untuk sistem tertutup persamaannya berubah menjadi ΔQ = ΔW + ΔU
Pembahasan tidak dipresentasikan secara menyeluruh, namun ditekankan pada hal-hal khusus saja yang bersangkutan dengan konsep dasar. Untuk pembahasan yang menyeluruh dan lebih rinci, pembaca dapat merujuk pada buku teks yang ada pada daftar pustaka.
Termodinamika
Ilmu termodinamika adalah ilmu yang akan mempelajari hubungan panas dengan kerja. Dua besaran tersebut sangat penting untuk dipahami karakeristiknya dalam pemahaman dasar teknik mesin. Jadi sudah cukup jelas bahwa pengetahuan dasar tentang termodinamika ini sangat penting, sebab sering digunakan untuk mengetahui kondisi operasi dari berbagai alat atau mesin yang berhubungan dengan panas dan kerja.A. Sistem Termodinamika
Untuk menganalisa atau memahami mesin-mesin panas atau mesin-mesin fluida, pada mesin-mesin tersebut disebut dengan benda kerja. Fluida atau zat alir yang digunakan pada benda kerja disebut dengan fluida kerja. Sebagai contoh misalnya untuk pompa sebagai benda kerja, kemudian fluida kerjanya adalah zat cair (air, oli ), sedangkan untuk kompresor fluida kerjanya adalah udara.Kemudian untuk membedakan antara benda kerja dan lingkungan sekitarnya, adalah pada benda kerja sering disebut dengan sistem, yaitu pada bagian tertentu, yang volume dan batasnya tidak harus selalu tetap, yang mana perpindahan dan konversi energi atau massa akan dianalisa.
Adapun istilah-istilah yang sering disebut antara lain adalah.
- Batas sistem yaitu garis imajiner yang akan membatasi sistem dan lingkungannya
- Sistem tertutup adalah jika sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran massa atau energi, dengan kata lain massa atau energi tidak melewati batas-batas sistem.
- Sistem terbuka adalah jika massa dan energi bisa melintasi atau melawati batas-batas sistem. Sistem dengan lingkungannya terdapat interaksi
B. Besaran-besaran Sistem Termodinamika dan Keadaan Sistem
Dalam pembahasan untuk setiap masalah yang masih berhubungan dengan kejadian-kejadian alam atau suatu proses fisika alam, untuk memudahkan pemahaman masalah tersebut, pemodelan matematik banyak dipakai.Pemodelan matematis yaitu suatu metode untuk mencari hubungan antara faktor-aktor fisik yang satu dengan yang lainnya memakai simbol-simbol dan koordinat matematik. Dengan memakai pemodelan tersebut, akan lebih mudah menemukan suatu rumusan matematik yang bisa mewakili permasalahan fisik secara kwantitatif.
Pada ilmu termodinamika besaran fisik atau koordinat-koordinat akan selalu melingkupi semua rumusan termodinamika yaitu seperti: Temperatur = T, Kerapatan = ρ, Tekanan = p, Voume = V, dan besaran-besaran yang lainnya. Besaran- besaran tersebut akan mempengaruhi berbagai keadaan pada sistem termodinamika. Contohnya, sistem motor bakar akan berubah keadaannya jika tekanan atau p kompresinya menurun, yaitu tenaga yang dihasilkan berkurang.
Perubahan keadaan pada temodinamika digambarkan pada grafik hubungan tekanan dengan volume atau dengan tekanan. Misalnya perubahan keadaan termodinamika yaitu pada perubahan keadaan yang terjadi dalam temperatur tetap ( isotermis), penggambarannya dengan grafik p-v dan p-t adalah sebagai berikut
Dari gambar diatas bisa diketahui bahwa terjadi sebuah perubahan yaitu besaran pada keadaan satu ke keadaan dua. Perubahan tersebut akan tetap berlangsung sampai ada proses keadaan yang lainnya. Proses keadaan akan selalu memiliki satu karakteristik yang spesifik.
Misalnya untuk proses keadaan isotermis, karakteristik yang pasti khusus adalah tidak ada-nya perubahan temperatur selama proses berlangsung. Dalam termodinamika, besaran sistem dibagi menjadi dua yaitu besaran intensive dan besaran extensive.
Untuk definisi masing-masing besaran adalah sebagai berikut.
● Besaran intensif, yaitu besaran yang tidak dipengarui oleh massa sistem.
