catatan engineer45

Dari e-LEARNING AE

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan jenis-jenis refrigerant dan mampu melakukan pemilihan refrigerant yang tepat. Cakupan dalam pokok bahasan ini meliputi refrigeran primer dan sekunder, sifat termofisik berbagai refrigeran, perbandingan atribut lingkungan dan atribut kinerja refigeran.

A. Pendahuluan

Refrigeran adalah fluida kerja yang bersirkulasi dalam siklus refrigerasi. Refrigeran merupakan komponen terpenting siklus refrigerasi karena refrigeran yang menimbulkan efek pendinginan dan pemanasan pada mesin refrigerasi. ASHRAE (2005) mendefinisikan refrigeran sebagai fluida kerja di dalam mesin refrigerasi, pengkondisian udara, dan sistem pompa kalor. Refrigeran menyerap panas dari satu lokasi dan membuangnya ke lokasi yang lain, biasanya melalui mekanisme evaporasi dan kondensasi.

Calm (2002) membagi perkembangan refrigeran dalam 3 periode: Periode pertama, 1830-an hingga 1930-an, dengan kriteria refrigeran "apa pun yang bekerja di dalam mesin refrigerasi". Refrigeran yang digunakan dalam periode ini adalah ether, CO2, NH3, SO2, hidrokarbon, H2O, CCl4, CHCs. Periode ke-dua, 1930-an hingga 1990-an menggunakan kriteria refrigeran: aman dan tahan lama (durable). Refrigeran pada periode ini adalah CFCs (Chloro Fluoro Carbons), HCFCs (Hydro Chloro Fluoro Carbons), HFCs (Hydro Fluoro Carbons), NH3, H2O. Periode ke-tiga, setelah 1990-an, dengan kriteria refrigeran "ramah lingkungan". Refrigeran pada periode ini adalah HCFCs, NH3, HFCs, H2O, CO2

.

R-134 R-1

Gambar 5-1. Refrigeran

Perkembangan mutakhir di bidang refrigeran utamanya didorong oleh dua masalah lingkungan, yakni lubang ozon dan pemanasan global. Sifat merusak ozon yang dimiliki oleh refrigeran utama yang digunakan pada periode ke-dua, yakni CFCs, dikemukakan oleh Molina dan Rowland (1974) yang kemudian didukung oleh data pengukuran lapangan oleh Farman dkk. (1985).

Setelah keberadaan lubang ozon di lapisan atmosfer diverifikasi secara saintifik, perjanjian internasional untuk mengatur dan melarang penggunaan zat-zat perusak ozon disepakati pada 1987 yang terkenal dengan sebutan Protokol Montreal. CFCs dan HCFCs merupakan dua refrigeran utama yang dijadwalkan untuk dihapuskan masing-masing pada tahun 1996 dan 2030 untuk negara-negara maju (United Nation Environment Programme, 2000). Sedangkan untuk negara-negara berkembang, kedua refrigeran utama tersebut masing-masing dijadwalkan untuk dihapus (phased-out) pada tahun 2010 (CFCs) dan 2040 (HCFCs) (Powell, 2002). Pada tahun 1997, Protokol Kyoto mengatur pembatasan dan pengurangan gas-gas penyebab rumah kaca, termasuk HFCs (United Nation Framework Convention on Climate Change, 2005).

Powell (2002) menerangkan beberapa syarat yang harus dimiliki oleh refrigeran pengganti, yakni:

1. Memiliki sifat-sifat termodinamika yang berdekatan dengan refrigeran yang hendak digantikannya, utamanya pada tekanan maksimum operasi refrigeran baru yang diharapkan tidak terlalu jauh berbeda dibandingkan dengan tekanan refrigeran lama yang ber-klorin.

2. Tidak mudah terbakar.

3. Tidak beracun.

4. Bisa bercampur (miscible) dengan pelumas yang umum digunakan dalam mesin refrigerasi.

5. Setiap refrigeran CFC hendaknya digantikan oleh satu jenis refrigeran ramah lingkungan.

Setelah periode CFCs, R22 (HCFC) merupakan refrigeran yang paling banyak digunakan di dalam mesin refrigerasi dan pengkondisian udara. Saat ini beberapa perusahaan pembuat mesin-mesin refrigerasi masih menggunakan refrigeran R22 dalam produk-produk mereka. Meski refrigeran ini, termasuk juga refrigeran jenis HCFCs lainnya, dijadwalkan untuk dihapuskan pada tahun 2030 (untuk negara maju), namun beberapa negara Eropa telah mencanangkan jadwal yang lebih progresif, misalnya Swedia telah melarang penggunaan R22 dan HCFCs lainnya pada mesin refrigerasi baru sejak tahun 1998, sedangkan Denmark dan Jerman mengijinkan penggunaan HCFCs pada mesin-mesin baru hanya hingga 31 Desember 1999 (Kruse, 2000).

Protokol Montreal memaksa para peneliti dan industri refrigerasi membuat refrigeran sintetis baru, HFCs (Hydro Fluoro Carbons) untuk menggantikan refrigeran lama yang ber-klorin yang dituduh menjadi penyebab rusaknya lapisan ozon. Weatherhead dan Andersen (2006) mengemukakan bahwa sejak 8 tahun terakhir, penipisan kolom lapisan ozon tidak terjadi lagi. Kedua peneliti ini meyakini akan terjadinya pemulihan lapisan ozon. Meski demikian, keduanya tidak secara jelas merujuk turunnya penggunaan zat perusak ozon sebagai penyebab pulihnya lapisan ozon. Powell (2002) menyebutkan bahwa adanya kerjasama yang sangat baik antara produser refrigeran dan perusahaan pengguna refrigeran telah memungkinkan terjadinya transisi mulus dari era penggunaan CFCs secara besar-besaran di 1986 hingga penghapusan dan penggantiannya dengan R134a di tahun 1996. Banyak kalangan menyebutkan bahwa Protokol Montreal adalah salah satu perjanjian internasional di bidang lingkungan yang paling berhasil diterapkan.

Saat ini, HCFCs (yang pada dasarnya merupakan pengganti transisional untuk CFCs) telah memiliki 2 kandidat pengganti, yakni R410A (campuran dengan sifat mendekati zeotrop) dan R407C (campuran azeotrop) (Kruse, 2000). Hidrokarbon Propana (R290) juga berpotensi menjadi pengganti R22 (Kruse, 2000). R407C merupakan campuran antara R32/125/132a dengan komposisi 23/25/52, sedangkan R410A adalah campuran R32/125 dengan komposisi 50/50 (ASHRAE, 2005). Saat ini, beberapa perusahaan terkemuka di bidang refrigerasi dan pengkonsian udara telah menggunakan R410A dalam produk mereka.

Jika Protokol Montreal dan Kyoto dilaksanakan secara penuh dan konsisten, maka secara umum pada saat ini belum ada pilihan refrigeran komersial selain refrigeran alami. Meskipun perlu dicatat bahwa baru-baru ini terdapat produsen refrigeran yang mengklaim keberhasilannya membuat refrigeran yang tidak merusak ozon dan tidak menimbulkan pemanasan global (ASHRAE, 2006). Beberapa refrigeran alami yang sudah digunakan pada mesin refrigerasi adalah: amonia (NH3), hidrokarbon (HC), karbondioksida (CO2), air, dan udara (Riffat dkk., 1997). Kata "alami" menekankan keberadaan zat-zat tersebut yang berasal dari sumber biologis atapun geologis; meskipun saat ini beberapa produk refrigeran alami masih didapatkan dari sumber daya alam yang tidak terbarukan, misalnya hidrokarbon yang didapatkan dari oil-cracking, serta amonia dan CO2 yang didapatkan dari gas alam (Powell, 2002).

Penggunaan karbondioksida, air, dan udara pada refrigerator komersial masih memerlukan riset yang mendalam, sedangkan penggunaan amonia dan hidrokarbon, meskipun sudah cukup banyak dilakukan, masih memiliki peluang riset yang cukup banyak (Riffat dkk., 1997). Amonia bersifat racun (toxic) dan cukup mudah terbakar, sedangkan hidrokarbon termasuk dalam zat yang sangat mudah terbakar; oleh karena itu refrigeran tersebut secara umum sulit digunakan pada sistem ekspansi langsung. Sistem refrigerasi tak-langsung bisa digunakan untuk mengatasi kelemahan kedua refrigeran tersebut. Beberapa peneliti berusaha menekan tingkat keterbakaran refrigeran hidrokarbon dengan cara mencampurkannya bersama refrigeran lain yang tak mudah terbakar (Pasek dkk., 2006; Sekhar dkk., 2004; Dlugogorsky dkk., 2002). Granryd (2001) menekankan bahwa pada dasarnya sudah tersedia teknologi untuk meningkatkan keamanan pada sistem refrigerasi yang menggunakan refrigeran hidrokarbon, namun cara yang ekonomis untuk membuat sistem tersebut aman dan terbukti dapat digunakan dalam skala luas masih perlu dikembangkan lebih lanjut.

Refrigeran yang digunakan dalam sistem kompresi uap dikelompokkan menjadi refrigeran primer. Sedangkan jika fluida digunakan untuk memindahkan panas, maka fluida ini disebut sebagai refrigeran sekunder. Penggunaan refrigeran saat ini merupakan isu penting menyangkut pemanasan global. Pada bab ini, akan dijelaskan jenis refrigeran, sifat, dan penggunaannya saat ini.

B. Refrigeran Primer

Refrigeran primer adalah refrigeran yang digunakan pada sistem kompresi uap. Refrigeran yang digunakan pada sistem pendinginan kompresi uap harus mempunyai mempunyai sifat-sifat kimia, fisika, termodinamika tertentu yang sesuai dengan kondisi penggunaan

1. Jenis Refrigeran

a. Golongan Halokarbon

Refrigeran golongn halokarbon adalah jenis refrigeran yang umum digunakan. Refrigeran jenis ini meliputi refrigeran yang terdiri dari satu atau lebih dari tiga jenis ion golongan halogen (klorin, fluorin, dan bromin). Beberapa jenis refrigeran halokarbon yang umum digunakan disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1. Jenis refrigeran halokarbon

Sistem penomoran golongan halokarbon adalah sebagai berikut: nomor pertama dari sebelah kanan menunjukkan jumlah atom florin pada senyawa, nomor kedua dari kanan menunjukkan satu nilai lebih banyak dari jumlah atau, hidogren pada senyawa dan tiga digit dari kanan menunjukkan satu nilai lebih sedikit dari jumlah atom karbon.

b. Senyawa Inorganik.

