Termodinamika Dalam Mesin Stirling [PDF]

Citation preview

TERMODINAMIKA DALAM MESIN STIRLING Rubertus Wahyudi (192012010), Marselina Puji Astuti (192012018), Istiyana Yumaroh (192012022), Anastasia Iin Lideaningrum (192012023), Toga Ari Harmawan (192012026)



Abstrak Sebagai aplikasi dari prinsip termodinamika yakni isothermis dan isokorik menggunakan bahanbahan sederhana yang dekat dengan kehidupan manusia mampu dibuat mesin stirling. Dalam skala besar mesin stirling dapat digunakan sebagai generator atau pembangkit listrik. Dengan memanfaatkan pergerakan piston yang naik-turun secara periodik dalam tabung tertutup yang dipanaskan dapat memutar kincir dari DVD yang telah dihubungkan dengan piston dengan sebuah kawat. Pergerakan piston dikarenakan udara dalam tabung tertutup yang dipanaskan memuai sehingga volumenya meningkat dan menghasilkan tekanan yang lebih besar dan mampu menekan piston ke atas. Agar piston dapat turun kembali udara yang telah memuai menyelinap keluar ke ruang kosong yang ada di atasnya sehingga volume udara menyusut dan piston kembali ke posisi semula. Proses ini berlangsung secara periodik. Kata kunci: piston, isokorik, isothermal



I.



PENDAHULUAN Termodinamika dengan hukumhukumnya dan beberapa konsep yang berkaitan dengannya seperti isotermal, isokhorik, adiabatik ataupun yang lainnya terkadang dianggap sebagai suatu hal yang sulit dimengerti oleh manusia awam. Sejatinya hal-hal tersebut sangat dekat dengan kehidupan manusia pada umumnya. Bahkan ada beberapa perlengkapan atau perlatan yang manusia gunakan terdapat prinsip termodinamika di dalamnya. Hanya saja mereka tidak menyadarinya. Berkaitan dengan prinsip thermodinamika ada sebuah alat yang berhubungan dengan hal itu salah satunya mesin stirling. Mesin stirling adalah mesin pembakaran eksternal yang menggunakan udara atau gas sebagai fluida kerjanya, bekerja berdasarkan prinsip thermodinamika. Mesin stirling ditemukan pada tahun 1816 oleh robert stirling. Pada mesin stirling bekerja dengan memanfatkan adanyan perubahan tekanan dan volume pada gas tertutup. Pada mesin ini dilengkapi dengan regenerator untuk menyimpan energi panas. Akibat panas ini



menyebabkan volume gas bertambah dan karena volume gas bertambah maka terjadi pula perubahan tekanan gas yang besar juga yang digunakan untuk menggerakkan piston mesin stirling. II. DASAR TEORI Mesin stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas siklus tertutup. siklus tertutup berarti bahwa fluida bekerja secara permanen terkurung di dalam sistem. Mesin stirling adalah mesin panas yang unik karena efisiensi teoretisnya mendekati efisiensi teoretis maksimum, yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin stirling bekerja memanfaatkan perubahan tekanan dan volume pada gas dalam sistem tertutup. Gas pada sistem dikontakan pada reservoir panas sehingga sistem menyerap panas. Panas yang dihasilkan disimpan di dalam sebuah regenerator. Akibat adanya panas ini menyebabkan volume gas bertambah. Karena sistem dalam keadaan tertutup maka tidak ada gas yang keluar sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan menimbulkan perubahan tekanan yang cukup besar. Tekanan yang



dihasilkan ini kemudian digunakan untuk menggerakan piston. Sementara itu gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dengan melepas panas pada saat bersamaan. Karena penurunan suhu ini volume gas berkurang dan sistem menerima kerja kompresi yang menyebabkan volume gas kembali ke keadaan awal. Keadan tersebut terjadi berulang secara periodik sehingga terjadi gerakan piston yang dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik dengan menghubungkannya ke turbin. Siklus mesin stirling terdiri atas empat tahap termodinamika, yaitu : perluasan isotermal, isokhorik, kompresi isotermal dan isokhorik. III. METODOLOGI Alat dan Bahan 1. Kaleng 2. Piston 3. Kawat Cara kerja Dalam mesin stirling dalam percobaan ini dibuat dengan menggunakan kaleng. Dimana kaleng-kaleng tersebut dipotong bagian atas dan dilubangi pada bagian kalengnya. Dan untuk membuat piston kami juga menggunakan kaleng dimana kaleng dibuat lembaran lalu disatukan kembalik berbentuk silinder yang ukurannya sesuai dengan tabung untuk meminimalisir supaya tidak ada udara yang berpindah dari ruang tabung satu ke tabung laiinya. Mesin stirling ini dibuat kearah vertikal.



IV. PEMBAHASAN Mesin stirling adalah salah satu aplikasi dari prinsip termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. Mesin stirling lebih sering dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin carnot yang ideal ialah yang dapat bekerja bolak-balik (reversible) yang terdiri dari empat proses yaitu dua proses



isotermal dan dua proses adiabatik. Proses reversible selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dengan lingkungannya.



