BUKU AJAR

BUKU AJAR

JUDULMESIN KONVERSI ENERGIBASYIRUN, S.Pd.,MTDRS. WINARNO DR, M.PD.KARNOWO.ST.,MT

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

PKUPT UNNES/PUSAT PENJAMIN MUTUTAHUN 2008

KATA PENGANTAR

Buku Ajar Mesin Konversi Energi ini memaparkan teori dasar konversi energi danditambah dengan penjelasan kontruksi-kontruksi mesin pada setiap bab. Pada bab-bab awaldipaparkan ilmu-ilmu dasar meliputi mekanika fluida, termodinamika, perpindahan panas,dan sumber-sumber energi yang mendasari teori mesin konversi energi.Fokus pembahasan didalam buku ajar MKE ini adalah mesin mesin yang mengkonversisumber-sumber energi yang tersedia di alam untuk menghasilkan energi yang dapatdimanfaatkan. Dengan demikian, mesin-mesin seperti penukar kalor, pompa, dankompresor, tidak dibahas detail dalam mata kuliah ini. Mesin-mesin tersebut dianggapsebagai alat bantu untuk pengoperasian mesin-mesin konversi dan dibahas padaperkuliahan awal. Mesin–mesin panas, seperti motor bakar, turbin gas, dan turbin uapdibahas lebih awal, kemudian turbin air da mesin refrigerasi

BAB 1 DASAR PROSES KONVERSI ENERGI

Pengetahuan dasar tentang termodinamika, perpindahan panas dan mekanikafluida sangat membantu para calon calon operator dan staf pemeliharan mesin mesinindustri. Konsep konsep dasar akan dipakai dalam pemahaman prinsip-prinsip dasarkerja mesin mesin industri.. Pembahasan tidak dipresentasikan secara menyeluruh, tetapi ditekankan pada hal-hal khusus saja yang berkenaan dengan konsep dasar. Untuk pembahasan yangmenyeluruh pembaca bisa merujuk pada buku teks yang ada pada daftar pustaka.

1.1 Termodinamika

Ilmu termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan panas dengan kerja.Dua besaran tersebut adalah sangat penting untuk dipahami karakeristiknya untukpemahaman dasar keteknikan. Jadi jelas pengetahuan dasar termodinamika sangatpenting, karena dipakai untuk menganalisa kondisi operasi berbagai alat atau mesin yangberhubungan dengan panas dan kerja.

A. Sistem termodinamika

Untuk menganalisa mesin-mesin panas atau mesin-mesin fluida, mesin-mesintersebut disebut dengan

benda kerja.

Fluida atau zat alir yang dipakai pada benda kerjadisebut dengan

fluida kerja

. Sebagai contoh untuk pompa sebagai benda kerja, fluidakerjanya adalah zat cair (air, oli ), sedangkan kompresor fluida kerjanya adalah udara.Untuk membedakan benda kerja dengan lingkungan sekitarnya, benda kerja seringdisebut dengan

sistem

, yaitu setiap bagian tertentu, yang volume dan batasnya tidakperlu tetap, dimana perpindahan dan konversi energi atau massa akan dianalisa. Adapunistilah istilah yang sering disebut adalah sebagai berikut.

Batas sistem

adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan lingkungannya

Sistem tertutup

yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran energiatau massa, dengan kata lain energi atau massa tidak melewati batas-batas sistem.

Sistem terbuka

yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau melawati batas-batas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi

B. Besaran-besaran sistem termodinamika dan keadaan sistem

Dalam pembahasan setiap masalah yang berhubungan dengan kejadian-kejadianalam atau suatu proses fisika alam, untuk memudahkan pemahaman masalah tersebut,pemodelan matematis banyak digunakan. Pemodelan matematik adalah suatu metodeuntuk mecari hubungan antara faktor-aktor fisik yang satu dengan yang lainnyamenggunakan simbol-simbol dan koordinat matematik. Dengan pemodelan tersebut, akanketemu suatu rumusan matematik yang bisa mewakili permasalahan fisik secarakwantitatifDalam ilmu termodinamika koordinat-koordinat atau besaran fisik akan selalumelingkupi semua rumusan termodinamika adalah

