Sel surya atau sel fotovoltaik, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda pertemuan p-n, di mana dengan adanya cahaya matahari dapat menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan bentuk energi ini disebut efek fotovoltaik. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai fotovoltaik.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.

Banyak bahan semikonduktor yang dapat dipakai untuk membuat sel surya diantaranya silikon, titanium oksida, germanium, dll.

Aplikasi

Rakitan sel surya digunakan untuk membuat modul surya yang menghasilkan daya listrik dari sinar matahari, yang dibedakan dari "modul termal surya" atau "panel air panas surya". Jajaran surya menghasilkan tenaga surya menggunakan energi matahari.

Sel, panel, modul, dan sistem

Dari sel surya ke sistem PV. Diagram komponen yang mungkin dari sistem fotovoltaik

Beberapa sel surya dalam kelompok terpadu, semuanya berorientasi dalam satu bidang, membentuk panel atau modul fotovoltaik surya. Modul fotovoltaik sering kali memiliki selembar kaca di sisi yang menghadap matahari, memungkinkan cahaya untuk lewat dan melindungi wafer semikonduktor. Sel surya biasanya dihubungkan secara seri dan paralel atau seri dalam modul, menciptakan tegangan tambahan. Menghubungkan sel secara paralel menghasilkan arus yang lebih tinggi. Namun, masalah seperti efek bayangan dapat mematikan string paralel (sejumlah sel yang terhubung secara seri) yang lebih lemah (kurang menyala) menyebabkan kehilangan daya yang substansial dan kemungkinan kerusakan karena bias balik diterapkan pada sel-sel yang tertutupi oleh sel lainnya yang disoroti cahaya. String sel seri biasanya ditangani secara independen dan tidak terhubung secara paralel, meskipun hingga tahun 2014 kotak daya individu telah sering dipasok untuk setiap modul dan terhubung secara paralel. Meskipun modul dapat dihubungkan untuk membuat jajaran surya dengan tegangan DC puncak yang diinginkan dan kapasitas arus pemuatan, MPPT independen lebih disukai (pelacak titik daya maksimum). Jika tidak, dioda shunt dapat mengurangi hilangnya daya bayangan dalam jajaran surya menggunakan sel yang terhubung secara seri/paralel.   

Harga sistem PV tipikal pada 2013 di negara-negara tertentu ($/W)

Sejarah

Efek fotovoltaik didemonstrasikan pertama kali oleh fisikawan Prancis Edmond Becquerel. Pada tahun 1839, pada usia 19, ia membangun sel fotovoltaik pertama di dunia di laboratorium ayahnya. Willoughby Smith pertama kali menggambarkan "Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current" ("Pengaruh Cahaya pada Selenium selama perjalanan Arus Listrik") dalam Nature edisi 20 Februari 1873. Pada tahun 1883 Charles Fritts membangun sel fotovoltaik padat pertama dengan melapisi selenium semikonduktor dengan lapisan tipis emas untuk membentuk persimpangan; perangkat ini hanya memiliki efisiensi sekitar 1%. Capaian lain termasuk:

• 1888 - Fisikawan Rusia Aleksandr Stoletov membangun sel pertama berdasarkan efek fotolistrik luar yang ditemukan oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887.
• 1905 - Albert Einstein mengusulkan teori kuantum cahaya yang baru dan menjelaskan efek fotolistrik dalam makalah penting, di mana ia menerima Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1921.
• 1941 - Vadim Lashkaryov menemukan pertemuan p-n pada sel proto Cu2O dan Ag2S.
• 1946 - Russell Ohl mematenkan sel surya semikonduktor junction modern, sambil mengerjakan serangkaian kemajuan yang akan mengarah pada transistor.
• 1954 - sel fotovoltaik praktis pertama didemonstrasikan secara publik di Bell Laboratories. Para penemu adalah Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin dan Gerald Pearson.
• 1958 - sel surya menjadi terkenal dengan penggabungannya ke satelit Vanguard I.

NASA menggunakan sel surya di pesawat ruang angkasa sejak awal. Sebagai Contoh, Explorer 6, diluncurkan pada tahun 1959, memiliki empat jajaran yang akan terbuka begitu mencapai orbit. jajaran ini menyediakan daya untuk berbulan-bulan di luar angkasa.

