MAKALAH SIKLUS RANKINE
Disusun Oleh : Nama
: Putro Ajianto
NIM
: 141!!1"44
#urusan
: D! $e%ni% Mesin
PRO&RAM S$UDI $EKNIK MESIN 'AKUL$ 'AKUL$AS AS $EKNOLO&I $EKNOLO &I INDUS$RI INS$I$U$ SAINS ( $EKNOLO&I AKPRIND AKPRIND )O&)AKAR$A *"1+,*"1-
1
A Pen.ertian Si%lus /arnot
Proses melingkar adalah suatu proses pada suatu system setelah mengalami beberapa perubahan keadaan, akhirnya kembali pada keadaan semula.
Pada proses melingkar, system berubah kemudian kembali ke keadaan semula. Energy dalam proses melingkar tidak berubah. Sebuah proses reversible adalah sebuah proses yang berlangsung sedemikian sehingga pada akhir proses, system dan keliling local ( local surroundings) dapat dikembalikan ke keadaan mula-mula, tanpa meninggalkan suatu perubahan pada sisa universum (rest of universe). Universum disini digunakan dalam arti teknis, yaitu sempit sekali tanpa suatu pengertian kosmos. Universum disini artinya tidak lain adalah bagian yang berhingga dari dunia yang terdiri dari system dan kelilingnya yang dapat mengadakan interaksi dengan system itu. Sebuah proses yang tidak memenuhi syarat-syarat diatas disebut irreversible. Sebagai konsekuensi hukum kedua ermodinamika yang memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energy dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi, maka semua proses alam adalah irreversible. Pengubahan usaha men!adi energy dalam sebuah system kalor berlangsung dengan disertai ge!ala-ge!ala seperti gesekan viskositas, inelastisitas, tahanan listrikndan listeresisi magnetic. E"ek-e"ek ini disebut e0e%e0e% 2isi3ati0 dan
#
usaha itu dikatakan ter2issi3asi Proses-proses yang disertai dissipasi usaha men!adi energy dalam dikatakan menun!ukkan irreersi5le me%ani% luar. $rreversibilitas lainnya ialah irreversibilitas mekanik dalam, irreversibilitas termik, irreversibilitas kimia. %alau berbagai macam proses alam diselidiki dengan teliti maka ternyata bah&a semuanya disertai salah satu dari dua si"at berikut. 1.
idak dipenuhinya syarat-syarat untuk kesetimbangan termodinamika,
#.
yaitu tidak adanya kesetimbangan mekanik, termik dan kimia 'danya e"ek disipati", seperti geseran, viskositas, anelastisitas, tahanan listrik dan listeresis magnetic.
aka dapat ditarik kesimpulan, bah&a sebuah proses akan reversible kalau Proses itu berlangsung uasi-statik Proses itu tidak disertai e"ek-e"ek desipati".
1. #.
%arena tidak mungkin bentuk memenuhi kedua syarat itu dengan sempurna maka !elaslah bah&a sebuah proses reversible adalah sesuatu yang hayal atau ideal. Proses reversible sangat berguna dalam perhitungan teori dalam hal ini, pengandaian proses reversible dalam termodinamika serupa dengan pengandaian yang seringkali di!umpai dalam mekanika, misalnya pengandaian ka&at yang tidak bermassa, katrol tanpa geseran dan titik massa.
'.
ES$* %'+ '* %etika system dalam suatu mesin men!alani sebagian daurnya, se!umlah kalor diserap dari reservoir panas, pada bagian lain dari daur itu kalor yang !umlahnya lebih sedikit dibuang ke reservoir yang lebih dingin. /adi boleh dikatakan bah&a mesin beker!a diantara sepasang reservoir ini. enurut kenyataannya se!umlah kalor selalu dibuang ke reservoir yang lebih dingin, sehingga e"isiensi mesin tidak akan pernah mencapai 100. 'da 2 hal yang penting mengenai mesin.
1.
3erapa daya guna maksimum yang dapat dicapai oleh suatu mesin yang beker!a
antara kedua reservoir itu. #. 3agaimana karakteristik mesin. 2. 'pa pengaruh si"at 4at ker!a. Untuk men!a&ab pertnyaan ini *icelai +eonard Sadi arnot (15#6)
2
seorang insinyur ulung bangsa perancis memikirkan sebuah siklis ideal yang sekarang terkenal dengan siklus arnot. Siklus carnot terdiri atas dua proses isothermal reversible dan dua proses adiabatic reversible. Siklus arnot terdiri dari 6 proses sebagai berikut7 1.