Awalnya, saat pendinginan hanya digunakan untuk tujuan khusus, hanya amoniak dan karbon dioksida yang dapat digunakan sebagai refrogeran. Saat pendinginan mulai dikenalkan pada masyarakat, sulfur dioksida, metil klorida dan metilen klorida digunkan karena sesuai dengan kompresor sentrifugal. Metilrn klorida dan karbon dioksida, karena faktor keamanannya digunakan untuk sistem pengkondisian udara (AC). Semua refrigeran ini, selain amonia, tidak digunakan lagi, kecuali pada sistem yang lama. Amonia mempunyai sifat termal yang baik, dan masih digunakan pada lapangan es skating.

c. Senyawa Hidrokarbon

Banyak senyawa hidrokarbon yang digunakan sebagai refrigeran, umumnya digunakan pada industri minyak bumi, seperti metana, etana, propana, etilen, dan isobutilen. Kesemuanya flammable dan eksplosif. Digolongkan sedikit beracun karena mengandung efek bius pada tingkat tertentu. Etana, metana, dan etilen digunakan pada pendinginan suhu ekstra rendah.

Hidrokarbon sebagai refrigerant dalam sistem refrigerasi telah dikenal sejak tahun 1920-an, sebelum refrigerant sintetik dikenal. Ilmuwan yang tercatat sebagai promotor hidrokarbon sebagai refrigerant antara lain Linde (1916) dan Ilmuwan Dunia Albert Einstein (1920). Hidrokarbon kembali diperhitungkan sebagai alternatif pengganti CFC, setelah aspek lingkungan mengemuka, dan timbulnya permasalahan dalam peralihan dari CFC ke HFC, dikarenakan perlu adanya penyesuaian perangkat keras, pelumas, serta perlakuan khusus dalam operasional penggunaan bahan HFC : R-134a ini.

Demikian sulitnya perlakuan R-134a sebagai pengganti R-12 serta masih memiliki dampak Global Warming Potential (GWP), bahkan Greenpeace suatu LSM di Jerman yang sebelumnya gencar mendorong peralihan R-12 ke R-134a, kemudian beralih memperomosikan penggunaan hidrokarbon sebagai refrigeran, seperti GTZ-Technology yang telah populer di daratan Eropa. Penggunaan refrigeran hidrokarbon terus meluas ke berbagai negara di kawasan Asia Pasific, dan. dewasa ini telah banyak dikenal berbagai merek refrigerant yang dihasilkan oleh berbagai negara, seperti yang berasal dari negara : Inggeris, Perancis, Jerman, Belanda, Kanada, Australia, Amerika, Korea, dan lain-lain, termasuk Indonesia.

Indonesia sebagai negara yang memiliki cadangan gas alam dan minyak bumi, disamping pemanfaatan sebagai bahan bakar, juga memiliki potensi sebagai negara yang dapat berkecimpung dalam hal refrigerant hidrokarbon maupun produk-produk ramah lingkungan berbasis hidrokarbon lainnya seperti : Aerosol propellant, foaming agent, solvent, dan lain-lain.
Produk refrigerant hidrokarbon MUSI COOL merupakan refrigerant hidrokarbon yang sudah diproduksi di dalam negeri dengan beberapa grade

MC-12 dan MC-134 sebagai pengganti refrigerant R-12 dan R-134a MC-12 dan MC-134 merupakan campuran propane dan i-butane dengan kandungan butane serendah mungkin agar tidak menggangu proses kondensasi pada sistem pendingin. Refrigerant ini digunakan pada kendaraan bermotor, kulkas dan dispenser MC-22 sebagai pengganti refrigerant R-22 MC-22 digunakan untuk pendingin ruangan/AC jenis Split, window maupun central. Refrigerant ini memerlukan kandungan propane yang sangat tinggi yaitu 99,7 % wt dengan impuritis butane dan olefin yang serendah mungkin atau mendekati nol agar kinerja sistem pendingin berjalan optimal. MC-600 sebagai refrigerant 600a MC-600 mempunyai kandungan i-butane yang sangat tinggi/dominan atau lebih besar dari 85 % wt dengan kandungan propane seminim mungkin. Refrigerant 600a saat ini digunakan sebagai media pendingin pada kulkas, yang beroperasi pada tekanan rendah. Ke depan prospek refrigerant ini sangat cerah karena kecenderungan penggunaannya tinggi.

Gambar 5-3. Refrigeran hydrocarbon (Musicool) buatan Pertamina

d. Azeotrop

Senyawa azeotrop adalah suatu campuran yang tak dapat dipisahkan menjadi senyawa penyusunnya dengan cara distilasi. Senyawa ini menguap dan mengembun sebagai satu zat, tidak seperti campuran lainnya. Azeotrop yang paling dikenal adalah R502 yang merupakan campuran 48.8% R22 dan 51.2% R115. Azeotrop lainnya adalah R-500, campuran dari 73.8% R-12 dan 26.2% R-152a.

2. Sifat Regfrigeran

Dalam pemilihan refrigeran, sifat refrigeran yang penting antara lain sifat termodinamika, kimia, dan fisik. Sifat termodinamika yang penting antara lain titik didih, tekanan penguapan dan pengembunan, tekanan dan suhu kritis, titik beku, volume uap, COP, tenaga per ton refrigerasi. Sifat kimia berhubungan dengan reaksi refrigeran terhadap keadaan sekitar, antara lain tidak mudah terbakar, tidak beracun, tidak bereaksi dengan air, minyak dan bahan konstruksi. Sedangkan sifat fisik refrigeran berhubungan dengan bahan itu sendiri,antara lain konduktivitas dan kekentalan.

Sifat Refrigeran

• Tekanan penguapan harus cukup tinggi

• Sebaiknya refrigeran memiliki suhu pada tekanan yang lebih tinggi, sehingga dapat dihindari kemungkinan terjadinya vakum pada evaporator dan turunnya efisiensi volumetrik karena naiknya perbandingan kompresi

• Tekanan pengembunan yang tidak terlampau tinggi, apabila tekanan pengembunannya terlalu rendah, maka perbandingan kompresinya menjadi lebih rendah, sehingga penurunan prestasi kondensor dapat dihindarkan, selain itu dengan tekanan kerja yang lebih rendah, mesin dapat bekerja lebih aman karena kemungkinan terjadinya kebocoran, kerusakan, ledakan dan sebagainya menjadi lebih kecil.

• Kalor laten penguapan harus tinggi, refrigeran yang mempunyai kalor laten penguapan yang tinggi lebih menguntungkan karena untuk kapasitas refrigerasi yang sama, jumlah refrigeran yang bersirkulasi menjadi lebih kecil

• Volume spesifik ( terutama dalam fasa gas ) yang cukup kecil, Refrigeran dengan kalor laten penguapan yang besar dan volume spesifik gas yang kecil (berat jenis yang besar) akan memungkinkan penggunaan kompresor dengan volume langkah torak yang lebih kecil. Dengan demikian untuk kapasitas refrigerasi yang sama ukuran unit refrigerasi yang bersangkutan menjadi lebih kecil

• Koefisien prestasi harus tinggi, dari segi karakteristik termodinamika dari refrigeran, koefisien prestasi merupakan parameter yang terpenting untuk menentukan biaya operasi

• Konduktivitas termal yang tinggi, konduktivitas termal sangat penting untuk menentukan karakteristik perpindahan kalor

• Viskositas yang rendah dalam fasa cair maupun fasa gas, dengan turunnya tahanan aliran refrigeran dalam pipa, kerugian tekanannya akan berkurang

• Konstanta dielektrika dari refrigeran yang kecil, tahanan listrik yang besar, serta tidak menyebabkan korosi pada material isolator listrik

• Refrigeran hendaknya stabil dan tidak bereaksi dengan material yang dipakai, jadi juga tidak menyebabkan korosi

• Refrigeran tidak boleh beracun

• Refrigeran tidak boleh mudah terbakar dan mudah meledak

• Sebaiknya refrigeran menguap pada tekanan sedikit lebih tinggi dari pada tekanan atmosfir. Dengan demikian dapat dicegah terjadinya kebocoran udara luar masuk sistem refrigeran karena kemungkinan adanya vakum pada seksi masuk kompresor (pada tekanan rendah).

Titik didih refrigeran merupakan salah satu faktor yang sangat penting:

• Refrigeran yang memiliki titik didih rendah biasanya dipakai untuk keperluan operasi pendinginan temperatur rendah (refrigerasi)

• Refrigeran yang memiliki titik didih tinggi digunakan untuk keperluan pendinginan temperatur tinggi (pendinginan udara)

Titik didih refrigeran merupakan indikator yang menyatakan apakah refrigeran dapat menguap pada temperatur rendah yang diinginkan, tetapi pada tekanan yang tidak terlalu rendah. Dari segi termodinamika R12, R22, R500, R502, ammonia dapat dipakai untuk daerah suhu yang luas, dari keperluan pendinginan udara sampai ke refrigerasi. Sifat termofisik dari beberapa refrigeran disajikan pada tabel 5.1.

Tabel 5.1. Sifat termofisik beberapa refrigeran

3. Atribut Lingkungan dan Atribut Kerja

Pemilihan refrigeran lainnya dibuat berdasarkan atribut kerja dan lingkungan. Atribut kerja refrigeran adalah sifat yang berkaitan dengan penggunaan refrigeran. Sifat ini dibandingkan dengan beban kerja yang sama atau suhu evaporasi dan suhu kondensasi yang sama. Sifat yang dibandingkan antra lain COP, efek pendinginan, serta tekanan kondensasi dan evaporasi. Tabel 5.2 menampilkan atribut kerja bebrapa refrigeran dengan suhu kondensasi 300C dan suhu evaporasi -150C.