Aplikasi luar angkasa

Sel surya pertama kali digunakan dalam aplikasi yang menonjol ketika mereka diusulkan dan diterbangkan pada satelit Vanguard pada tahun 1958, sebagai sumber daya alternatif ke sumber daya baterai utama. Dengan menambahkan sel ke bagian satelit, waktu misi dapat diperpanjang tanpa perubahan besar pada pesawat ruang angkasa atau sistem dayanya. Pada tahun 1959 Amerika Serikat meluncurkan Explorer 6, menampilkan jajaran surya besar berbentuk sayap, yang menjadi fitur umum pada satelit tersebut. Jajaran ini terdiri dari 9600 sel surya Hoffman.

Pada 1960-an, sel surya adalah sumber daya utama untuk sebagian besar satelit yang mengorbit Bumi dan sejumlah wahana antariksa di tata surya, karena menawarkan rasio daya-terhadap-berat yang terbaik. Namun, keberhasilan ini dimungkinkan karena dalam aplikasi luar angkasa, biaya sistem daya bisa begitu tinggi, karena pengguna ruang memiliki sedikit opsi daya lain, dan kesediaan membayar untuk sel surya terbaik. Pasar tenaga luar angkasa mendorong pengembangan efisiensi yang lebih tinggi dalam sel surya hingga program Yayasan Sains Nasional "Penelitian yang Diterapkan untuk Kebutuhan Nasional" mulai mendorong pengembangan sel surya untuk aplikasi terestrial.

Pada awal 1990-an teknologi yang digunakan untuk sel surya luar angkasa membelok dari teknologi silikon yang digunakan untuk panel terestrial, dengan aplikasi pesawat ruang angkasa bergeser ke bahan semikonduktor III-V berbasis galium arsenida, yang kemudian berkembang menjadi sel fotovoltaik multipertemuan III-V modern yang digunakan di pesawat luar angkasa.

Penurunan biaya

Pemutakhiran terjadi secara bertahap selama 1960-an. Ini juga merupakan alasan bahwa biaya sel surya begitu tinggi, karena pengguna bersedia membayar untuk sel terbaik, tanpa meninggalkan alasan untuk berinvestasi dalam solusi yang lebih murah dan kurang efisien. Harga sebagian besar ditentukan oleh industri semikonduktor; perpindahan tren menuju sirkuit terpadu pada 1960-an menyebabkan ketersediaan boule yang lebih besar dengan harga relatif lebih rendah. Ketika harganya turun, harga sel yang dihasilkan juga. Efek ini menurunkan biaya sel pada tahun 1971 menjadi sekitar $ 100 per watt.

Pada akhir 1969 Elliot Berman bergabung dengan gugus tugas Exxon yang sedang mencari proyek 30 tahun di masa depan dan pada April 1973 ia mendirikan Solar Power Corporation, anak perusahaan yang sepenuhnya dimiliki Exxon pada waktu itu. Kelompok ini menyimpulkan bahwa daya listrik akan jauh lebih mahal pada tahun 2000, dan merasa bahwa kenaikan harga ini akan membuat sumber energi alternatif lebih menarik. Dia melakukan studi pasar dan menyimpulkan bahwa harga per watt sekitar $ 20/watt akan menciptakan permintaan yang signifikan. Tim menghilangkan langkah-langkah memoles wafer dan melapisinya dengan lapisan anti-reflektif, dengan mengandalkan permukaan wafer gergajian kasar. Tim juga mengganti bahan-bahan mahal dan kabel tangan yang digunakan dalam aplikasi luar angkasa dengan papan sirkuit cetak di bagian belakang, plastik akrilik di bagian depan, dan lem silikon di antara keduanya, "pot" sel. Sel surya dapat dibuat menggunakan bahan buangan dari pasar elektronik. Pada tahun 1973 mereka mengumumkan produk, dan SPC meyakinkan Tideland Signal untuk menggunakan panelnya untuk memberi daya pada pelampung navigasi, awalnya untuk US Coast Guard.

Pengurangan biaya dan pertumbuhan eksponensial

Volume energi sel surya Si dan minyak yang dikumpulkan oleh manusia per dolar, dan intensitas karbon dari beberapa teknologi pembangkit listrik utama.