Voume

V 

,

Temperatur

T 

,

Tekanan

p 

,

Kerapatan

 ρ 

dan

besaran-besaran lainnya. Besaran- besaran ini akan mempengaruhiberbagai keadaan sistem termodinamika. Misalkan, sistem motor bakar akan berubahkeadaannya apabila tekanan p kompresinya turun, yaitu tenaga yang dihasilkanberkurang. Perubahan keadaan temodinamika digambarkan pada grafik hubungantekanan dengan volume atau dengan tekanan. Contoh perubahan keadaan

termodinamika yaitu perubahan keadaan pada temperatur tetap ( isotermis),penggambarannya pada grafik p-v dan p-t adalah sebagai berikut

`vc

Gambar 1.1 Grafik proses keadaan termodinamikDari gambar diatas terlihat bahwa terjadi perubahan besaran pada keadaan satu kekeadaan dua. Perubahan tersebut akan tetap berlangsung sebelum ada porses keadaanyang lainnya. Proses keadaan selalu mempunyai satu ada lebih karakteristik yangspesifik. Sebagai contoh untuk proses keadaan isotermis, karakteristik yang pasti khususadalah tidak ada perubahan temperatur selama proses.Dalam termodinamika, besaran sistem dibagi menjadi dua yaitu besaran eextensive,dan besaran intensive. Adapaun definisi masing-masing besaran adalah sebgai beikut.

[1]

Besaran

ekstensif

, adalah besaran yang dipengarui oleh massa atau molsisitem. Contoh volume, kapasitas panas, kerja, entropi. Dari besaran-besaranekstensive diperoleh harga-harga jenis ( spesifik value). Harga jenis adalahperbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem atau zat.

sistemmassaekstensif besaran jenisHarga

=

 Contoh

massavolume jenisVolume

=

,

massaKapasitas jenisKapasitas

=

[2]

Besaran

intensif

, adalah besaran yang tidak dipengarui oleh massa sistem.Contoh tekanan, temperatur, dan lainnya

C. Besaran-besaran pokok termodinamika

Besaran

temperatur

dan

tekanan

adalah besaran yang menjadi pokok dari sistemtermodinamika, karena hubungan antar keduanya sangat penting untuk mecirikan proseskeadaan sistem. Disamping itu besaran temperatur dan tekanan adalah besaran dari hasilpengukuran secara langsung dari suatu proses keadaan sistem. Hal ini berbeda denganbesaran lainnya yang tidak berdasarkan pengukuran, tetapi diturunkan dari besarantemperatur dan tekanan. Sebagai contoh, kerja adalah besaran turunan dari tekanan atautemperatur.1. Kerja pada volume konstan

W 

=

T  Rm

∆

..

 2. Kerja pada tekanan kostan

W 

=

V

D. Bentuk-bentuk energi

Energi adalah suatu besaran turunan dengan satuan N.m atau Joule. Energi dankerja mempunyai satuan yang sama. Sedangkan kerja bisa didefinisikan sebagai usahauntuk memindahkan benda sejauh S (m) dengan gaya F (Newton). Sedang bentuk-bentukenergi lain dijelaskan dibawah ini :

Energi Kinetik

; energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, sebagaicontoh , mobil yang bergerak, benda jatuh dan lain-lain , maka energinya dapat ditulis

2

21

mV  EK 

=

Energi potensial,

adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya.Sebagai contoh,

energi potensial air

adalah energi yang yang dimiliki air karenaketinggihannya dari permukaan

Ep = m.g.h 

Sedang untuk

energi potesial pegas

adalah energi yang dimiliki oleh benda yangdihubungkan dengan pegas untuk berada pada kedudukan tertentu karena penarikanpegas.

Ep = 0,5.k.x 

2 

Energi mekanik

; adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik denganenergi potesial.

Em = Ek + Ep 

Adapun energi atau kerja mekanik pada mesin mesin panas, adalah kerja yang dihasilkandari proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Kerja mekanik (dW)tersebut sebanding dengan perubahan volume (dV) pada tekanan (p) tertentu.