Tabel 5.2. Atribut kerja beberapa refrigeran

Atribut lingkungan suatu refrigeran duhubungkan dengan reaksi refrigeran saat terlepas di atmosfer. Pada refrigeran halokarbon, atom klorin pada refrigeran akan berikatan dengan ozon di atmosfer, sehingga menyebabkan terjadinya penipisan ozon yang menyebabkan pemanasan global. Terdapat tiga jenis atribut lingkungan yang umum dikenal, GWP, ODP, dan tahun atmosferik.

GWP (Global Warming Potential) adalah ukuran seberapa banyak jumlah gas rumah kaca yang diperkirakan akan mempengaruhi pemanasan global. GWP merupakan suatu ukuran relatif yang membandingkan gas yang ingin diketahui nilainya dengan gas CO2 dalam jumlah yang sama. GWP juga harus diukur dalam waktu yang sama, umumnya diukur dalam waktu 100 tahun. ODP (Ozone Depletion Pottential) merupakan parameter yang menyatakan kemampuan suatu refrigeran untuk berikatan dengan ozon di stratosfer. Umumnya, makin banyak ion klorin dalam suatu refrigeran maka makin tinggi ODPnya. Siklus hidup menentukan lamanya suatu gas terurai di atmosfer. Atribut lingkungan beberapa refrigeran ditunjukkan pada tabel 5.3.

Tabel 5.3. Atribut lingkungan refrigeran primer

C. Refrigeran sekunder

Seperti dijelaskan sebelumnya, refrigeran sekunder merupakan fluida yang membawa panas dari benda yang didinginkan ke evaporator suatu sistem pendinginan. Suhu refrigeran sekunder akan berubah saat refrigeran mengambil panas namun tidak berubah fasa. Air dapat digunakan sebagai refrigeran sekunder, namun hanya untuk kondisi operasi di atas titik beku air. Refrigeran yang umum digunakan adalah campuran garam dan air (brine) atau anti beku yang mempunyai titik beku di bawah 00C. Beberapa anti beku yang umum digunakan adalah campuran air dengan etilen glikol, propiln glikol atau kalsium klorida. Etilen glikol dapat digunakan dalam industri makanan karena tidak beracun.

Latihan

a. Berikan masing-masing satu contoh refrigeran dari jenis CFC dan HCFC.

b Jenis refrigeran mana yang lebih ramah terhadap lingkungan (gunakan tiga atribut lingkungan yang anda ketahui untuk menjelaskan pilihan anda tersebut).

Test Formatip

Jelaskan dengan singkat pendapat anda mengenai penggunaan hidrokarbon (HC) sebagai refrigeran untuk mesin pendingin/pembeku.

Daftar Pustaka

Musicool refrigerant. http://www.up-3.com/up3.php?page=viewproducts&id=8 diakses tanggal 6 Pebruari 2008

Dari e-LEARNING AE

Tujuan instruksional khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip kerja sistem pendingin kompresi uap dan menganalisa performansi mesin pendingin kompresi uap. Pokok bahasan ini mencakup siklus Carnot dan siklus pendinginan, analisis kinerja mesin pendingin, hingga pada penggunaan diagram Molier dan Tabel Uap refrigeran. Kebanyakan siklus refrigerasi yang diaplikasikan di lapangan adalah siklus kompresi uap.

A. Siklus Carnot

Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) dan kembali ke fase cair secara berulang-ulang. Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Misalnya, amonia yang sering digunakan sebagai refrigeran, pada tekanan 1 atmosfir (101.3 kPa) dapat mendidih pada suhu -33 oC. Suhu titik didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya, untuk menaikkan suhu titik didih amonia menjadi 0 oC, tekanan harus dinaikkan menjadi 428.5 kPa.Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) .Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

Berasal dari standar yang digunakan, yaitu panas yang diserap oleh 1 ton (2000 lb) es saat mencair selama 24 jam. Karena panas laten pencairan es adalah 144 Btu/lb, maka panas yang diserap (2000 lb X 144 Btu/lb)/(24 jam X 60 menit) adalah 200 Btu/menit.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamik ideal yang mampu-balik, yang pada mulanya digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan maksimum konversi energi panas ke energi mekanik. Dalam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum suatu alat pendingin. Siklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu-balik di alam nyata, tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.

Siklus Carnot berlangsung dengan suatu urut-urutan yang terdiri atas 4 proses yang mampu-balik, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermik. Gambar 3-1 menunjukkan bagaimana siklus tenaga Carnot bekerja secara sederhana pada sistem gas di dalam piston, sedangkan Gambar 3-2 menunjukkan proses-proses siklus Carnot yang dipetakan pada diagram p-v dan diagram T-s.

Gambar 3-1. Siklus Carnot

Gambar 3-2. Siklus Carnot pada diagram p-v dan T-s

Ke empat proses tersebut adalah :

Proses 1-2 :

Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi TH

Proses 2-3 :

Ekspansi gas secara isotermik pada suhu TH sambil menerima energi sebesar QH dari lingkungan (reservoir) bersuhu tinggi (TH)

Proses 3-4 :

Ekspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah TC

Proses 4-1 :

Kompresi gas secara isotermik hingga mencapai kondisi awalnya sambil melepas energi sebesar QC ke lingkungan (reservoir) bersuhu rendah (TC)

Kerja yang terjadi selama proses-proses tersebut ditunjukkan dengan luasan di bawah kurva proses pada diagram p-v. Pada proses 1-2 dan 4-1 kerja diberikan pada sistem untuk melakukan kompresi, sedangkan pada proses 2-3 dan 3-4 dilepas oleh gas untuk melakukan pengembangan (ekspansi). Dengan demikian, wilayah yang dibatasi oleh keempat kurva tersebut merupakan kerja bersih yang terjadi (dilepas oleh sistem) selama proses dalam satu siklus.

Siklus Carnot yang bekerja sebagai mesin panas mempunyai efisiensi:

	.........	3-1

dimana TC dan TH adalah suhu dalam satuan kelvin dan s adalah entropi. Subskrip "maks" menunjukkan bahwa efisiensi tersebut adalah efisiensi maksimum yang mungkin terjadi pada siklus tenaga manapun yang bekerja di antara dua sumber panas berbeda suhu.

Bagan alir siklus Carnot, ditunjukkan pada Gambar 3-1 dan bentuk siklus pada koordinat p-v dan T-s ditunjukkan pada Gambar 3-2. Gambar 3-2 (a) menunjukkan siklus Carnot yang bekerja hanya pada satu wilayah fase (fase gas), sedangkan (b) menunjukkan siklus Carnot yang bekerja pada keadaan jenuh (keadaan cair-uap). Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan Carnot adalah :

Proses 1-2 :

Ekspansi gas secara isotermik pada suhu rendah TC sambil menerima energi QC dari reservoir dingin melalui pindah panas.

Proses 2-3 :

Kompresi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu tinggi T

Proses 3-4 :

Kompresi gas secara isotermik sambil melepas energi QH ke reservoir panas melalui pindah panas.

Proses 4-1 :

Ekspansi gas secara adiabatik hingga mencapai suhu rendah TL

Kerja bersih yang diperlukan selama proses dalam satu siklus adalah daerah yang dibatasi oleh keempat kurva pada diagram p-v.

Jika siklus Carnot dibalik, akan diperoleh siklus yang menjadi ukuran kinerja maksimum yang mungkin diperoleh dari suatu mesin pendingin. Dalam hal ini, kerja harus diberikan pada siklus, zat kerja dikembangkan secara adiabatik dari TH ke TC, menyerap panas pada TC dengan entropi yang meningkat dari sa ke sb. Selanjutnya, zat kerja dikempa secara adiabatik dari TC ke TH, melepas panas secara isotermal pada TH dengan entropi menurun dari sb ke sa. Dengan demikian, siklus Carnot dapat digunakan untuk tiga tujuan yaitu:

1. mengubah energi panas menjadi energi mekanik (sebagai mesin panas)
2. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat dan melepaskannya di tempat yang diinginkan (sebagai pompa panas)
3. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat yang diinginkan dan membuangnya di tempat lain (sebagai mesin pendingin)

Tujuan (2) dan (3) didasarkan pada siklus Carnot terbalik dan berbeda hanya pada hasil akhir yang diinginkan. Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan dan siklus pompa panas pada prinsipnya sama dan hanya berbeda pada tujuan akhir proses. Pada siklus pendinginan yang menjadi tujuan adalah mendapatkan suhu yang lebih rendah dari lingkungannya, sebaliknya pada siklus pompa panas yang menjadi tujuan akhir adalah memperoleh suhu yang lebih tinggi dari lingkungannya.

Penampilan mesin pendingin dan pompa panas umumnya dinyatakan dalam koefisien penampilan (coefficient of performance, COP). Koefisien penampilan (coefficient of performance, cop) telah digunakan sebagai alat pengukur keefektifan suatu alat dan didefinisikan sebagai perbandingan antara hasil akhir yang diperoleh dengan kerja bersih yang harus diberikan. Berdasarkan Gambar 3-2, cop mesin pendinginan adalah,

	.........	3-2

untuk pompa panas,

	.........	3-3

dan untuk mesin panas,

	.........	3-4

Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang sangat jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran. Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain adalah :

1. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan tekanan terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas secara isotermal.
2. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas panas tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek.
3. Diagram p-v siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga sedikit ke-tak-mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus tersebut.

Koefisien tampilan menyatakan keefektifan suatu sistem pendingin, yang merupakan perbandingan antara efek pendinginan bermanfaat terhadap energi bersih yang harus disediakan dari luar untuk mendapatkan efek pendinginan tersebut.

	.........	3-5

Efisiensi refrigerasi menunjukkan kedekatan sistem atau siklus pendingin tersebut dengan siklus ideal yang mampu-balik, yaitu siklus Carnot.

	.........	3-6

B. Siklus Pendinginan Teoritis Dan Nyata

Siklus pendinginan kompresi uap ditunjukkan pada Gambar 3-3. Proses 1-2 adalah kompresi, 2-3 adalah kondensasi, 3-4 adalah ekspansi, dan 4-1 adalah evaporasi.