Menyesuaikan inflasi, biayanya adalah $ 96 per watt untuk modul surya pada pertengahan 1970-an. Peningkatan proses dan peningkatan produksi yang sangat besar telah menurunkan angka itu menjadi 99%, menjadi 68 ¢ per watt pada 2016, menurut data dari Bloomberg New Energy Finance. Hukum Swanson adalah pengamatan yang mirip dengan Hukum Moore yang menyatakan bahwa harga sel surya turun 20% untuk setiap penggandaan kapasitas industri. Itu ditampilkan dalam sebuah artikel di surat kabar mingguan Inggris The Economist pada akhir 2012.

Pemutakhiran lebih lanjut mengurangi biaya produksi hingga di bawah $ 1 per watt, dengan biaya grosir jauh di bawah $ 2. Biaya saldo sistem sejak saat itu menjadi lebih tinggi daripada biaya panel surya itu sendiri. Jajaran komersial besar dapat dibangun, pada 2010, di bawah $ 3,40 per watt, sepenuhnya beroperasi.

Ketika industri semikonduktor berpindah menuju boule yang semakin besar, peralatan lama menjadi tidak mahal. Ukuran sel surya tumbuh ketika peralatan menjadi tersedia di pasar surplus; Panel asli ARCO Solar menggunakan sel dengan diameter 2 hingga 4 inci (50 hingga 100 mm). Panel pada 1990-an dan awal 2000-an umumnya digunakan wafer 125 mm. Dan sejak 2008, hampir semua panel baru menggunakan sel 156 mm. Penyebaran dari televisi layar datar pada akhir 1990-an dan awal 2000-an menyebabkan tersedianya lembaran kaca besar berkualitas tinggi untuk menutupi panel.

Selama tahun 1990-an, sel polisilikon ("poli") menjadi semakin populer. Sel-sel ini menawarkan efisiensi yang lebih rendah dibandingkan dengan monosilikon ("mono"), tetapi mereka tumbuh dalam kuantitas besar yang mengurangi biaya. Pada pertengahan 2000-an, sel poli menjadi dominan di pasar panel berbiaya rendah, tetapi baru-baru ini mono kembali digunakan secara luas.

PV surya tumbuh tercepat di Asia, dengan Tiongkok dan Jepang saat ini menyumbang setengah dari penyebaran di seluruh dunia.[19] Kapasitas PV terpasang global mencapai setidaknya 301 gigawatt pada 2016, dan tumbuh untuk memasok 1,3% daya global pada 2016.

Faktanya, energi yang dikumpulkan oleh sel surya silikon dengan biaya satu dolar telah melampaui energi yang dihasilkan oleh minyak dengan biaya yang sama sejak 2004. Diperkirakan bahwa listrik dari PV akan bersaing dengan biaya listrik grosir di seluruh Eropa dan waktu pengembalian energi dari modul silikon kristal dapat dikurangi hingga di bawah 0,5 tahun pada tahun 2020.

Material

Sel surya biasanya dinamai dengan bahan semikonduktor pembuatnya. Bahan-bahan ini harus memiliki karakteristik tertentu untuk menyerap sinar matahari. Beberapa sel dirancang untuk menangani sinar matahari yang mencapai permukaan bumi, sementara yang lain dioptimalkan untuk digunakan di luar angkasa. Sel surya dapat dibuat hanya dari satu lapisan tunggal bahan penyerap cahaya (pertemuan tunggal) atau menggunakan beberapa konfigurasi fisik (multipertemuan) untuk memanfaatkan berbagai mekanisme penyerapan dan pemisahan muatan.

