Mesin Pendingin dan Hukum Termodinamika 2

Mesin pendingin

Oke jadi gini gan,kita disini akan mempelajari tentang Mesin pendingin.

Mesin pendingin merupakan mesin kalor yang bekerja terbalik. Jadi mesin kalor mengambil kalor dari tempat yang bersuhu rendah dan membuang kalor tersebut ke tempat yang bersuhu tinggi. 

Dengan melakukan usaha W pada sistem (pendingin), sejumlah kalor Q₂ diambil dari reservoir bersuhu rendah T₂ . Kemudian, sejumlah kalor Q₁ dibuang ke reservoir bersuhu tinggi T₁.  Ukuran kemampuan sebuah mesin pendingin dinyatakan sebagai koefisien daya guna (koefisien performansi) yang diberi lambang K_p dan dirumuskan dengan persamaan :

K_r = Q₂ / W                                   

Oleh karena usaha yang diberikan pada mesin pendingin tersebut dinyatakan dengan W = Q₁ - Q₂, Persamaan diatas dapat ditulis menjadi :

K_r = Q₂ / (Q₁ - Q₂)                       

Jika gas yang digunakan dalam sistem mesin pendingin adalah gas ideal, Persamaan  dapat dituliskan menjadi : 

K_p = T₂ / (T₁ - T₁)                     

Lemari es dan pendingin ruangan memiliki koefisien performansi dalam jangkauan 2 sampai dengan 6. Semakin tinggi nilai KP, semakin baik mesin pendingin tersebut.

Agar proses ini bisa terjadi maka mesin harus melakukan kerja. Bagaimanapun kalor secara alami hanya mau mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Kalor tidak mungkin mengalir dengan sendirinya dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu tinggi. Hal ini sesuai dengan penyataan Clausius yang telah diulas sebelumnya. Untuk proses yang terjadi pada mesin pendingin, pernyataan Clausius sebelumnya bisa ditulis dalam pernyataan berikut :

Tidak mungkin ada mesin pendingin (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat memindahkan kalor dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu tinggi, tanpa disertai dengan usaha (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius).

Tulisan yang dicetak miring ini merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Pernyataan ini hanya berlaku untuk mesin pendingin. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energipada mesin pendingin tampak seperti diagram dibawah.

Mesin melakukan kerja (W) untuk mengambil kalor dari tempat bersuhu rendah (Q_L) dan membuang kalor tersebut ke tempat bersuhu tinggi (Q_H). Berdasarkan kekekalan energi bisa disimpulkan bahwa Q_L + W = Q_H.

Kalau dalam mesin kalor digunakan istilah efisiensi, maka dalam mesin pendingin digunakan istilah koefisien kinerja (KK). Koefisien kinerja (KK) mesin pendingin merupakan perbandingan antara Kalor yang dipindahkan dari tempat bersuhu rendah (Q_L) dengan kerja (W) yang dilakukan untuk memindahkan kalor tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Ket : 
KK = Koefisiensi Kinerja
QL = Kalor Suhu Rendah
QN = Kalor Suhu Tinggi
W   = Usaha

Jika ingin menyatakan koefisien kinerja mesin pendingin dalam persentase, kalikan saja persamaan ini dengan 100 %. Koefisien Kinerja mesin pendingin ideal (Koofisien kinerja pendingin Carnot) :

Ket :
KK = Koefisien Kinerja
TL  = Suhu Rendah
TN = Suhu Tinggi

Terdapat beberapa mesin pendingin yang biasa kita gunakan, antara lain kulkas, AC (pendingin ruangan) dan pompa kalor.

Kulkas

Kondensor = pengubah uap menjadi cair, kompresor = penekan. Gulungan pendingin biasanya berada di dalam kulkas, sedangkan gulungan kondensor berada di luar kulkas (di belakang kulkas).

Di dalam gulungan terdapat fluida yang berada dalam keseimbangan fase (berada dalam wujud cair dan uap). Fluida tersebut dikenal dengan julukan refrigeran. Refrigeran yang biasa digunakan pada masa lalu adalah freon. Saat ini freon tidak digunakan lagi karena pelepasan zat ini dapat merusak lapisan ozon.

Motor kompresor (digerakkan oleh listrik) menyedot refrigeran (dalam wujud uap) dan menekannya secara adiabatik. Karena ditekan secara adiabatik maka suhu uap meningkat. Karena suhu meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Adanya perbedaan suhu antara kompresor (suhu tinggi) dan kondensor (suhu rendah) menyebabkan uap yang bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi mengalir melewati gulungan kondensor yang berada di belakang kulkas.