Misanya: temperatur, tekanan, dan lainnya.
● Besaran ekstensif, yaitu besaran yang dipengarui oleh massa atau mol sisitem. Misalnya kapasitas panas, kerja, volume, entropi.
Dari besaran-besaran ekstensif didapat harga-harga jenis (spesifik value). Harga jenis yaitu perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem atau zat.
C. Besaran-besaran Pokok Termodinamika
Besaran tekanan dan temperatur adalah besaran yang menjadi pokok dari sistem termodinamika, karena hubungan antara keduanya ini sangat penting untuk mencirikan proses suatu keadaan sistem. Disamping itu besaran tekanan dan temperatur adalah besaran dari hasil pengukuran secara langsung dari sebuah proses keadaan sistem.Hal ini berbeda dengan besaran lainnya yang tidak berdasarkan pada pengukuran, namun diturunkan dari besaran tekanan dan temperatur. Contohnya yaitu, kerja adalah besaran turunan dari temperatur atau tekanan.
1. Kerja pada volume konstan W = m .R.ΔT
2. Kerja pada tekanan kostan W = pΔV
D. Bentuk-bentuk Energi
Energi adalah suatu besaran turunan yang memakai satuan N.m atau Joule. Energi dan kerja memiliki satuan yang sama. Sedangkan kerja dapat didefinisikan sebagai usaha untuk memindahkan suatu benda sejauh S (m) dengan gaya F (Newton).Sedang untuk bentuk-bentuk energi yang lain dijelaskan dibawah ini:
● Energi Kinetik yaitu energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, contohnya seperti, mobil yang bergerak, benda jatuh dan yang lainnya, dan untuk rumus energinya bisa ditulis:
● Energi potensial yaitu energi yang tersimpan pada sebuah benda karena kedudukannya. Contoh yaitu energi potensial air adalah energi yang yang terdapat pada air karena ketinggiannya dari permukaan
Ep = m.g.h
● Energi potesial pegas yaitu energi yang terdapat pada benda yang dihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan tertentu karena penarikan dari pegas.
Ep = 0,5.k.x2
● Energi mekanik yaitu energi total atau penjumlahan antara energi kinetik dan energi potesial.
Em = Ek + Ep
● Energi atau kerja mekanik pada mesin-mesin panas, yaitu kerja yang dihasilkan dari sebuah proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Kerja mekanik (dW) ini sebanding dengan perubahan volume (dV) pada tekanan (p) tertentu.
ΔW = pΔV . Contoh energi kerja mekanik secara sederhana yaitu pada pergerakan piston, putaran poros engkol, dan yang lainnya.
Dan energi mekanik yang terjadi pada benda-benda yang berputar misalnya seperti pada, poros mesin mesin fluida (turbin, pompa ,atau kompresor)
● Torsi yaitu energi yang dibutuhkan atau dihasilkan oleh suatu benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F dimana energi tersebut pada r tertentu dari pusat putaran.
T= Fx r
● Energi Aliran atau kerja aliran yaitu kerja yang dilakukan oleh sebuah fluida yang mengalir untuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.
Wenergi aliran = pV
● Panas (Q) yaitu energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan dari temperatur. Dengan c panas jenis pada volume konstan atau tekanan konstan, energi ini dirumuskan
Q = mcΔT
● Energi dalam (U) yaitu energi dari gas karena ada pergerakan pada tingkat molekul, dan pada gas ideal yang hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.
● Entalpi (H) yaitu sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan yang konstan, dengan cp panas jenis pada tekanan konstan, dan dirumuskan:
ΔH = mcp ΔT
● Energi yang tersedia yaitu bagian dari panas yang ditambahkan ke pada sistem yang dapat dirubah menjadi kerja. Perbandingan antara jumlah energi tersedia yang dapat dirubah menjadi kerja dengan energi yang dimasukan ke sistem yaitu konsep Efisiensi.