V  pW 

∆=∆

 sebagai contoh energi ini secara sederhana adalah pergerakan piston, putaran porosenkol, dan lain lainGambar 1.2 Energi atau kerja pada pistonDan

energi mekanik

pada benda-benda yang berputar misalnya poros mesin mesinfluida ( turbin, pompa ,atau kompresor) adalah dinamakan

Torsi

yaitu energi yangdbutuhkan atau dihasilkan benda untuk berputar dengan gaya sentrifugal F dimana energitersebut pada r tertentu dari pusat putaran.

T= Fx r 

 

 6

Gambar 1.3 Energi mekanik poros turbin gas

Energi Aliran

; atau kerja aliran adalah kerja yang dilakukan oleh fluida yang mengaliruntuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.

W 

energi aliran 

= pV 

Panas (Q)

; energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan temperatur.Dengan c panas jenis pada tekanan konstan atau volume konstan, energi ini dirumuskan

T mcQ

∆=

Energi dalam

(U);

energi dari gas karena pergerakan pada tingkat molekul, pada gasideal hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.

Entalpi (H)

; sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan konstan,dengan

c 

p 

panas jenis pada tekanan konstan, dapat dirumuskan

T mc H 

 p

∆=∆

Energi yang tersedia

; bagian dari panas yang ditambahkan ke sistem yang bisa diubahmenjadi kerja. Perbandingan antara jumlah energi tersedia yang bisa diubah menjadikerja dengan energi yang dimasukan sistem adalah konsep Efisiensi.

E. Sifat energi

Energi di alam adalah kekal artinya energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkantetapi hanya bisa diubah dari energi satu ke energi lainnya (

Hukum kekekalan energi

).Ilmu yang mempelajari perubahan energi dari energi satu kelainnya adalah disebutdengan

ilmu konversi energi

. Tingkat keberhasilan perubahan energi adalah disebutdengan efisiensi. Adapun sifat-sifat energi secara umum adalah :1.

Transformasi energi

, artinya energi bisa diubah menjadi bentuk lain, misalkan energipanas pembakaran menjadi energi mekanik mesinGambar 1.4 Perubahan energi pada motor bakar

p

pistonsilinder

V  pW 

∆=∆

proses pembakaranmeghasilkan energipanasenergi mekanikenergi panasproses perubahan energi

r

Torsi= F x r (N.m)

Contoh yang lain adalah proses perubahan energi atau konversi energi pada turbindan pompa. Perubahan energi pada turbin adalah sebagai berikut, energi fluida (energikinetik fluida) masuk turbin dan berekspansi, terjadi perubahan energi yaitu dari energifluida menjadi energi mekanik putaran poros turbin. Kemudian, putaran poros turbinmemutar poros generator listrik, dan terjadi perubahan energi kedua yaitu dari energimekanik menjadi energi listrik.Gambar 1.5 Konversi energi pada pompa atau kompresorPada gambar 1.5B terlihat proses konversi energi dari energi listrik menjadi energifluida. Prosesnya yaitu energi listrik akan diubah menjadi energi mekanik pada motorlistrik, energi mekanik tersebut adalah putaran poros motor listrik yang akan diteruskan keporos pompa. Pada pompa terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi fluida, fluidayang keluar dari pompa mempunyai energi yang lebih tinggi dibanding sebelum masukpompa

uida masukfluida keluarputaran poros danimpeler pompa

gaya F ( N)gaya Fpergeseran S (m)

2.

Transfer energi,

yaitu energi panas (

heat 

) dapat ditransfer dari tempat satu ke tempatlainnya atau dari material satu ke material lainnyaGambar. 1.7 Tranfer energi panas dari tungku ke air di panci

3.

Energi dapat pindah

ke benda lain melalui sutu gaya yang menyebabkan pergeseran,sering disebut dengan energi mekanik, seperti yang telah dibahas di bab sebelumnya. W= FxSGambar 1.8 Energi mekanik pergeseran translasi ( linier

aya F

R

 

Torsi ( T )

= F x R 

 n

rev

= jumlah putaranW = (2

π 

.n

rev

.)xT

pompa propelerpompa sentrifugalkerja poroskerja poroskerja poroskerja porosmobilTurbin air

T = F x R 

W = FxS dengan S =

2

π 

r.n

rev

dan F =

r T 

, makaW =

r T 

2

π 

r.n

rev

= (2

π 

.n

rev

.)xT (

KERJA MEKANIK POROS