Mesin Kalor

Esensi dari masyarakat teknologis kita adalaha kemampuan untuk menggunakan sumber-sumber energi lebih banyak daripada kekuatan otot. Terkadang, energi mekanik tersedia secara langsung, sebagai contoh adalah daya air. Tetapi hampir seluruh energi dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil (batubara, minyak dan gas) dan dari reaksi nuklir. Persediaan energi  ini diubah menjadi panas. Panas (kalor) dapat secara langsung berguna untuk memanaskan ruangan, memasak, dan proses kimia, tetapi untuk menjalankan sebuah mesin atau kendaraan, kita membutuhkan energi mekanik.

Maka penting untuk diketahui bagaimana mengambil panas dari sebuah sumber dan mengubahnya sebanyak mungkin menjadi kerja atau energi mekanik. Hal inilah yang terjadi pada mesin bensin pada mobil, mesin jet pada peswat terbang, turbin uap pada pembangkit tenaga listrik dan banyak lagi sistem lainnya. Proses lain yang juga serupa yang terjadi pada dunia hewan, energi makanan “dibakar” (yaitu karbohidrat berkorbinasi dengan oksigen menghasilkan air, karbon dioksida, dan energi) dan sebagian diubah menjadi energi mekanik misalnya otot hewan yang melakukan kerja pada lingkungannya.

Perangkat apapun yang menguabh panas secara parsial menjadi kerja atau energi mekanik disebut mesin kalor (heat engine). Biasnya, sejumlah bahan di dalam mesin mengalami aliran panas masuk atau keluar, ekspansi dan kompresi, dan terkadang perubahan fasa. Kita dapat menyebut benda tersebut sebagai bahan kerja (working subtance) dari mesin. Pada mesin pembakaran dalam, bahan kerja adalah campuran dari udara dan bensin, sedangkan pada turbin uap, bahan kerja adalah air.

Jenis mesin paling sederhanan yang akan dianalisis adalah mesin dengan bahan kerja yang mengalami proses siklus (cycle process), yaitu serangkaian proses yang ‘mendaur’ bahan tersebut sehingga menghasilkan keadaan akhir yang sama dengan keadaannya saat proses dimulai. Pada turbin uap, air didaur ulang dan digunakan berkali-kali. Mesin pembakaran dalam tidak menggunakan udara yang sama berkali-kalienganalisis proses siklusnya yang mendekati operasi sebenarnya.

Gambar 1

Seluruh  mesin kalor menyerap panas dari sumber pada suhu relatif tinggi, melakukan sejumlah kerja mekanik, dan membuang atau mengeluarkan sejumlah panas pada suhu yang lebih rendah. Kalau kita tinjau dari sudut pandang mesin semata, panas yang terbuang menjadi sia-sia. Pada mesin pembakaran dalam, panas yang terbuang adalah panasa yang dikeluarkan pada gas keluaran yang panas dan pada sistem pendingin dalam turbin uap, panas yang terbuang adalah panas yang harus keluar dari uap yang terpakai untuk mengembunkan dan mendaur ulang air.

Ketika sebuah sistem mengalami proses siklus, energi-dalam awal dan akhir adalah sama. Untuk proses siklus manapun, hukum pertama termodinamika menuntut

Yaitu, selisih panas yang mengalir ke dalam mesin pada sebuah proses siklur setara detara dengan selisih kerja yang dilakukan oleh mesin.

Ketika kita mengalir ke dalam mesin pada sebuah proses siklus setara dengan selisih kerja yang bahan kerja mesinnya dapat berinteraksi. Salah satunya, disebut reservoir panas, benda yang bahan kerja mesinnya dapat beriteraksi. Salah satunya, disebut reservoir panas, melambangkan sumber panas yang dapat memberikan sejumlah besar panas pada bahan kerja dalam suhu konstan T₁ tanpa mengalami perubahan suhu. Benda lainnya, disebut reservoir dingin, dapat menyerap sejumlah besar panas yang terbuang dari mesin pada suhu konstan yang lebih rendah T₂. Pada sistem turbin-uap suber api dan gas panas pada pembakaran merupakan reservoir panas, sementara air dan udara dingin yang dipakai untuk mengembunkan dan mendinginkan uap yang terpakai merupakan reservoir dingin.

Kita dapat menggambarkan perubahan energi dalam sebuah mesin kalro dengan diagram aliran-energi (energy-flow diagram) pada gambar 1. Mesin itu sendiri direpresentasikan oleh lingkaran. Jumlah panas Q₁ yang diberikan pada mesin oleh reservoir panas sebanding dengan lebar pipa saluran masukkan pada bagian atas diagram. Lebar pipa saluran keluaran pada bagian bawah sebanding dengan lebar │Q₂│ dari panas yang dibuang pada keluaran. Garis cabang ke kanan mewakili bagian dari panas masukan yang diubah mesin menjadi kerja mekanik, W.

Ketika sebuah mesin mengulang siklus yang sama berkali-kali, Q₁ dan Q₂ menggambarkan kuantitas panas yang diserap dan dibuang oleh mesin selama satu siklus. Q₁ adalah positif, Q₂ adalah negatif. Panas total Q yang diserap per siklus adalah

 

Keluaran yang bermanfaat dari mesin adalah kerja total W yang dilakukan oleh bahan kerja. Berdasrkan hukum pertama,

Secara ideal, kita ingin menguabh seluruh panas Q₁ menjadi kerja, dalam beberapa kasus kita akan mempeeoleh Q₁ = W dan Q₂ = 0. Pengalaman membuktikan bahwa hal ini tidak mungkin. Akan selalu ada sejumlah panas yang terbuang, dan Q₂ tidak pernah nol. Kita mendefinisikan efisiensi termal (thermal efficency) dari mesin, dilambangkan dengan η, sebagai hasil bagi

efisiensi termal ini merepresentasikan fraksi dari Q₁ yang diubah menjadi kerja. Dengan kata lain, η adalah apa yang diperoleh dibagi dengan apa yang dikeluarkan. Hasilnya selalu lebih kecil daripada satu, sebuah hal yang sangat umum! Dalam hubungan diagram alir pada gambar 1, mesin yang palin efisien adalah mesin yang memiliki pipa saluran yang menunjukkan panas yang terbuang sekecil mungkin.

Jika kita mensubtitusikan kedua pernytaan untuk W pada persamaan (2) ke dalam persamaan (3), kita peroleh pernyataan lain dari η adalah

Perhatikan bahwa η adalah hasil bagi dari dua kuantitas energi sehingga merupakan angka, tanpa satuan. Tentu saja, harus selalu menyatakan W, Q₁ dan Q₂ dalam satuan yang sama.