Gambar 3-3. Siklus refrigerasi kompresi uap

Siklus pendinginan kompresi uap teoritis, sebagaimana yang umum digunakan, ditunjukkan pada Gambar 3-4 dalam sistem koordinat p-V, T-s dan p-h, dimana tanda nomor proses sama dengan pada Gambar 3-5. Proses kompresi yang berlangsung pada jalur 1-2 disebut kompresi basah, dimana refrigeran yang masuk ke- dan keluar dari kompresor adalah refrigeran kering dan jenuh (derajat kering uap = 1). Proses kompresi dapat juga terjadi pada jalur 1'-2' yang disebut dengan kompresi basah karena refrigeran yang masuk ke kompresor masih mengandung fase cair (derajat kering <>cop) sedikit lebih rendah, pendinginan dengan kompresi kering lebih sering digunakan dengan alasan kompresor akan lebih aman karena tidak terjadi kemungkinan masuknya refrigeran cair yang dapat mempengaruhi kerja kompresor. Pada proses kompresi kering, uap refrigeran yang meninggalkan kompresor dalam keadaan panas-lanjut (superheat) sehingga kelebihan panas tersebut harus dibuang di kondensor pada tekanan tetap (tekanan kondensor) dan suhu tetap sebelum dikondensasi menjadi cairan refrigeran (proses 2-2').

Proses kompresi dianggap berlangsung secara isentropik karena lebih mendekati keadaan sesungguhnya, meskipun secara teoritis kompresi isotermal lebih disukai karena membutuhkan kerja yang lebih kecil. Kerja pada proses pencekikan (throtling) seharusnya dapat didaur-ulang, akan tetapi karena tidak ekonomis jarang dilakukan.

Perbandingan antara siklus kompresi uap teoritis (siklus 1-2'-2''-3-4'-1) dengan siklus Carnot terbalik (siklus 1-2-3-4-1) ditunjukkan dalam diagram T-s pada Gambar 3-6. Seperti terlihat pada bagian yang diarsir di dalam gambar, terdapat tiga luasan yang merupakan perbedaan antara siklus kompresi uap teoritis dengan siklus Carnot terbalik. Luasan 2-2'-2'' menunjukkan penambahan kerja yang harus diberikan ke kompresor serta tambahan panas yang harus dilepas di kondensor sebagai akibat kompresi yang tidak isotermal. Luasan 3-3'-4-3 menunjukkan tambahan kerja ke siklus akibat kerja pencekikan yang tidak didaur-ulang. Luasan 4-sa-sb-4'-4 menunjukkan kehilangan efek pendinginan sebagai akibat dari peningkatan entropi karena proses pencekikan. Masih terdapat perbedaan-perbedaan lain antara siklus kompresi uap teoritik dan nyata, akan tetapi karena nilainya tidak terlalu besar masih dapat diabaikan dari perhitungan.

Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) . Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

C. Analisis Kinerja Mesin Pendingin

Analisa terhadap siklus pendinginan kompresi uap dapat dilakukan dengan menggunakan Gambar 3-7. Sebagaimana telah dijelaskan di atas, terjadi 4 proses yang membentuk satu siklus kompresi uap dan terjadi berulang-ulang. Proses dan perubahan keadaan pada setiap proses yang terjadi adalah :

Proses 1-2 (kompresi) : Gas refrigeran yang keluar dari evaporator masuk dan dikempa pada kompresor sehingga menghasilkan gas refrigeran dengan tekanan dan suhu yang lebih tinggi. Suhu tinggi merupakan akibat dari proses kompresi isentropik. Proses 2-3 (kondensasi) : Gas refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi dikondensasi dan menghasilkan refrigeran cair jenuh. Proses yang terjadi adalah pelepasan panas ke lingkungan. Proses kondensasi bekerja pada tekanan tetap. Pada awal proses suhu gas refrigeran sedikit mengalami penurunan, selanjutnya terjadi perubahan fase gas menjadi cair pada suhu tetap. Proses 3-4 (pencekikan) : Tekanan cairan refrigeran diturunkan dengan menggunakan katup cekik (expansion valve). Saat terjadi penurunan tekanan, juga terjadi penurunan suhu dan peningkatan mutu gas refrigeran, sebab dengan penurunan tekanan dan suhu sebagian refrigeran cair berubah menjadi gas. Proses 4-1 (penguapan) : Proses penguapan terjadi pada suhu sama, dimana hanya terjadi perubahan fase refrigeran cair menjadi gas. Panas laten penguapan diambil dari lingkungan sehingga terjadi pendinginan lingkungan. Besarnya pendinginan yang terjadi dinyatakan dalam efek pendinginan (ton refrigerasi).

Setiap proses yang terjadi sepanjang siklus dinyatakan dalam besaran-besaran yang dapat ditentukan secara matematik. Pada Bab Termodinamika Pendinginan telah ditunjukkan bahwa untuk proses tekanan tetap, seperti terjadi pada proses evaporasi dan kondensasi dalam mesin pendingin kompresi uap, dQ = dh. Dengan demikian, panas yang diserap dan digunakan untuk menguapkan refrigeran adalah:

	............................................................	3-7

dan panas yang di lepas untuk kondensasi refrigeran adalah,

Qkond = h2 - h3 ......................................... 3-8

Juga telah diketahui bahwa pada proses pencekikan (ekspansi) tidak dilakukan kerja, sehingga entalpi refrigeran yang masuk dan keluar dari katup ekspansi adalah sama (h1 = h2). Kualitas uap refrigeran setalah melalui katup cekik menjadi,

	............................................................	3-9

Sesuai dengan kaidah kekekalan energi, panas yang dilepas pada kondensor harus sama dengan panas yang diserap pada evaporator ditambah dengan ekivalen panas dari kerja kompresi, yaitu :

	............................................................	3-10

Dengan memasukkan persamaan [3-8] hingga [3-9] ke persamaan [3-10] diperoleh kerja kompresi sebesar,

Wkomp = h2 - h1 .......................................... 3-11

dalam hal ini, dianggap tidak terjadi pengambilan dan pelepasan panas dari dan ke lingkungan selama proses kompresi. Berikut ini adalah beberapa istilah yang umum digunakan dalam ilmu pendinginan dan besarannya dalam persamaan matematik.

Efek pendinginan, jumlah panas yang diserap oleh refrigeran pada saat melalui evaporator. Selain panas laten penguapan, efek pendinginan juga mencakup panas yang diserap akibat terjadinya pemanasan lanjut.

Ton pendinginan (ton of refrigeration) adalah laju penyerapan panas di evaporator, sama dengan 200 Btu/min (3517 W). Laju aliran refrigeran yang dibutuhkan per ton pendinginan adalah laju penyerapan panas (W) per ton pendinginan dibagi dengan efek pendinginan,

	............................................................	3-12

Tenaga kompresi teoritis per ton pendinginan untuk proses kompresi adalah perkalian antara kerja kompresi dengan laju aliran refrigeran per ton pendinginan, yaitu :

	............................................................	3-13

Jika yang terjadi adalah kompresi politropik, tenaga kompresi per ton pendinginan adalah,

	............................................................	3-14

Pada kompresi isentropik, n = g = cp/cv . Jika silinder kompresor mempunyai jaket penutup, sejumlah panas harus dilepaskan ke sistem pendingin kompresor, yang besarnya :

	............................................................	3-15

Tenaga kompresi aktual (nyata) dapat didekati dengan menggunakan nilai n yang sebenarnya (dengan menggunakan tekanan nyata silinder), dan dengan memasukkan faktor efisiensi mekanik kompresor. Efisiensi mekanik adalah perbandingan antara tenaga yang ditunjukkan oleh silinder kompresor dengan tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor.

Koefisien penampilan mesin pendingin siklus kompresi uap dengan kompresi isentropik adalah,

	............................................................	3-16

Panas yang dilepaskan melalui kondensor per ton pendinginan, meliputi panas laten, panas akibat pemanasan lanjut, dan panas yang berasal dari refrigeran cair, yaitu :

	............................................................	3-17

Disamping itu, siklus kompresi uap nyata juga berbeda dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap teoritis, seperti :

(1) Proses 1-2 (kompresi), sering dianggap berlangsung secara insentropik, akan tetapi dapat berlangsung tidak isentropik dan tidak juga politropik. Meskipun berlangsung secara isentropik, dimana dianggap tidak terjadi pertukaran panas antara refrigeran dengan dinding kompresor, pada kenyataannya suhu dinding silinder kompresor bisa lebih tinggi dari suhu gas refrigeran yang masuk dan lebih rendah dari suhu gas yang keluar dari kompresor sehingga menyebabkan perpindahan panas antara dinding kompresor dengan gas refrigeran.

(2) Selama proses 2-3, refrigeran cair mengalami pendinginan lanjut sebelum memasuki katup cekik.

(3) Pada proses 4-1, uap refrigeran yang meninggalkan evaporator mengalami pemanasan lanjut sebelum memasuki kompresor. Pemanasan lanjut tersebut dapat disebabkan oleh jenis pengendali katup cekik yang digunakan, dimana penyerapan panas dapat terjadi pada jalur antara evaporator dan kompresor.

(4) Terjadi kehilangan tekanan sepanjang pipa tempat mengalirnya refrigeran.

Penentuan nilai-nilai tersebut di atas dapat dilakukan dengan menggunakan dua alat, yaitu diagram molier (diagram p-h) dan tabel keadaan refrigeran yang bersangkutan. Pengenalan dan penggunaan kedua alat tersebut dijelaskan berikut

D. Penggunaan Diagram Molier

Tekanan dan entalpi refrigeran mengalami perubahan pada saat melalui berbagai komponen mesin pendingin. Pada evaporator dan kondensor, entalpi berubah sementara tekanan tetap. Pada kompresor terjadi perubahan entalpi bersama-sama dengan perubahan tekanan, sedangkan pada katup ekspansi terjadi perubahan tekanan dengan entalpi tetap. Berdasarkan sifat-sifat di atas, telah dikembangkan suatu diagram tekanan-entalpi (diagram molier) yang dapat digunakan untuk analisa sistem pendinginan kompresi uap.

