134: Fisika SMA: Mesin Kalor

Dari pembahasan sebelumnya tampak bahwa jika gas melakukan proses dalam satu siklus maka kerja total yang dihasilkan dapat berharga positif atau negatif. Kerja yang berharga negatif menunjukkan bahwa gas melakukan kerja pada lingkungan. Jika siklus proses dapat dilakukan berulang-ulang maka gas akan melakukan kerja terus-menerus pada lingkungan.

Untuk memanfaatkan kerja yang dilakukan oleh gas tersebut orang lalu merancang mesin, yang dikenal dengan mesin kalor. Dalam mesin ini gas diatur untuk melakukan siklus proses secara terus menerus. Kerja yang dihasilkan gas digunakan untuk memutar mesin, yang kemudian dapat diubah ke energi bentuk lain seperti energi listrik, menggerakkan roda kendaraan, dan lain-lain. Contoh mesin kalor adalah mesin kendaraan bermotor, turbin, mesin jet, dan sebagainya.

Agar gas dalam mesin kalor dapat melakukan proses siklus terus menerus, maka gas tersebut perlu menyerap kalor. Sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja (menggerakkan mesin) dan sisanya dibuang. Contohnya, dalam mesin kendaraan, kalor diserap dari proses pembakaran bahan bakar dan sisa kalor dibuang ke lingkungan udara luar.

Untuk memudahkan pembahasan, maka mesin kalor dikelompokkan atas tiga bagian utama seperti dilustrasikan pada Gambar 134.1.

a) Ruang pembakaran, yaitu tempat dengan suhu sangat tinggi dinyatakan dengan reservoir bersuhu tinggi.

b) Udara di mulut tempat pembuangan hasil pembakaran dinyatakan dengan reservoir bersuhu renda.

c) Piston dan penggerak lainnya yang menghasilkan kerja disimbolkan dengan bentuk lingkaran.

Proses dalam satu siklus sebagai berikut:

a) Kalor yang berasal dari ruang pembakaran (reservoit bersuhu tinggi), \( Q_1 \) menggerakkan piston

b) Sebagian energi kalor tersebut diubah menjadi energi gerak piston, \( W \).

c) Sebagian lainnya dibuang ke reservior bersuhu rendar (contohnya udara yang keluar di knalpot), \( Q_2 \).

Gambar 134.2 adalah skema lengkap mesin kalor beserta arah aliran kalor.

Karena energi bersifat kekal, maka berlaku persamaan

\( Q_1 = W + Q_2 \quad \quad \quad \quad \quad \quad (134.1) \)

Efisiensi

Mesin kalor yang baik adalah mesin yang sanggup menghasilkan kerja sebesar-besarnya dari kalor yang diserap. Oleh karena itu kita kenalkan konsep efisiensi. Efisiensi mengukur kemampuan suatu mesin mengubah kalor yang diserap dari reservoir panas menjadi kerja. Untuk maksud tersebut, efisiensi didefinisikan sebagai

\( \epsilon = {W \over Q_1} \times 100 \% \quad \quad \quad \quad \quad \quad (134.2) \)

***********

Contoh 134.1

Kalor pembakaran (kalor yang dihasilkan dari pembakaran) bahan bakar bensin adalah 47,3 kJ/g. Massa jenis bensin adalah 748 kg/m³. Toyota Avanza yang dikendarai dari Jakarta-Pekalongan dengan kecepatan 120 – 160 km/jam mengonsunmsi 1 liter bahan bakar untuk tiap 9,5 km perjalanan (Gambar 134.3).  Gaya gesekan yang bekerja pada kendaraan pada kecepatan tersebut sekitar 852 N.  Berapakah efisiensi mesin mobil tersebut?

Jawab

Apa yang mau kita cari terlebih dahulu?

Kita cari kerja total dan kalor yang dihasilkan bahan bakan selama menempuh perjalana 9,5 km. Selama jarak ini, bahan bakar yang digunakan adalah 1 liter.

Kita ambil kecepatan rata-rata adalah (120 + 160)/2 = 140 km/jam. Jadi

\( v = 140 \times 1.000/3.600 = 38,9 \) m/s

Kita hitung dulu kalor dari hasil pembakaran bahan bakar. Kalor yang dihasilkan dari tiap pembakaran 1 kg besin adalah

\( q = 47,3\) kJ/g = \( 47.300 \times 1000 = 47.300.000 \) J/kg

Bahan bakar yang dikonsumsi adalah 1 liter. Massa bahan bakar adalah

\( m = \rho V = 749 \times (1/1.000) = 0,749 \) kg

Kalor yang dihasilkan dari pembakaran adalah

\( Q = m q = 0,749 \times 47.300.000 = 35.427.700 \) J

Kalor ini adalah kalor yang dihasilkan resevoir suhu tinggi (kalor dalam ruang pembakaran)

Selanjutnya kita hitung kerja yang dilakukan mesin. Mesin melakukan kerja guna mengatasi gaya gesekan yang dihasilkan jalan maupun udara. Kerja tersebut besarnya

\( W = F s \)

di mana

\( F = 852 \) N

dan

\( s = 9.500 \) m

Jadi

\( W = 852 \times 9.500 = 8.094.000 \)

Akhirnya efisiensi mesin kendaraan adalah

\( \eta = {W \over Q} = {8.094.000 \over 35.427.700 } \)

\( = 0,23 \) = \( 23 \% \)

Sumber gambar fitur: Can Stock Photo