Sel surya dapat diklasifikasikan menjadi sel generasi pertama, kedua dan ketiga. Sel generasi pertama — juga disebut sel konvensional, tradisional, atau berbasis wafer — terbuat dari silikon kristal, teknologi PV yang dominan secara komersial, yang mencakup bahan-bahan seperti polisilikon dan silikon monokristalin. Sel generasi kedua adalah sel surya film tipis, yang meliputi silikon amorf, CdTe dan sel CIGS dan secara komersial signifikan dalam skala pembangkit listrik fotovoltaik, membangun fotovoltaik terintegrasi atau dalam sistem daya kecil yang berdiri sendiri. Generasi ketiga dari sel surya mencakup sejumlah teknologi film tipis yang sering digambarkan sebagai fotovoltaik pegari (emerging) — kebanyakan dari teknologi generasi ini belum diterapkan secara komersial dan masih dalam tahap penelitian atau pengembangan. Banyak yang menggunakan bahan organik, sering kali senyawa organologam serta zat anorganik. Terlepas dari kenyataan bahwa efisiensinya rendah dan stabilitas bahan penyerap sering kali terlalu rendah untuk aplikasi komersial, ada banyak penelitian yang diinvestasikan ke dalam teknologi ini karena mereka menjanjikan untuk mencapai tujuan menghasilkan biaya rendah, efisiensi tinggi sel surya.

Silikon kristal

Sejauh ini, bahan curah paling umum untuk sel surya adalah silikon kristal (c-Si), juga dikenal sebagai "silikon kualitas sel surya". Kumpulan silikon dipisahkan menjadi beberapa kategori sesuai dengan kristalinitas dan ukuran kristal dalam ingot, pita atau wafer yang dihasilkan. Sel-sel ini seluruhnya didasarkan pada konsep pertemuan p-n. Sel surya yang terbuat dari c-Si terbuat dari wafer dengan tebal antara 160 dan 240 mikrometer.

Silikon monokristalin

Sel surya silikon monokristalin (mono-Si) lebih efisien dan lebih mahal daripada kebanyakan jenis sel lainnya. Sudut-sudut sel terlihat terpotong, seperti segi delapan, karena bahan wafer dipotong dari ingot silinder, yang biasanya dibuat melalui proses Czochralski. Panel surya menggunakan sel mono-Si menampilkan pola khas berlian putih kecil.

Pengembangan silikon epitaksial

Wafer epitaksial silikon kristalin dapat ditumbuhkan pada wafer "benih" silikon monokristalin oleh deposisi uap kimia (CVD), dan kemudian terlepas sebagai wafer yang menopang diri sendiri dengan ketebalan standar (misalnya, 250 μm) yang dapat dimanipulasi dengan tangan, dan secara langsung diganti dengan sel wafer yang dipotong dari ingot silikon monokristalin. Sel surya yang dibuat dengan teknik "tanpa kerf" ini dapat memiliki efisiensi mendekati sel-sel wafer-cut, tetapi dengan biaya yang jauh lebih rendah jika CVD dapat dilakukan pada tekanan atmosfer dalam proses inline dengan throughput yang tinggi. Permukaan wafer epitaksial mungkin bertekstur untuk meningkatkan penyerapan cahaya.

Pada Juni 2015, dilaporkan bahwa sel surya heterojunction yang ditumbuhkan secara epitaksial pada wafer silikon tipe-n monokristalin telah mencapai efisiensi 22,5% dari total luas sel 243,4 cm{\displaystyle ^{2}}{\displaystyle ^{2}}.

Silikon polikristalin

Sel silikon polikristalin, atau silikon multikristalin (multi-Si) dibuat dari ingot kotak — blok besar silikon cair yang didinginkan dan dipadatkan dengan hati-hati. Sel ini terdiri dari kristal-kristal kecil yang memberikan material efek serpihan logam yang khas. Sel polisilikon adalah jenis yang paling umum digunakan dalam fotovoltaik dan lebih murah, tetapi juga kurang efisien, dibandingkan dengan yang dibuat dari silikon monokristalin.

Silikon pita

Silikon pita adalah jenis silikon polikristalin — dibentuk dengan menarik film tipis rata dari silikon cair dan menghasilkan struktur polikristalin. Sel-sel ini lebih murah daripada multi-Si, karena pengurangan besar dalam limbah silikon, karena pendekatan ini tidak memerlukan penggergajian dari ingot. Namun, sel ini juga kurang efisien.

Silikon mono-seperti-multi (MLM)

Bentuk sel ini dikembangkan pada 2000-an dan diperkenalkan secara komersial sekitar 2009. Juga disebut cor-mono, desain ini menggunakan ruang pencetakan polikristalin dengan "biji" kecil material monokristalin. Hasilnya adalah material seperti monokristalin yang dikelilingi polikristalin di permukaan luarnya. Ketika diiris untuk diproses, bagian dalam adalah sel seperti monokristalin efisiensi tinggi (tetapi bentuknya persegi bukannya "terpotong"), sedangkan tepi luarnya dalah polikristalin konvensional. Metode produksi ini menghasilkan sel seperti monokristalin dengan harga mirip polikristalin.