Gambar 3-8. Diagram Mollier Konstruksi diagram mollier untuk refrigeran R-12ditunjukkan pada Gambar 3-8. Sumbu mendatar adalah entalpi sedangkan sumbu tegak adalah tekanan, sehingga garis-garis mendatar menunjukkan tekanan sama sedangkan garis-garis tegak menunjukkan entalpi sama. Garis melengkung dari kiri bawah ke kanan atas hingga titik kritis adalah garis cair jenuh. Di sebelah kiri garis cair jenuh refrigeran berada pada keadaan cair super-dingin atau cair terkondensasi. Pada garis jenuh refrigeran berada pada keadaan keseimbangan dengan nilai mutu uap 0 (nol), artinya seluruh refrigeran berada pada keadaan cair. Semakin ke kanan garis cair jenuh nilai mutu uap refrigeran semakin besar hingga mencapai nilai 1 (satu) pada garis uap jenuh, yaitu garis melengkung dari kanan bawah ke kiri atas mencapai titik kritis. Di sebelah kanan garis uap jenuh, refrigeran berada pada keadaan uap super-panas. Garis suhu sama ditunjukkan dengan pola khusus seperti pada penggalan garis yang dihubungkan dengan huruf "s-u-h-u", sedangkan garis volume jenis sama dan garis entropi sama ditunjukkan seperti pada gambar.

Keseluruhan siklus yang terjadi pada pendingin kompresi uap, mencakup kompresi, kondensasi, ekspansi, dan evaporasi dapat digambarkan secara mudah pada diagram tersebut. Gambar 3-9 menunjukkan siklus pendinginan kompresi uap yang bekerja secara ideal dengan suhu evaporasi Te dan suhu kondensasi Tk Peletakan siklus di dalam diagram dilakukan dengan memperhatikan sifat tiap proses yang membentuk siklus tersebut. Proses kompresi (1-2) digambarkan bekerja secara isentropik, sehingga berada pada garis entropi sama (s). Proses pengembunan (2-3) bekerja pada keadaan tekanan tetap pada suhu T3, sehingga berada pada garis mendatar. Pencekikan (3-4) bekerja pada keadaan isentalpik sehingga merupakan garis tegak lurus entalpi sama, dalam hal ini h3 = h4. Proses penguapan kembali bekerja pada tekanan tetap tapi pada suhu Tk yang merupakan perpotongan antara garis pengembunan dengan garis cair jenuh. Nilai h1 merupakan entalpi pada perpotongan antara garis penguapan garis uap jenuh sedangkan nilai h2 merupakan entalpi pada perpotongan antara garis pengembunan dengan garis entropi (s).

Gambar 3-9. Siklus ideal

Siklus yang bekerja dengan pendinginan lanjut disajikan pada Gambar 3-10. Di dalam kondensor gas refrigeran diembunkan hingga seluruhnya menjadi refrigeran cair (mencapai garis cair jenuh). Pada proses pendinginan lanjut, terjadi pelepasan panas yang lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk kondensasi sehingga suhu refrigeran cair yang keluar dari kondensor lebih rendah dari suhu pengembunan Tk dan berada pada keadaan cair super-dingin (cair terkompresi). Jika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pendinginan lanjut sebesar ΔT (selisih antara suhu refrigeran cair jenuh Tk dengan suhu refrigeran keluar dari kondensor T') dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Δh = h' - h3 . ΔT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pendinginan lanjut atau derajat super-dingin.

Gambar 3-10. Siklus nyata

Siklus yang bekerja dengan pemanasan lanjut disajikan pada Gambar 3-11. Pemanasan lanjut terjadi pada evaporator. Pada evaporator terjadi penyerapan panas yang digunakan untuk menguapkan refrigeran cair yang keluar dari katup cekik pada suhu Te hingga seluruh refrigeran menjadi uap. Pada proses pemanasan lanjut, panas yang diserap lebih besar dari pada yang dibutuhkan untuk penguapan dan kelebihan tersebut digunakan untuk meningkatkan suhu uap, sehingga uap yang keluar dari evaporator berada pada keadaan uap super-panas. Jika proses lain di dalam siklus sama dengan proses pada siklus ideal, pemanasan lanjut sebesar ΔT (selisih antara suhu refrigeran keluar dari evaporator dengan suhu uap jenuh Te ) dapat menyebabkan peningkatan efek pendinginan sebesar Δh = h1 - h'. ΔT dalam hal ini sering disebut sebagai derajat pemanasan lanjut atau derajat super-panas. Proses pemanasan lanjut sering juga disebut dengan proses kompresi kering karena refrigeran yang masuk ke kompresor seluruhnya dalam keadaan uap (mutu uap = 1). Proses kompresi basah terjadi jika refrigeran yang keluar dari evaporator dan masuk ke kompresor belum seluruhnya menjadi uap (mutu uap <>

E. Penggunaan Tabel Properti Refrigeran

Pemecahan nyata masalah-masalah termodinamika, khususnya pendinginan, dapat disederhanakan dengan menggunakan diagram atau tabel sifat termodinamik. Keberadaan zat dan peralihannya dapat dianalisa dengan menggunakan diagram. Gambar I-3 (a) adalah diagram tekanan-volume, (b) diagram suhu-entropi, dan (c) diagram tekanan-entalpi, yang keseluruhannya adalah untuk jenis refrigeran yang mengkerut pada saat pembekuan. Pada seluruh diagram tersebut, kurva yang membatasi wilayah fase zat ditunjukkan dengan sistem penomoran yang sama. Garis jenuh cair "3-4" dan garis jenuh uap "4-6" (umumnya disebut sebagai garis jenuh), bersama garis/titik tripel "2-3-5", membatasi suatu wilayah dimana ketiga fase (padat, cair dan uap) berada bersama-sama dalam berbagai komposisi. Perbandingan berat dua fase zat yang tercampur homogen di dalam wilayah ini dikenal dengan mutu uap. Mutu uap dinyatakan berdasarkan persamaan berikut :

	............................................................	3-18

Contoh soal 3-1

Diketahui suatu campuran homogen antara 10% massa cairan jenuh dengan 90% massa uap jenuh. Tentukan mutu uap tersebut
Jawab : x = 0.9 / (0.9 + 0.1)
x = 0.9 (mutu uap adalah 0.9)

Pada wilayah di sebelah kiri garis cair jenuh dan di atas suhu titik triple, zat berada pada keadaan cair super dingin (subcooled liquid), sedangkan di sebelah kanan garis uap jenuh zat berada pada keadan uap panas-lanjut (superheated vapor). Titik kritis, 4, pada pertemuan antara garis jenuh cair dan uap, menunjukkan suhu kritis yang mana di atas suhu tersebut zat tidak dapat dicairkan kembali. Di atas tekanan kritis, panas laten penguapan menjadi nol, garis batas antara fase cair dan uap lenyap, serta fenomena penguapan dan kondensasi juga lenyap. Garis jenuh padat, 1-2, bagian bawah dari garis jenuh uap, 5-6, dan garis triple isotermik, 2-3-5, melingkupi suatu wilayah di mana fase padat dan uap ada bersama-sama dengan proporsi berbeda.

Di sebelah kiri garis jenuh padat dan di bawah suhu titik triple, zat berada pada keadaan padat dingin-lanjut. Titik triple pada suhu titik triple, 2-3, adalah rangkaian titik keadaan yang unik dimana zat dapat berada pada ketiga fase, padat, cair, dan uap, dalam keseimbangan. Di bawah suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase padat langsung ke fase uap disebut panas laten sublimasi. Pada suhu titik triple, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase padat menjadi cair (sepanjang 2-3) disebut panas laten pencairan, dan di atas suhu tersebut, panas yang dibutuhkan untuk mengubah zat dari fase cair ke uap disebut panas latent penguapan.

Untuk keperluan teknik status zat dapat lebih mudah ditentukan dengan menggunakan tabel sifat termodinamik zat. Tabel untuk air sering disebut dengan Tabel Uap (Steam Table). Tabel sifat termodinamik air dan beberapa zat yang umum digunakan sebagai refrigeran diberikan pada Lampiran. Cara pembacaan Tabel Uap dijelaskan sebagai berikut.

• Tabel sifat termodinamik berisi nilai-nilai untuk suhu (T) tekanan (p), volume jenis (v), panas dalam (u), entalpi (h) dan entropi (s).

• Tabel sifat termodinamik terdiri atas tabel jenuh (Lampiran), tabel super panas (Lampiran) dan tabel super dingin (Lampiran).

• Tabel jenuh (saturated) dapat dibaca melalui dua cara, yaitu melalui suhu (Lampiran) dan melalui tekanan (Lampiran). Nilai-nilai pada tabel ini menunjukkan status zata pada kondisi jenuh yaitu berada pada garis lengkung pada Gambar I-3. Tabel jenuh berisi nilai sifat pada keadaan terdapat dua fase (cair dan uap) dalam keseimbangan. Sifat v, u, h dan s mempunyai subskrip "f", "g", dan "fg". Subskrip "f" berarti keadaan cair jenuh (fluid) ditunjukkan dengan garis melengkung cembung ke kiri pada Gambar I-3, dimana mutu uap 0.0. Subskrip "g" berarti uap jenuh (gas) ditunjukkan dengan garis melengkung cembung ke kanan, dimana mutu uap 1.0. Subskrip "fg" berarti cair-gas (peralihan fase dari cair ke gas atau dari gas ke cair). Nilai bersubskrip "fg" sama dengan nilai bersubskrip "g" dikurang nilai bersubskrip "f", atau Zfg = Zg - Zf . Sebagaimana disebutkan pada bagian terdahulu, tekanan dan suhu pada status jenuh adalah saling tergantung sehingga pembacaan nilai sifat melalui tabel jenuh dapat dilakukan hanya dengan menggunakan salah satu nilai sifat yang diketahui, seperti suhu atau tekanan.