Suhu uap lebih tinggi daripada suhu udara sekitar sehingga ketika mengalir melalui gulungan kondensor, uap melepaskan kalor ke udara sekitar. Karena dikondensasi oleh kondensor maka uap mendingin dan berubah menjadi cair. Ketika mengalir melalui katup pemuai, refrigeran yang sudah berubah menjadi cair dimuaikan secara adiabatik. Adanya pemuaian adiabatik menyebabkan cairan menjadi semakin dingin (suhunya menurun). Cairan dingin mengalir di dalam gulungan yang berada di dalam kulkas. Karena cairan dalam gulungan lebih dingin daripada udara dalam kulkas maka kalor diserap cairan hingga refrigeran berubah wujud menjadi uap (cairan menyerap kalor dalam kulkas). Refrigeran yang sudah menjadi uap disedot oleh motor kompresor dan ditekan secara adiabatik. Dan seterusnya… (prosesnya diulangi lagi). Karena kalor yang berada di dalam kulkas bergerak menuju cairan yang berada di dalam gulungan maka kulkas menjadi dingin.

AC (penyejuk ruangan)

Walaupun rancangan alatnya berbeda, pada dasarnya prinsip kerja penyejuk ruangan mirip seperti kulkas. Untuk kasus ini, isi kulkas adalah sebuah ruangan. Biasanya gulungan pendingin berada di dalam ruangan sedangkan gulungan kondensor berada di luar ruangan. Pada bagian belakang gulungan kondensor terdapat kipas. Tugas kipas hanya mengatur sirkulasi udara dan meniup gulungan kondensor sehingga perpindahan kalor dari gulungan kondensor dan udara sekitar bisa terjadi lebih cepat. Sebaliknya, di bagian belakang gulungan pendingin terdapat blower alias peniup. Tugasnya mirip seperti kipas.. Kalau kipas meniup gulungan kondensor yang ada di luar ruangan sehingga kalor menuju udara sekitar, maka blower meniup gulungan pendingin yang ada di dalam ruangan sehingga udara dingin bisa menyebar dalam ruangan.

Pompa Kalor

Pompa kalor biasanya digunakan di daerah bermusim dingin. Prinsip kerja pompa kalor mirip seperti mesin pendingin. Bedanya, mesin pendingin merupakan alat yang digunakan untuk mendinginkan ruangan, sedangkan pompa kalor digunakan untuk menghangatkan ruangan. Kalau mesin pendingin melakukan kerja untuk mengambil kalor di dalam ruangan (Q_L) dan membuangnya ke luar ruangan (Q_H), maka pompa kalor mengambil kalor di luar ruangan (Q_L) dan membuangnya ke dalam ruangan (Q_H). Adanya tambahan kalor menyebabkan ruangan menjadi lebih hangat. Ketika musim panas tiba, pompa kalor bisa dibalik menjadi penyejuk ruangan (AC).

Contoh Soal:

1. Sebuah lemari es memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang di luar lemari es adalah 28 °C, berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es yang dapat diperoleh?

Diketahui: 
Kp = 6, dan 
T1 = 28° C.
Ditanya :
T2 = ?

Jawab :
Koefisien performansi maksimum diperoleh sebagai berikut:

Kp = T2/(T1-T2)
dengan T1 adalah suhu tinggi dan T2 adalah suhu rendah. Dari persamaan tersebut diperoleh

(KP) T1 – (KP) T2 = T2

(KP) T1 = (1 + KP) T2

T2 = [Kp/(Kp+1)] T1

Dari soal diketahui T1 = (28 + 273) K = 301 K dan KP = 6,0 sehingga suhu paling rendah di dalam lemari es T2 dapat dihitung.

T2 = [6/(6+1)]  x  300 K

T2 = 258 K atau –15 °C.

2. Suhu di dalam ruang mesin pendingin -3°C dan suhu udara luar 27°C. Setiap detik, kalor yang dilepaskan mesin pendingin adalah 450 J. Besarnya daya listrik rata-rata yang dibutuhkan oleh mesin pendingin tersebut adalah...

Diketahui:
T1 = -3°C = -3 + 273 = 270 K
T2 = 27°C = 27 + 273 = 300 K
Q1 = 450 J/detik

Ditanya: Daya listrik rata-rata?

Jawab:
Kita cari dulu usahanya.
W/Q1 = (T2/T1) - 1
W/Q1 = (300/270) - (270/270)
W/Q1 = 30/270
W/Q1 = 1/9
W = (1/9) x Q1
W = (1/9) x 450
W = 50 J

Lalu cari dayanya.
P = W/t
P = 50 J/1s
P = 50 Watt

Terimakasih...
Semoga dapat menambah wawasan...

Anggota kelompok :

1. Bagus Sanjaya

2. Haidar Maula Reynaldy

3. Haman Sadikien