Dalam siklus reversible grafik p-V mengalami perubahan dari keadaan A ke B. kurva p-V yang dibentuk oleh perubahan keadaan sistem dari A ke B dan dari B ke A adalah sama. Mesin stirling bekerja karena adanya perluasan gas ketika dipanaskan dan diikuti penyempitan gas ketika didinginkan. Prinsip kerja mesin stirling adalah memanfaatkan perubahan tekanan dan volume gas dalam sistem tertutup. Adapun bagian-bagian dari mesin stirling ini adalah sebuah tabung vertikal tertutup yang di dalamnya terdapat sebuh piston. Penampang piston yang ada di dalam tabung luas permukaanya hampir sama dengan permukaan tabung sehingga tabung tertutup tersebut seperti terbagi menjadi dua ruang tabung tertutup. Salah satu ruang tertutup terletak di bawah piston (ruang I) dan satu ruang tertutup lainnya ada di atas piston (ruang II) dan terdapat tangkai piston yang menghubungkan piston dengan keping DVD di luar tabung. Piston diatur sedemikian rupa agar piston dapat



bergerak (naik-turun) dengan licin meskipun luas penampangnya hampir sama dengan luas permukaan tabung sehingga meminimalisir gesekan antara piston dan dinding tabung. Pada saat bagian bawah mesin stirling yakni ruang tertutup di bawah piston dipanaskan maka gas yang ada dalam tabung tersebut suhunya akan naik. Semakin lama dipanaskan maka suhu gas akan semkin tinggi dan menyebabkan volume gas di dalam tabung bertambah karena mengalami pemuaian. Karena sistem dalam tabung yang dipanaskan adalah sistem tertutup maka tidak ada gas yang keluar dari tabung (jumlah gas dalam tabung tetap) sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan ini akan menghasilkan perubahan tekanan dalam tabung tersebut sehingga mampu mendorong piston bergerak ke atas.



secara periodik. Dengan demikian piston juga akan secara periodik bergerak naik turun. piston yang bergerak naik turun ini akan membuat keping DVD yang telah terhubung dengan piston ikut bergerak. Pergerakan piston yang secara berulang dan periodik naik-turun akan memutar keping DVD tersebut. Berikut ini adalah siklus pada mesin stirling saat piston bergerak naik dan kemudian turun lagi



Gas memiliki sifat bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah, sehingga gas dari ruang I berusaha menyusup ke ruang II yang tekanannya jauh lebih rendah dari ruang I dengan melepas panas . Pada saat yang bersamaan volume gas menyusut. Dengan menyusutnya volume piston akan turun kembali seperti keadaan awal. Pergerakan piston memindahkan gas antara dua sisi. Piston yang berpindah sebagai regenerator. Regenerator itu dapat membangkitkan kembali udara. Jika piston bergerak ke atas, regenerator dialirkan melalui udara hangat dan mengambil sebagian energi dari udara dan menyimpannya. Jika piston bergerak ke bawah, dialirkan melalui udara dingin dan mengeluarkan energi yang disimpan. Dengan regenerator, mesin stirling mencapai efisiensi sangat baik. Jika pemanasan terus dilakukan maka keadaan ini akan terjadi berulang-ulang



1. Titik 1-2 udara mengalami perluasan isotermal. Udara mengalami perluasan isotermal, pada temperatur konstan T1 dari v1 ke v2. Panas yang diberikan oleh sumber dari luar diserap selama proses pemanasan.



2. Titik 2-3 mengalami proses isokhorik. Udara lewat melalui regenerator dan didinginkan pada volume konstan ke temperatur T3. Pada proses ini kalor dibuang ke generator. 3. Titik 3-4 mengalami kompresi isotermal. Udara dikompresi secara isotermal di dalam tabung dari V3 ke V4. Panas kembali dibuang oleh udara. 4. Titik 4-1 mengalami isokhorik. Udara dipanaskan pada volume konstan ke temperatur T1 dengan melewatkan udara ke regenerator dalam arah yang berlawanan dengan proses 2-3. Pada proses ini panas diserap oleh udara dari regenerator. V.



KESIMPULAN Mesin stirling bekerja dengan pembakaran eksternal pada sistem tertutup sehingga gas hanya mengalami perluasan dan penyempitan volume. Dimana proses



kerjanya bersifat bolak-balik ketika dipanaskan terus-menerus secara periodik. Dalam termodinamika,



mesin stirling ini menggunakan proses isotermal dan isokhorik secara bergantian. VI. DAFTAR PUSTAKA  Michael J.Moran, HN.Saphiro. Fundamental of engineering thermodynamics. 2th john wiiley and son,1993.  Iqbal,Harry. Analisis Pembangkit Listrik Dengan Generator Stirling. Program Studi Teknik Elektro, Universitas Tanjungpura, Pontianak.