• Nilai sifat zat pada keadaan yang berada di antara kedua garis lengkung (garis jenuh) dapat dihitung dari table jika mutu uap diketahui dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut :

hx = hf + xhfg
sx = sf + xsfg .................................. 3-19
vx = vf + xvfg

• Beberapa tabel tidak mencantumkan nilai energi dalam sehingga harus dihitung dengan menggunakan persamaan,

u = h - pv .................................. 3-20

• Tabel super panas (superheated) memberi nilai-nilai sifat zat dalam fase uap yang mendapat pemanasan lanjut (sebelah kanan garis melengkung cembung ke kanan pada Gambar I-3). Pembacaan tabel super panas dapat dilakukan jika 2 nilai sifat diketahui, misalnya tekanan dan suhu. Nilai Tsat yang dicantumkan berdekatan dengan nilai tekanan menunjukkan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut. Pada tabel super panas diberikan nilai sifat pada tekanan tertentu dan suhu lebih besar atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.

• Tabel super dingin (subcooled atau compressed liquid) memberi nilai sifat zat dalam fase cair yang mendapat pendinginan lanjut atau mendapat tekanan lanjut (sebelah kiri garis melengkung cembung ke kiri pada Gambar I-3). Pembacaan tabel super dingin sama dengan tabel super panas, kecuali nilai yang tercantum adalah pada tekanan tertentu dan suhu lebih rendah atau sama dengan suhu jenuh yang bersesuaian dengan tekanan tersebut.

Pembacaan nilai sifat refrigeran atau zat lain dapat dilakukan dengan cara yang sama dengan menggunakan tabel yang bersesuaian.

Contoh soal 3-2 :

Uap air berada pada silinder dengan kondisi awal 3.0 MPa dan 300 oC (status 1). Air tersebut didinginkan pada volume tetap hingga mencapai suhu 200 oC (status 2). Selanjutnya dikempa pada kondisi isotermal hingga tekanan mencapai 2.5 Mpa (status 3).
(a) Gambarkan proses tersebut pada diagram T-v dan diagram p-v.
(b) Tentukan volume jenis pada status 1,2,3, dan mutu uap pada status 2.
Jawab :

(a) Dengan menggunakan tabel uap diketahui bahwa Suhu T1 (300 oC) lebih besar dari suhu jenuh pada tekanan p1 (3.0 MPa) yaitu 233.9 oC, sehingga status 1 berada pada wilayah super panas. Pendinginan pada kondisi volume jenis tetap mengikuti proses yang tegak lurus dengan sumbu datar "v" diteruskan hingga mencapai garis suhu 200 oC untuk mendapatkan status 2. Pengempaan isotermal mengikuti proses di sepanjang garis suhu 200 oC. Pada wilayah dua fase (cair-uap) garis suhu berimpit dengan garis tekanan hingga mencapai garis jenuh cair. Kemudian dilanjutkan pada garis suhu yang sama hingga mencapai tekanan 2.5 MPa untuk mendapatkan status 3.

(b) Dari tabel uap super panas diperoleh bahwa volume jenis pada status 1 (v1) adalah 81.1 cm3/kg (dengan memasukkan nilai p=3.0 MPa dan T=300 oC) yang mana harus sama dengan v2 (volume jenis pada status 2). Dengan memasukkan nilai p=2.5 MPa dan T=200 oC ke tabel uap super dingin diperoleh nilai v3 = 1.1555 cm3/kg. Mutu uap pada status 2 (x2) dapat ditentukan melalui volume jenis yaitu dengan mengetahui volume jeni saat jenuh cair (vf) dan jenuh uap (vg) pada suhu status tersebut (200 oC) yaitu vv=1.1565 cm3/kg dan vg=124.4 cm3/kg. Diperoleh x2=(81.1-1.156)/(124.4-1.1565)=0.633

Alat lain yang dapat digunakan untuk menentukan sifat refrigeran selama siklus pendinginan adalah tabel keadaan refrigeran. Tabel keadaan refrigeran mempunyai struktur yang sama dengan Tabel Uap untuk air. Tabel tersebut mempunyai 3 bentuk yaitu tabel jenuh (saturated), tabel super-dingin (compressed liquid), dan tabel super-panas (superheated qas). Penentuan sifat refrigeran dilakukan dengan memperhatikan keadaan refrigeran pada titik yang ingin ditentukan sebagaimana diterangkan di atas. Sifat refrigeran yang berada di sepanjang garis jenuh (garis jenuh cair dan garis jenuh uap) pada diagram molier ditentukan dengan menggunakan tabel jenuh. Tabel jenuh dapat digunakan jika salah satu sifat refrigeran (suhu, tekanan, entalpi, entropi, volume jenis) diketahui. Jika refrigeran berada di antara kedua garis jenuh tersebut, maka sifat refrigeran ditentukan dengan menggunakan nilai mutu uap seperti dijelaskan pada bagian terdahulu.

Sifat refrigeran dalam keadaan cair super-dingin (berada di sebelah kiri garis cair jenuh) ditentukan dengan menggunakan tabel super-dingin, sedangkan sifat refrigeran dalam keadaan uap super panas (di sebelah kanan garis uap jenuh) ditentukan dengan menggunakan tabel super-panas. Penggunaan tabel super-dingin dan tabel super-panas harus memperhatikan derajat super-dingin atau derajat super-panas refrigeran yang bersangkutan.

SOAL LATIHAN

1. Setengah kilogram amonia cair jenuh dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan kondensor 12.25 kg/cm2 ke tekanan evaporator

2.85 kg/cm2. Tentukan :
a. perubahan volume jenis yang terjadi
b. mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik

2. Jika refrigeran pada soal no.1 mengalami pendinginan lanjut sebesar 3 oC, tentukan mutu uap amonia yang keluar dari katup cekik

3. Suatu mesin pendingin yang menggunakan amonia sebagai refrigeran bekerja pada suhu pengembunan 30 oC dan suhu penguapan -20 oC. Jika terjadi siklus ideal, tentukan :
a. efek pendinginan
b. laju aliran massa amonia (dalam kg/menit per ton pendinginan)
c. langkah piston per menit per ton pendinginan
d. kebutuhan tenaga (Hp) per ton pendinginan
e. COP
f. panas yang dilepaskan dari kondensor per menit per ton pendinginan.

4. Suatu sistem pembekuan pangan membutuhkan kapasitas sebesar 20 ton pendinginan pada suhu evaporator -35 oC dan suhu kondensor 22 oC. Refrigeran yang digunakan adalah Freon 22 dan mengalami pendinginan lanjut sebesar 3 oC saat keluar dari kondensor serta pemanasan lanjut sebesar 4 oC saat keluar dari evaporator. Proses kompresi yang terjadi adalah isentropik. Kompresor yang digunakan mempunyai 6 silinder dengan stroke sama dengan bore dan bekerja pada 1500 rpm. Tentukan :
a. efek pendinginan
b. laju aliran massa refrigeran per menit
c. langkah piston teoritik per menit
d. tenaga teoritik (Hp)
e. COP
f. panas yang dilepas dari kondensor

5. Satu kilogram refrigeran 12 dikembangkan melalui katup cekik dari tekanan 10 bar menjadi 4 bar. Tentukan a) mutu uap refrigeran pada akhir proses, b) perubahan volume jenis, dan c) mutu uap akhir jika refrigeran tersebut mengalami pendinginan lanjut 10 oC.

6. Buatlah suatu bentuk umum keseimbangan energi antara refrigeran cair pada keadaan diam di receiver dengan refrigeran yang memasuki katup ekspansi. Abaikan gesekan pada pipa.

7. Suatu mesin pendingin kompresi uap dengan refrigeran R-22 beroperasi pada suhu evaporasi –20 oC dan suhu kondensasi 35 oC.

1. Tentukan suhu refrigeran yang memasuki kondensor
2. Tentukan debit aliran yang diperlukan untuk mendapatkan kapasitas pendinginan 2 ton refrigerasi (1 ton ref.=1357 W).
3. Hitung COP mesin tersebut

Test Formatip

1. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe R-22 diketahui mempunyai suhu kondensasi 35oC. Apabila setelah melalui katup ekspansi tekanannya turun sebesar 933.45 kPa, dan jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar 0.315 kg/s tentukan:

• Suhu proses evaporasi
• Kebutuhan daya kompresi dan kapasitas refrigerasi yang dihasilkan (dalam kW).
• COP dari sistem

2. Sebuah sistem pendingin dengan siklus kompresi uap standar yang menggunakan refrigeran tipe amonia diketahui beroperasi pada suhu kondensasi 34oC dan suhu evaporasi -30 oC. Jika diketahui laju aliran refrigeran sebesar 0.3 kg/s, dan diasumsikan bahwa kompresor bekerja secara adiabatik, tentukan:

• Kapasitas refrigerasi yang dihasilkan
• Tekanan hisap dan tekanan buang kompresor
• Suhu refrigeran yang keluar dari kompresor
• Kebutuhan daya kompresi.
• COP

PUSTAKA

Alan, H. Cromer. 1981. Physics For The Sciences. Second edition, Intenational Student Edition, Mc Graw-Hill International Book Company, Tokyo.
Dossat, R.J. 1981. Principles of Refrigeration. John Willey and Sons, New York.
Hutchinson, F.W. 1957. Thermodynamics of Heat Power Systems. Adison-Wesley.
Lee, J.F and Sears, F.W. 1964. Thermodynamics. Adison Wesley Publishing Co., Massachusets.
Moran, M.J., and H.N. Shapiro. 1988. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons. N.Y. USA
Stoker W.F dan Jones, J.W, 1987. Refrigeration and Air Condition. McGraw-Hill Book Company. Tokyo.

Dari e-LEARNING AE

Tujuan Instruksional Khusus

Mahasiswa mampu menjelaskan kaitan dan penerapan termodinamika pada perancangan proses dan instalasi refrigerasi. Cakupan dalam pokok bahasan ini adalah pengulangan azas-azas termodinamika dan pindah panas serta bagaimana penggunaannya untuk mempelajari sistem refrigerasi. Pindah panas dalam bentuk konduksi, konveksi dan radiasi merupakan proses yang berlangsung pada sistem refrigerasi. Sedangkan properti termodinamika dan siklus Carnot merupakan landasan pemikiran bagi mahasiswa dalam menganalisa berbagai siklus refrgerasi.