E. Sifat Energi
Energi di alam sifatnya adalah kekal artinya energi alam tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan namun hanya dapat diubah dari energi satu ke energi yang lainnya (Hukum kekekalan energi). Ilmu yang mempelajari suatu perubahan energi, dari energi satu ke energi yang lainnya disebut dengan ilmu konversi energi. Untuk tingkat keberhasilan perubahan energi yaitu disebut dengan efisiensi.Sifat-sifat energi secara umum yaitu:
1. Transformasi energi yaitu energi yang dapat diubah menjadi bentuk lain, Contohnya: energi panas pembakaran yang berubah menjadi energi mekanik mesin.Contoh yang lain yaitu suatu proses perubahan energi atau konversi energi pada sebuah turbin dan pompa. Perubahan energi pada turbin yaitu seperti berikut, energi fluida (energi kinetik fluida) yang masuk turbin dan berekspansi. Kemudian terjadilah suatu perubahan energi yaitu dari energi fluida menjadi sebuah energi mekanik putaran poros turbin.
Selanjutnya, putaran poros turbin akan memutar poros generator listrik, dan disini akan terjadi perubahan energi untuk yang kedua yaitu dari energi mekanik menjadi energi listrik.
Pada gambar 5B terjadi sebuah proses konversi energi dari energi listrik menjadi energi fluida.
Prosesnya adalah energi listrik yang dirubah menjadi energi mekanik pada motor listrik, energi mekanik tersebut yaitu putaran poros motor listrik yang kemudian diteruskan ke poros pompa. Pada pompa ini akan terjadi perubahan energi mekanik menjadi sebuah energi fluida, fluida yang keluar dari pompa memiliki energi yang lebih tinggi jika dibanding sebelum masuk pompa.
2. Transfer energi adalah energi panas (heat) yang bisa ditransfer dari tempat satu ke tempat yang lainnya atau dari material satu ke material yang lainnya.
3. Energi bisa pindah ke benda yang lain melalui suatu gaya yang menyebabkan pergeseran, dan ini disebut dengan energi mekanik, seperti yang sudah dibahas di artikel sebelumnya.
W = FxS
T = F x R
W = FxS dengan S =2 π r.nrev dan F =
W =
dimana nrev = jumlah putaran
Energi mekanik PUTARAN POROS yaitu biasanya paling sering dipakai untuk perhitungan pada mesin-mesin konversi energi. Karena hampir pada sebagian besar mesin-mesin konversi adalah mesin-mesin rotari. Alasan dalam pemilihan gerak putaran poros mesin (mesin rotary) yang digunakan sebagai transfer energi atau kerja dibanding dengan putaran bolak-balik (reciprocating) yaitu.
Karena gerak rotary memiliki efisiensi mekanik yang tinggi, getaran yang rendah, dan tidak banyak membutuhkan komponen mesin yang rumit. Energi atau kerja langsung dapat ditransfer atau diterima peralatan tanpa membutuhkan peralatan tambahan. Sebagai perbandingan mesin rotary yaitu mesin reciprocating atau motor bakar. Pada gambar ditunjukkan skema dari mesin motor bakar dengan gerakan bolak-baliknya.
4. Energi adalah kekal, maksudnya yaitu tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan.
F. Hukum termodinamika
1. Hukum termodinamika I
Hukum pertama dari termodinamika yaitu hukum konversi energi, pada hukum ini menyatakan bahwa ENERGI TIDAK BISA DICIPTAKAN ATAU DILENYAPKAN, disini energi hanya bisa diubah dari bentuk satu kedalam bentuk yang lainnyaHukum pertama Termodinamika bisa ditulis sebagai berikut ;
EP1 + EK1 + ED1 + EA1 + ΔQ = EP2 + EK2 + ED2 + EA2 + ΔW
Untuk sistem terbuka yang mana ada pertukaran energi dan massa dari sistem kelingkungan atau sebaliknya, maka persamaan energi diatas bisa dijabarkan sebagai berikut:
dengan [ pV + U] = H bisa dituliskan kembali menjadi:
Jadi Hukum termodinamika pertama bisa diutuliskan secara sederhana dengan persamaan berikut (untuk sistem terbuka)
Emasuk = Ekeluar atau ΔEP + ΔEK + ΔH + ΔQ = ΔW
Bila Hukum termodinamika pertama dituliskan secara sederhana untuk sistem tertutup, yang mana massa tidak bisa melintas batas sistem. Maka pada suku-suku EP, EK dan EA bisa dihilangkan dari persamaan. Persamaan bisa ditulis kembali mejadi:
ΔEP + ΔEK + ΔpV + ΔQ = ΔW + ΔU
ΔQ = ΔW + ΔU
Jadi untuk sistem tertutup persamaannya berubah menjadi ΔQ = ΔW + ΔU