Mesin Carnot (Siklus Carnot)

Mesin carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus revesibel yang di sebut siklus Carnot mesin uap ini ditemukan oleh seorang insinyur Perancis bernama Nicolas Leonard Sardi Carnot.

Gambar diatas merupakan diagram dari siklus carnot. Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi pada siklus Carnot yakni :

Pada langkah pertama, gas mengalami Ekspansi isotermal reversibel. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan sejumlah beban diatas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung,Temperatur sistem tidak berubah, namun volumesistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2 , sejumlah kalor dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.

Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses Ekspansi adiabatis reversibel. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang yang keluar atau masuk kedalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan mengurangi beban yang ada diatas piston. Akibatnya,  Temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.

Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 dan mengalami proses Kompresi isotermal reversibel. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah menyentuh dasar silinder dan jumlah beban diatas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperatur tetap, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4 sejumlah kalor dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.

Pada langkah keempat, gas mengalami proses Kompresi adiabatis reversibel dan keadaannya berubah dari keadaaan 4 ke keadaan 1. Jumlah beban diatas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang yang keluar atau masuk kedalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya bekurang.

Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energy listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umumditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankineadalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Air menjadi fluida kerja siklus rankine dan mengalami siklus tertutup (close-loop cycle) artinya secara konstan air pada akhir proses siklus masuk kembali ke proses awal siklus. Pada siklus rankine, air ini mengalami empat proses sesuai dengan gambar di atas, yaitu:

Proses C-D: Fluida kerja / air dipompa dari tekanan rendah ke tinggi, dan pada proses ini fluida kerja masih berfase cair sehingga pompa tidak membutuhkan input tenaga yang terlalu besar. Proses ini dinamakan proses kompresi-isentropik karena saat dipompa, secara ideal tidak ada perubahan entropi yang terjadi.

Proses D-F: Air bertekanan tinggi tersebut masuk ke boiler untuk mengalami proses selanjutnya, yaitu dipanaskan secara isobarik (tekanan konstan). Sumber panas didapatkan dari luar seperti pembakaran batu bara, solar, atau juga reaksi nuklir. Di boiler air mengalami perubahan fase dari cair, campuran cair dan uap, serta 100% uap kering.

Proses F-G: Proses ini terjadi pada turbin uap. Uap air kering dari boiler masuk ke turbin dan mengalami proses ekspansi secara isentropik. Energi yang tersimpan di dalam uap air dikonversi menjadi energi gerak dikonversi menjadi energi gerak pada turbin.

Proses G-C: Uap air yang keluar dari turbin uap masuk ke kondensor dan mengalami kondensasi secara isobarik. Uap air diubah fasenya menjadi cair kembali sehingga dapat digunakan kembali pada proses siklus.

Gambaran siklus melalui diagram T-S di atas adalah siklus rankine yang paling dasar dan sederhana. Pada penggunaannya ada beberapa modifikasi proses sehingga didapatkan efisiensi termal total yang lebih tinggi. Seperti penggunaan preheater atau pemanasan awal sebelum masuk boiler, dan juga penggunaan pemanasan ulang uap air yang keluar dari turbin pertama (high pressure turbine) sehingga dapat digunakan lagi untuk masuk ke turbin kedua (intermediate pressure turbine). Untuk lebih mudah memahaminya dapat kita lihat skema prosesnya pada gambar di bawah ini.

Mesin Bensin (Siklus Otto)

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Mesin ini di temukan oleh Nichollus Otto.

Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan.

Langkah isap (0-1) merupakan proses tekanan konstan.

Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropik.

Proses pembakaran volume-konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.

Langkah kerja (3-4) ialah proses isentopik.

Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume-konstan.

Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan.

Siklus dianggap ’tertutup’, artinya siklus ini berlangsung dengan fluida kerja yang sama atau gas yang berbeda di dalam silinder pada titik 1 dapat dikeluarkan dari dalam silinder pada waktu langkah buang, tetapi pada langkah isap berikutnya akan masuk sejumlah fluida kerja yang sama.

Siklus Diesel

Siklus Diesel adalah siklus ideal untuk mesin torak pengapian-kompresi. Berfungsi mengkonversikan energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar menjadi energi mekanis dan prosesnya terjadi di dalam ruang yang tertutup. Mesin ini di temukan oleh Rudolf Diesel.

Langkah (0-1) adalah langkah hisap udara, pada tekanan konstan.

Langkah (1-2) adalah langkah kompresi, pada keadaan isentropik.Langkah (2-3) adalah langkah pemasukan kalor, pada tekanan konstan.

Langkah (3-4) adalah langkah ekspansi, pada keadaan isentropik.

Langkah (4-1) adalah langkah pengeluaran kalor, pada tekanan konstan.

Langkah (0-1) adalah langkah buang, pada tekanan konstan.

Dalam kenyataannya tiada satu pun merupakan siklus volume-konstan, siklus tekanan-konstan, atau siklus tekanan-terbatas. Hal ini dikarenakan adanya penyimpangan, dan penyimpangan dari siklus udara ideal itu terjadi karena dalam keadaan yang sebenarnya terjadi kerugian yang antara lain disebabkan oleh hal berikut:

Kebocoran fluida kerja karena penyekatan oleh cincin torak dan katup tak dapat sempurna.

Katup tidak di buka dan ditutup tepat di TMA dan TMB karena pertimbangan dinamika mekanisme katup dan kelembaman fluida kerja. Kerugian tersebut dapat diperkecil bila saat pembukaan dan penutupan katup disesuaikan dengan besarnya beban dan kecepatan torak.

Fluida kerja bukanlah udara yang dapat dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung.

Pada motor bakar torak yang sebenarnya, pada waktu torak berada di TMA, tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara. Kenaikan tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran antara bahan bakar dan udara di dalam silinder.

Proses pembakaran memerlukan waktu, jadi tidak berlangsung sekaligus. Akibatnya, proses pembakaran berlangsung pada volume ruang bakar yang berubah-ubah karena gerakan torak. Dengan demikian, proses pembakaran harus sudah dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum torak mencapai TMA dan berakhir beberapa derajat sudut engkol sesudah torak bergerak kembali dari TMA menuju TMB. Jadi, proses pembakaran tidak dapat berlangsung pada volume atau pada tekanan yang konstan. Di samping itu, pada kenyataannya tidak pernah terjadi pembakaran sempurna. Karena itu daya dan efisiensinya sangatlah bergantung kepada perbandingan campuran bahan bakar-udara, kesempurnaan bahan bakar-udara itu bercampur, dan saat penyalaan.

Terdapat kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin, terutama pada langkah kompresi, ekspansi, dan pada waktu gas buang meninggalkan silinder. Perpindahan kalor tersebut terjadi karena terdapat perbedaan temperatur antara fluida kerja dan fluida pendingin. Fluida pendingin diperlukan untuk mendinginkan bagian mesin yang menjadi panas, untuk mencegah bagian tersebut dari kerusakan.

Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke atmosfer sekitarnya. Energi tersebut tak dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja mekanik.

Terdapat kerugian energi karena gesekan antara fluida kerja dengan dinding salurannya.

Berdasarkan semua hal di atas, bentuk diagram P-v dari siklus yang sebenarnya tidak sama dengan bentuk diagram siklus ideal.