A. Pendahuluan

Proses pendinginan berarti memindahkan panas dari satu lingkungan ke lingkungan lainnya dengan cara-cara tertentu. Diperlukan analisa termodinamika serta nalisa pindah panas dan massa untuk mengetahui proses yang terjadi. Dalam analisa ini dibutuhkan satuan dan besaran tertentu yang umum dikenal sebagai properti termodinamika. Analisa juga dilakukan berdasarkan suatu pemikiran. Pada proses pendinginan, pemikiran yang melandasi adalah siklus Carnot.

1. Sistem dan Lingkungan

Termodinamika berhubungan dengan perubahan energi yang terjadi antara sistem dengan lingkungannya karena adanya suatu proses. Analisa dasar termodinamika diawali dengan pengertian sistem dan lingkungan. Sistem adalah kegiatan atau proses yang diperhatikan dalam suatu lingkungan. Lingkungan adalah semua hal di luar sistem. Lingkungan dan sistem dipisahkan oleh suatu batas sistem. Batas sistem ini dapat berupa batas nyata atau batas khayal. (Tambunan, 2007)

Sistem termodinamika dapat dibedakan menjadi tiga:

2. Hukum Termodinamika

Hukum pertama ini memberikan konsep adanya energi dalam suatu sistem (u). Jumlah energi dalam suatu benda selalu tetap jika tidak ada panas (q) maupun kerja yang dilakukan padanya (w). Perubahan energi dalam ditulis sebagai:

....................................(2.1)

Semua energi yang masuk kedalam sistem (panas dan kerja) bertanda positif. Jika kerja dan panas yang terjadi dikur dalam jangka waktu yang singkat maka persamaan 1 dapat ditulis menjadi

......................................(2.2)

Kerja dalam proses termodinamika dinyatakan sebagai perkalian antara tekanan dan perubahan volume.

....................................(2.3)

Jika energi yang terlibat dalam proses hanya energi panas, maka persamaan (2.3) dapat ditulis sebagai

......................................(2.4)

Penjumlahan energi dalam dengan perkalian tekanan dan perubahan volume disebut sebagai entalpi (h, kJ/kg)

.......................................(2.5)

Proses yang menuju entropi yang lebih tinggi adalah proses yang tak mampu balik, karena arah sebaliknya tidak dapat berlangsung secara spontan. Proses yang mampu balik adalah proses yang berlangsung tanpa perubahan entropi (Δs=0). Jika suatu proses dapat dikendalikan secara sempurna dan berlangsung secara mampu-balik maka akan menghasilkan jumlah maksimum energi yang dapat digunakan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang sesempurna ini karena setiap konversi energi selalu diikuti dengan kehilangan energi. Entropi suatu sistem secara termodinamik dinyatakan sebagai

……………………… (2.6)

Pada proses adiabatik, dimana tidak ada panas yang berpindah, tidak terjadi perubahan entropi. Jika pada sistem terjadi reaksi kimia yang mempunyai entalpi perubahan sebesar DH, maka perpindahan panas antara sistem dengan lingkungan pada tekanan tetap adalah q=DT.

Definisi entropi secara statistik memungkinkan kita menghitung ketidak-teraturan sistem secara nyata dengan Persamaan Ludwig Boltzman berikut:

.....................................(2.7)

dimana W adalah banyaknya variasi cara untuk mendapatkan energi sistem melalui penyusunan atom atau molekul diantara status yang tersedia, sedangkan k adalah tetapan Boltzman, yaitu (Tambunan, 2007)
Hukum kedua termodinamika menghasilkan konsep eksergi, yang didefinisikan sebagai energi minimum yang diperlukan oleh, atau energi maksimum yang dapat diambil dari, suatu proses tertentu. Melalui konsep eksergi, tingkat kegunaan dinyatakan sebagai bagian energi yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanis. Penggunaan kaidah eksergi dalam analisa pendinginan dijelaskan pada bagian lain.

3. Properti, Status dan Fase Zat

Properti adalah sifat materi yang dapat dikur secara kuantitatif. Kerja dan pindah panas dapat diukur dan dihitung, namun kedua hal tersebut bukan properti. Properti termodinamika diukur berdasarkan suatu datum. Terdapat dua datum yang umum digunakan 00C dan -400C yang diukur pada tekanan 1 atm. Nilai salah satu properti dapat ditentukan dari dua properti lainnya, misalnya tekanan sebagai fungsi volume spesifik dan suhu, atau p=p(v,T), dan seterusnya. Properti yang umum digunakan untuk menyatakan status suatu sistem sederhana (zat murni yang hanya terdiri atas satu komponen) adalah tekanan (p; satuan Pa), volume spesifik (v; satuan m3/kg), suhu (T; satuan K), energi dalam spesifik (u; satuan kJ/kg), entalpi spesifik (h; satuan kJ/kg), dan entropi spesifik (s; satuan kJ/kg). Untuk sistem yang terdiri atas lebih dari satu zat yang tidak saling bersenyawa, penentuan nilai properti tersebut dapat dilakukan jika komposisi masing-masing zat di dalam sistem diketahui. (Tambunan, 2007)

Properti dapat digolongkan menjadi properti ekstensif, yaitu jika nilainya berubah akibat pembagian/pembelahan (seperti massa, volume, dan energi), dan properti intensif, yaitu jika nilainya tetap meskipun terjadi pembagian/pembelahan (seperti volume jenis, tekanan dan suhu) (Tambunan, 2007).

Kapasitas panas (c) adalah properti ekstensif yang sering dinyatakan dalam per satuan massa sehingga disebut sebagai kapasitas panas jenis. Kapasitas panas jenis didefinisikan sebagai perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massa zat tertentu. Kapasitas panas jenis dapat berupa kapasitas panas jenis pada volume tetap (cv) dan pada tekanan tetap (cp), sesuai dengan kondisi yang ditetapkan.
cv dituliskan dalam persamaan:

..............................(2.8)

dan cp dapat dituliskan dengan persamaan:

.............................................................(2.9)

Hubungan antara kapasitas panas jenis suatu gas ideal pada tekanan tetap dengan pada volume tetap dapat ditentukan jika u, h, dan pV dinyatakan sebagai fungsi T. Bentuk diferensial persamaan [2-8] terhadap suhu adalah:

..................................................(2.10)

Sehingga, dengan memasukkan persamaan (8) dan (9), serta persamaan gas ideal pV=RT, akan diperoleh:

........................................(2.11)

Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada volume tetap (cp/cv) sering sangat bermanfaat untuk analisis sistem pendinginan. Untuk gas ideal nilai rasio kapasitas panas tersebut adalah:

[2.12]

Fasa suatu zat dapat diketahui berdasarkan dua sifat yang berbeda. Jika nilai salah satu properti berubah maka dikatakan zat tersebut mengalami proses. Sifat yang umum dipakai adalah tekanan, suhu, dan volume. Ketiga sifat ini dapat digambarkan dalam satu grafik untuk mengetahui perbedaan fasa suatu zat. Bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 2-1.

Gambar 2.1. Permukaan p-v-T untuk zat yang mengembang pada saat membeku untuk mengetahui fasa zat.

Gambar diatas dpat diuraikan menjadi grafik dua dimensi untuk kegunaan yang khusus. Grafik volume-tekanan Status zat dapat ditunjukkan melalui grafik hubungan p, v, dan T, seperti dapat dilihat pada Gambar 2-2 untuk zat yang mengembang pada saat membeku (seperti air). Pada diagram tersebut ditunjukkan bidang yang merupakan permukaan p-v-T dan terdiri atas tiga bidang satu fase (masing-masing: fase padat, fase cair, dan fase gas), tiga bidang dua fase (masing-masing: bidang padat-cair, cair-gas, dan padat gas), serta satu garis tiga fase (padat-cair-gas) yang sering juga disebut sebagai garis tripel. Bidang-bidang tersebut memberi semua kemungkinan keadaan seimbang yang dapat dicapai oleh suatu zat murni. Pada bidang dua fase, suhu dan tekanan saling terpaut, sehingga salah satu dapat berubah jika dan hanya jika yang lainnya berubah. Dengan demikian, pada wilayah ini status tidak dapat ditentukan hanya berdasarkan tekanan dan suhu, tetapi dapat ditentukan berdasarkan volume jenis dengan suhu atau tekanan.

(a)(b)
(c)
Gambar 2-2. Diagram p-T (a), diagram p-v (b), dan diagram T-v (c) untuk zat yang mengembang pada saat membeku

Proyeksi permukaan p-v-T terhadap bidang p-v, p-T, dan T-v untuk air ditunjukkan pada Gambar 2-2. Pertemuan kedua garis jenuh tersebut dikenal dengan titik kritis, dan sering dinyatakan dalam suhu kritis, tekanan kritis, dan volume jenis kritis. Suhu kritis suatu zat murni adalah suhu tertinggi pada mana fase cair dan gas dapat berada bersama-sama. Titik kritik berbagai zat diberikan pada Lampiran 1. Jika permukaan p-v-T diproyeksikan menjadi bidang p-T maka diperoleh diagram fase, seperti diagram (a) pada kedua gambar di atas. Pada diagram fase, wilayah dua fase berubah menjadi garis P-C, P-U, dan C-U. Pertemuan ketiga garis tersebut disebut titik tripel. Titik tripel air berada pada suhu 273.16 oC dan tekanan 0.6113 kPa. Permukaan p-v-T dapat pula diproyeksikan menjadi bidang p-v dan T-v untuk keperluan tertentu.