Proses adiabatic reversible dalam arah sedemikian sehingga suhu naik
sampai suhu T1dari reservoir panas. #. 8at ker!a tetap berhubungan dengan reservoir dengan suhu T1 dan men!alani proses isotermik reversible dalam arah dan &aktu sedemikian sehingga !umlah kalor Q1 diserap dari reservoir tersebut, (Penyerapan kalor ter!adi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir panas). 2. Proses adiabatic reversible dalam arah berla&anan dengan proses pertama sehingga suhu turun sampai suhu T2 dari reservoir dingin. 6. 8at ker!a tetap berhubungan dengan reservoir pada T2 dan mengalami proses isothermik reversible dalam arah bela&anan dengan proses kedua sampai 4at ker!a mencapai keadaan mula-mula. Selama proses ini kalor Q2 diberikan kepada reservoir dingin (Pengeluaran kalor ter!adi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir dingin) Suatu mesin yang men!alani siklus carnot disebut mesin 6arnot. Sedangkan mesin %alor 6arnot adalah suatu mesin yang mengubah energy kalor men!adi energy mekanik. %arena keempat proses dari siklus tersebut reversible maka siklus carnot adalah si%lus reersi5le
Q27 %alor masuk W= Usaha yang dihasilkan Q1= %alor yang keluar atau energy kalor yang tidak terpakai atau terbuang Q2 dari reservoir panas, Q1 dari reservoir dingin. Usaha W=Q2-Q 1
E"isiensi mesin kalor 7
6
Mesin Kalor /arnot
Usaha 1* ( Ekspansi isothermik)
Usaha *! ( Ekspansi adiabatic)
Usaha !4 ( %ompresi isothermik)
9
Usaha 41 (%ompresi adiabatic)
Usaha total
%ita amati pada proses adiabatic #
2
6
1
:
E"isiensi diatas merupakan E00isiensi Mesin /arnot $ermi% E""isiensi mesin secara umum dapat dituliskan sebagai7 η=Q2-Q1Q2
η=WQ2 ;ari persamaan diatas dapat disimpulkan bah&a7 esin biasa hanya berlaku persamaan
η=Q2-Q1Q1 Sedang mesin arnot dapat berlaku
η=Q2-Q1Q1 dan η=T2-T1T2
;ari persamaan
Q2-Q1Q2=T2-T1T2
<
T2-T1Q2=Q2-Q1T2 T2Q2-T1Q2=Q2T2-Q1T2 T1Q2=T2Q1 Q1T1=Q2T2 QT=C
/adi
3.
E=$>E' '* ( esin Pendingin arnot)
engingat mesin arnot merupakan mesin kalor reversible, maka mesin tersebut dapat dibalik. esin tersebut merupakan mesin pendingin atau re"rigerator arnot. Pada re"rigerator arnot berlaku
T2'>T1, W=Q2-Q1 W= kalor yang masuk ? diperlukan Q1= kalor yang dihisap
Perbandingan antara kalor Q1 yang dapat dihisap dengan usaha yang digunakan W merupakan koe"isien per"ormance C. c=T1'T2'-T1'
c=Q1'W'=Q1'Q2'-Q1' heorema arnot berbunyi 7 @ ak ada sebuah mesin yang beker!a antara dua reservoir tertentu dapat lebih e""isien daripada mesin arnot yang beker!a antara kedua reservoir
5
8u%ti:
isalkan sebuah mesin arnot () dan suatu mesin lain ($) beker!a diantara dua reservoir yang samadan diatur demikian sehingga keduanya melakukan usaha yang sama yaitu A.
esin arnot 1. #. 2. 6.
enghisap kalor reservoir panas. elakukan usaha A. engeluarkan kalor Q1-W kepada reservoir dingin ;aya >una ηR=WQ1
esin +ain $ 1. #. 2. 6.
enghisap kalor Q, dari reservoir panas. elakukan usaha W engeluarkan kalor Q1'-W kepada reservoir dingin ;aya guna η1=WQ'
isalkan bah&a daya guna mesin $ lebih besar dari
ηI>ηR WQ,>WQ1 Q1>Q' isalkan sekarang bah&amesin $ men!alankan mesin arnot yang beker!a sebagai mesin pendingin. Pada peristi&a ini secara simbolikditun!ukkan sebagai gambar
%arena seluruh
usaha adalah untuk
kepentingan
bersama
mesin kalor dan
mesin pendingin ini
maka
dapat digabungkan sehingga keseluruhannya merupakan alat yang beker!a sendiri.