Status jenuh (saturation state) adalah status zat saat terjadinya perubahan fase (sejak mulai hingga berakhir). Fase merujuk kepada sejumlah zat yang mempunyai komposisi kimia dan struktur fisika yang serba-sama, baik dalam bentuk padatan, cairan, atau uap (gas). Untuk tujuan keteknikan, fase gas dapat dibagi lagi menjadi uap dan gas sebenarnya. Pembagian tersebut tidak terlalu tegas dan hanya didasarkan pada derajat kesesuaiannya pada kaidah gas ideal, dimana uap dianggap sebagai fase gas yang tidak sesuai dengan kaidah gas ideal. Pada sistem refrigerasi, refrigeran berada pada keadaan cair atau uap, atau keduanya pada saat yang sama dengan proporsi tertentu. Kebanyakan refrigeran yang bekerja pada fase gas berada pada kondisi yang sangat dekat dengan garis jenuh sehingga dapat digolongkan sebagai uap. Pada pembuatan dry-ice (karbon dioksida padat) ketiga fase tersebut dapat ditemukan secara bersama-sama.

B. Proses dan Siklus Termodinamika

Proses adalah perpindahan zat dari suatu status ke status lainnya yang masing-masing berada dalam keseimbangan. Sistem yang tidak mengalami perubahan properti terhadap waktu disebut dalam status mantap (steady state), sedangkan yang mengalami perubahan disebut status tak-mantap (unsteady-state/transient).

Keadaan seimbang adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan (bersih) dalam sistem, atau antara sistem dengan lingkungannya. Pada keadaan seimbang, suhu dan tekanan menjadi seragam dan tidak ada lagi gaya-gaya tak-seimbang yang bekerja di seluruh sistem. Keseimbangan (equilibrium) secara termodinamik sulit didefinisikan sehingga sering harus dikelompokkan menjadi beberapa jenis keseimbangan, seperti keseimbangan mekanik, panas, fase dan kimia. Jika suatu sistem tidak menunjukkan terjadinya perubahan, maka sistem tersebut dapat dikatakan berada pada status keseimbangan. Proses nyata umumnya terjadi dalam keadaan tak-seimbang, sehingga sering didekati dengan keadaan seimbang-semu. Proses seimbang-semu (quasi-equilibrium process) adalah suatu idealisasi yang menganggap terjadinya perpindahan sangat kecil dari status keseimbangan.

Uap super panas mempunyai sifat seperti gas jika berada di bawah suhu kritisnya. Beberapa proses yang dapat terjadi pada pemanasan dan ekspansi uap adalah sebagaimana yang dijelaskan berikut. Proses volume tetap (isometric) adalah proses yang bekerja pada satu garis volume sehingga volume akhir sama dengan volume awal proses. Proses tekanan tetap (isobaric) adalah proses yang bekerja pada satu garis tekanan sehingga tekanan akhir sama dengan tekanan awal proses. Pada tekanan tertentu terdapat suhu jenuh yang tertentu pula sehingga di dalam wilayah yang dibatasi oleh garis jenuh cair dan uap proses tekanan tetap adalah juga proses suhu tetap (isothermic), yaitu proses yang bekerja pada satu garis suhu. Proses cekik (throtling) terjadi jika terdapat penyempitan luas penampang aliran. Pada proses ini tekanan akan berkurang akibat adanya gesekan dalam aliran, dan tidak terjadi kerja maupun perpindahan kalor. Proses cekik dipergunakan untuk pendinginan dan pengeringan uap.

Pada mesin-mesin refrigerasi, pencekikan refrigeran dilakukan dengan cara melewatkannya melalui suatu penampang saluran yang menyempit pada katup ekspansi atau melalui sebuah pipa kapiler yang panjang sehingga terjadi penurunan tekanan. Dengan proses cekik suhu uap akan turun diikuti dengan peningkatan mutu uap, sebagian panas sensibel diubah menjadi panas laten dan uap menjadi bersifat super panas.

a. Siklus dan mesin panas

Gambar 2-3 adalah diagram suatu siklus dimana satu satuan massa gas mengalami pengembangan (ekspansi) dari keadaan 1 ke keadaan 2. Pada saat tersebut kerja dilepas ke luar sebesar luasan 1-a-2-d-c-1. Pada mesin nyata proses tidak dapat berlangsung hanya satu arah akan tetapi gas yang berada pada keadaan 2 harus dikembalikan ke keadaan 1 dengan suatu cara tertentu. Proses dari keadaan 2 ke keadaan 1 disebut pengempaan (kompresi) dengan memberi kerja kepada gas. Lintasan yang dilalui pada proses tersebut adalah 2-b-1, dan kerja yang harus diberikan tersebut adalah sebesar luasan 2-b-1-c-d. Kerja bersih yang dilepaskan dari sistem tersebut adalah :

W = luasan 1-a-2-d-c - luasan 2-b-1-c-d = luasan 1-a-2-b-1 (luasan terarsir), atau :

[2.13]

Gambar 2-3. Suatu siklus tertutup yang digambarkan pada diagram p-v

Dengan demikian, siklus adalah suatu perubahan keadaan yang melingkupi suatu luasan tertutup di dalam suatu diagram keadaan (p-V, T-s, dll). Jika jumlah panas yang ditambahkan ke dalam suatu siklus adalah Qi dan jumlah panas yang dilepas adalah Qo maka kerja yang terjadi pada siklus tersebut dapat juga dituliskan sebagai :

[2.14]

Siklus yang ditunjukkan di atas bekerja searah gerakan jarum jam, panas Qi diterima dan kerja W dilepas ke luar. Dengan kata lain sebagian dari panas diubah menjadi kerja. Mesin-mesin panas menghasilkan panas dengan cara tersebut. Mesin panas diharapkan dapat mengubah sebanyak mungkin panas yang diterima menjadi kerja. Perbandingan kerja yang dihasilkan dengan panas yang diterima disebut dengan efisiensi termal, yaitu :

[2.15]

b. Siklus terbalik dan mesin pendingin

Jika siklus pada gambar 2.3 bekerja pada arah terbalik (berlawanan arah gerakan jarum jam) seperti ditunjukkan pada gambar 2.4 maka arah panas dan kerja juga adalah sebaliknya. Dengan cara demikian, kerja dari luar dikenakan pada gas, sedangkan panas dapat diambil dari sumber bersuhu rendah sebesar Qo dan dilepas pada sumber bersuhu tinggi sebesar Qi = W-Qo. Siklus demikian disebut dengan siklus terbalik.

Pada siklus terbalik, panas yang seharusnya mengalir secara alami dari sumber bersuhu tinggi ke sumber bersuhu rendah, dibalik sehingga panas dari sumber bersuhu rendah dialirkan ke sumber bersuhu tinggi dengan mengenakan kerja. Siklus terbalik merupakan dasar kerja suatu mesin pendingin (refrigerator) dan pompa panas (heat pump). Mesin pendingin adalah mesin yang digunakan untuk mendapatkan suhu dingin, sedangkan pompa panas adalah mesin yang digunakan untuk memperoleh panas dari sumber bersuhu rendah. Istilah pompa panas digunakan sebagai analogi suatu pompa air yang digunakan untuk memperoleh air dari sumber pada lokasi yang lebih rendah. Kinerja kedua mesin tersebut umumnya dinyatakan dengan tetapan penampilan (coefficient of performance; COP), yaitu :

Mesin pendingin :

[2.16]

Pompa panas :

[2.17]

Koefisien penampilan di atas dapat digunakan sebagai pembanding standar untuk mesin pendingin dan pompa panas dalam keadaan nyata.

Gambar 2.4. Siklus terbalik

Contoh Soal 2.1.

Tentukan entalpi dan energi dalam zat karbondioksida yang berada pada keadaan uap jenuh pada suhu dan tekanan seperti pada contoh soal 1., jika panas laten penguapannya adalah 320,52 kJ/kg dan volume jenis uap jenuh yang dihasilkan adalah 0,0382 m3/kg.

Jawab:
Panas laten penguapan adalah selisih antara entalpi pada keadaan uap jenuh dengan entalpi pada keadaan cair jenuh, atau:

Karena Hl = 0, maka Hv = DH + 0 = 320,52 kJ/kg
Energi dalam dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan,
Uv = Hv - pVv = 320,52 - 103 (0,0382) = 282,32 kJ/kg

Contoh soal 2.2

Uap pada tekanan 10 bar dan mutu uap 0.9 dicekik hingga mencapai tekanan 2 bar. Gunakan tabel uap untuk menentukan mutu uap akhir.

Jawab :
Pada p1 = 10 bar diperoleh T1 = 179.9 oC, hf1 = 762.81 kJ/kg, dan hg1 = 2778.1 kJ/kg
Pada p2 = 2 bar diperoleh T2 = 120.2 oC, hf2 = 504.70 kJ/kg, dan hg2 = 2706.7 kJ/kg
Dengan pers. [1-2] diperoleh h1 = hf1 + x1 (hg1 - hf1) = 762.81 + 0.9 (2015.29) = 2576.57 kJ/kg
Proses cekik terjadi secara adiabatik sehingga h1 = h2 = 2576.57 kJ/kg
Karena h2 < x2 =" (h2" 0 ="">

Siklus carnot pertama kali diperkenalkan oleh Sadi Carnot, ilmuwan Prancis (1796-1832) yang dikembangkan oleh Clayperon. Siklus Carnot merupakan siklus yang digunakan untuk analisa mesin panas, dimana untuk menghasilkan kerja, maka kalor dipindahkan dari suhu tinggi ke suhu rendah. Pada siklus pendinginan, hal ini dibalik, dimana tujuan akhirnya adalah mendapatkan keadan yang lebih dingin. Pembalikan ini digambarkan pada gambar berikut

Pada siklus Carnot asli, kerja dihasilkan dari berpindahnya panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. (W = Qh-Ql). Pada mesin pendingin dibutuhkan kerja untuk memindahkan panas dari suhu rendah ke suhu tinggi (W=Ql-Qh). Efisiensi sutu mesin didefinisikan sebagai perbandingan hasil kerja dan usaha untuk mengasilkan kerja.

Pada siklus mesin panas efisiensi selalu bernilai kurang dari 1 (efisiensi = W/Qh = 1-Ql/Qh). Hasil dari siklus pendinginan adalah efek pendinginan yang terjadi (Ql) dan kerja yang diperlukan adalah sebesar W (Qh-Ql) dan karenanya efisiensi mesin pendingin selalu lebih besar dari satu (efisiensi= Ql/W)