B
%alor bersih yang diserap dari reservoir dingin adalah7
Q1-W-Q1-W=Q1-Q1' Carga ini adalah positi". %alor bersih yang dikeluarkan kepada reservoir panas !uga =Q1-Q1' /adi kesimpulannya alat yang beker!a sendiri ini memudahkan kalor sebesar
Q1-Q1, dari reservoir dingin ke reservoir panas. Cal ini bertentangan dengan hukum $$ ermodinamika ('4as lausius). Cal ini berarti bah&a pengandaian ηI>ηR salah. aka seharusnya adalah7
ηI≤ηR ;ari heorema arnot dapat ditarik kesimpulan bah&a7 Semua mesin arnot yang beker!a antara dua reservoir yang tertentu daya gunanya sama. Bukti:
isalkan ada mesin arnot R1 dan R2 yang beker!a diantara dua reservoir yang sama. 'pabila R1 men!alankan R2 yang beker!a sebagai mesin pendingin maka theorema arnot haruslah 7
ηR1≤ηR2 'pabila R2 men!alankan R1 yang beker!a sebagai mesin pendingin maka menurut theorema arnot haruslah7
ηR2≤ηR1 /adi dengan begitu !elaslah bah&a
ηR1=ηR2 %arena dalam pembahasan tadi tidak terdapat syarat-syarat khusus untuk si"at 4at ker!a maka, daya guna siklus Carnot tidak dipengaruhi oleh zat kerja.
Da9a &una Si%lus /arnot
%arena η arnot tidak tergantung dari 4at ker!a maka untuk mudahnya perhitungan kita pakai gas sempurna sebagai gas ker!a.
10
Skema
a
suatu proses siklis
b
Proses kompressi adiabatic reversible. Persamaan 7 Vax-IT2=Vbx-IT1 'tau T1T2=VaVbx-I
b
c
Proses ekspansi isothermik reversible.
Hu%um I $hermo2inami%a :
dQ=dU+PdV dQ=CVdT+P+∂U∂VTdV %arena U gas ideal hanya merupakan "ungsi dari suhu sa!a maka ∂U∂VT=0 %arena b
c
merupakan proses isothermis maka CvdT=0
/adi dQ=PdV=nRTVdV
Q1=VbVcnRT1dVV=nRT1lnVcVb c
d Proses ekspansi adiabatic reversible Persamaan 7 Vcx-IT1=Vdx-IT2
T1T2=VdVcx-I ;ari proses kompressi adiabatic reversible didapat bah&a 7
T1T2=VaVbx-I T1T2=VdVcx-I=VaVbx-I d
a Proses kompressi isothermik reversible
Q2=VdVanRT2dVV=nRT2VdVadVV=nRT2lnVaVd=nRT2lnVdVa η=1-Q2Q1=1-nRT2lnVdVanRT1lnVcVb VdVc=VaVb sehingga VdVa=VcVb
11
ηcarn!=1-T2T1 /ontoh Soal /1
isalkan dalam iklan dita&arkan mesin yang beker!a dengan reservoir bersuhu 900 % dan 600 % memerlukan energy sebesar 6 D 10" !oule dan melakukan usaha 10# !oule. 3erdasarkan hokum kedua hermodinamika, dapatkah iklan itu dipercaya Penyelesaian contoh soal C.1. ηcarn!=1-Q2Q1=1-T2T1=1-"00$00=1$%100&=20&
W=10" /oule Q1=" 10" !oule W=Q1-Q2 10"=" 10"-Q2
Q2=" 10"-10"=( 10"
η=1-( 10"" 10"=1-("100&=2$& η)*n>ηcarn! /adi iklan tidak dapat dipercaya /ontoh soal /*
3agaimana halnya dengan iklan yang mena&arkan mesin bere"isiensi 20 beker!a dengan reservoir 600 % dan B00 % Penyelesain soal C.2.
ηcarn!=1-Q2Q1=1-T2T1
&=$$& =1-"0000100 ηcarn!=(0& η)*n.ηcarn! /adi iklan dapat dipercaya
/ontoh soal /!
1#
3uktikan bah&a kurva adiabatic gas ideal lebih tegak daripada kurva isotermikF Penyelesaian soal C.3.
Pada proses isotermik PV=C Pada proses adiabatic PV/=CI
P=CV=CV-I dPdV=-CV-2=-CV2=-PV P=C'V/C'V-/ dPdV=-/C'V-/-I=-/C'V/+1 =-/PV %arena /=CCV selalu G 1 maka kurva adiabatic gas ideal lebih tegak dari pada kurva isotermik gas ideal.
.
MESIN 8ENSIN si%lus oto;
12
Siklus tto merupakan siklus dari 6 proses
1-2W1=-342-41 2-(Qn= 354(-426 (-"W2=-34"-4( "-1Q7!= 341-4" E"isiensi mesin
η=WQn η=-342-41-34"-4(34(-42 =-42+41-4"+4(4(-42 η=1-4"-4154(-T26
16
%ita amati proses adiabatik 1-2 dan (-"
41V1/-1=42V2/-1 4241=V1V2/-1
4(V2/-1=4"V1/-1 4(4"=V1V2/-1
4241=4(4" 4"=414(42 4"-414(-42=414(424(-42=414(-4142424(-4242 =41424(-424(-42 =4142 η=1-4142 Untuk r=10 dan /=1," e"isiensi mesin kira kira :0 makin besar perbandingan kompresi semakin besar e"isiensinya
η=1-V2V1/-1 V1V2=*rbandn8an 9)r*=r η=1-1r/-1 1Mesin 8ensin ada dua macam,yaitu
esin dua tak dan mesin empat tak a.
Mesin 2ua ta% Dua Lan.%ah;
esin ini dimulai dari titik 1, ampuran bahan bakar (bensin) dengan udara (oksigen) dikompresi sampai titik # (tekanan dan suhu naik).;ari titik # ke 2 ter!adi percikan bunga api listrik,sehingga ter!adi ledakan,suhu dan tekanan naik secara drastis. +angkah # dari titik 2 ke 6 melakukan usaha yang sebenarnya (suhu dan tekanan turun).Sebelum mencapai titik 6 ter!adi pembuangan sisa pembakaran.Selan!utnya proses berlangsung seperti semula.
b.
Mesin Em3at $a% Em3at Lan.%ah;
Proses dimulai dari titik 0 ke 1 (langkah 1),merupakan proses pemasukan
19
bahan bakar. Proses 1 H # (langkah #), pemampatan campuran udara dan bahan bakar (suhu dan tekanan naik) Proses # H 2,ter!adi percikan bunga api listrik sehingga ter!adi ledakan (suhu dan tekanan naik drastis) Proses 2 H 6 (langkah 2 ), merupakan usaha sebenarnya (suhu dan tekanan turun ) Proses 6 H 1 , pembungan sisa pembakaran Proses 1 H 0 (langkah 6) ,kembali pada volume a&al(pembersihan sisa pembakaran ) esin bensin diatas baik dua tak maupun empat tak adalah merupakan siklus yang ideal.Sebenarnya dalam kenyataan tidaklah demikian karena proses berlangsung sangat cepat.
;.
MESIN DIESEL Si%lus Ran%ine;, MESIN SOLAR
Pada mesin diesel ini tidak menggunakan busi tetapi tetap ada penyulutan 1 kali,tetapi pada mesin bensin ter!adi beberapa kali. esin diesel yang ideal adalah mesin siklus ankine.esin diesel berbahan bakar minyak solar. Si%lus
Mesin
Diesel
Si%lus
Ran%ine;
Proses 1-#7 bahan bakar masuk dan dikompresi secara adiabatis :,T naik. Proses
#-27
ter!adi pembakaran
dengan sekali percikan bunga api (kalor masuk Q1) dan melakukan usaha W2 !*!a V na9 Proses
2-6
7
melakukan
usaha
sebenarnya W( Proses
6-1
7
pembuangan
pembakaran Q2 keluar.
1:
sisa
E0isiensi Mesin Diesel
Proses 1 H #, W1=-342-41 Proses # H 2, W2=2V(-V2=(V(-V2 Pada proses ter!adi usaha sebenarnya.
;U=34(-42 Qn=34(-42+(V(-V2 Proses 2 - 6, W(=-v4"-4( Proses 6 H 1, Q7!=CvT1-T"
η=
η=1-1/T"-
T1T(-T2 leh karena langkah 1 H # dan 2 H 6 merupakan proses adiabatis,maka berlaku persamaan 7
T1T2=V2V1/-1 dan P2P1=V1V2/ Sehingga
P"P(=V(V"/=V2VV(V2/=V2V(V1V2/ aka
T"T1=T"V"RP1V1R=P"V"P1V1=P"P1 =P"P(P2P(P2P1=P"P2P(P1 =V2V1V(V2/V1V2/=V(V2/ ;an
T(T2=P(V(RP2V2R=P(V(P2V2=V(V2 Sehingga e"isiensi mesin diesel 1<
η=1-1/V2V1/-1V(V2/-1V(V2-1 3esar V1V2 disebut perbandingan kompresi r dan perbandingan V(V2 sebagai @cut o" ratio @ =rc Perbandingan
kompresi
V1V2 kira kira 19 dan
perbandingan V(V" kira kira 9,dengan y=1,6 E"isiensi mesin diesel kurang lebih 9:
η=1-1rr-1rc/-1/rc-1
15