Film tipis

Teknologi film tipis mengurangi jumlah bahan aktif dalam sel. Sebagian besar desain menempatkan bahan aktif di antara dua panel kaca. Karena panel surya silikon hanya menggunakan satu panel kaca, panel film tipis kira-kira dua kali lebih berat dari panel silikon kristal, meskipun mereka memiliki dampak ekologis yang lebih kecil (ditentukan dari analisis siklus nyala).

Kadmium telurida

Kadmium telurida adalah satu-satunya bahan film tipis sejauh ini yang mampu menyaingi silikon kristal dalam hal biaya/watt. Namun kadmium sangat beracun dan persediaan telurium (anion: "telurium") terbatas. Kadmium yang ada dalam sel akan beracun jika dilepaskan begitu saja. Namun, pelepasan tidak mungkin terjadi selama operasi normal sel dan tidak mungkin terjadi saat ada kebakaran di atap rumah.[31] Satu meter persegi CdTe mengandung kira-kira jumlah Cd yang sama dengan baterai nikel kadmium sel C tunggal, dalam bentuk yang lebih stabil dan kurang terlarut.

Tembaga indium galium selenida

Tembaga indium galium selenida (CIGS) adalah bahan celah pita langsung. Sel ini memiliki efisiensi tertinggi (~ 20%) di antara semua bahan film tipis yang signifikan dan tersedia secara komersial (lihat sel surya CIGS). Metode fabrikasi tradisional melibatkan proses vakum termasuk co-evaporasi dan sputtering. Perkembangan terbaru di IBM dan Nanosolar berupaya untuk menurunkan biaya dengan menggunakan proses solusi non vakum.

Film tipis silikon

Sel film tipis silikon terutama disimpan oleh deposisi uap kimia (biasanya ditingkatkan plasma, PE-CVD) dari gas silena dan gas hidrogen. Tergantung pada parameter deposisi, proses ini dapat menghasilkan silikon amorf (a-Si atau a-Si:H), silikon protokristalin atau silikon nanokristalin (nc-Si atau nc-Si:H), juga disebut silikon mikrokristalin.

Silikon amorf adalah teknologi film tipis yang paling berkembang saat ini. Sel surya silikon amorf (a-Si) terbuat dari silikon nonkristal atau mikrokristalin. Silikon amorf memiliki celah pita yang lebih tinggi (1,7 eV) dari silikon kristalin (c-Si) (1,1 eV), yang berarti sel itu cenderung menyerap bagian dari spektrum matahari yang terlihat daripada bagian spektrum inframerah dengan kepadatan daya yang lebih tinggi. Produksi sel surya film tipis-Si menggunakan kaca sebagai substrat dan menyimpan lapisan silikon yang sangat tipis dengan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD).

Silikon protokristalin dengan fraksi volume rendah silikon nanokristalin optimal untuk tegangan rangkaian terbuka tinggi.[34] Nc-Si memiliki celah pita yang hampir sama dengan c-Si dan nc-Si dan a-Si secara menguntungkan dapat dikombinasikan dalam lapisan tipis, menciptakan sel berlapis yang disebut sel tandem. Sel atas berupa a-Si menyerap cahaya tampak dan meninggalkan bagian spektrum inframerah untuk sel bawah yang berupa nc-Si.

Film tipis galium arsenida

Bahan semikonduktor galium arsenida (GaAs) juga digunakan untuk sel surya film tipis kristal tunggal. Meskipun sel-sel GaAs sangat mahal, sel ini memegang rekor dunia dalam efisiensi untuk sel surya pertemuan tunggal pada 28,8%.[35] GaAs lebih umum digunakan dalam sel fotovoltaik multipertemuan untuk fotovoltaik terkonsentrasi (CPV, HCPV) dan untuk panel surya pada wahana antariksa, karena industri lebih menyukai efisiensi daripada biaya untuk tenaga surya berbasis antariksa. Berdasarkan literatur sebelumnya dan beberapa analisis teoritis, ada beberapa alasan mengapa GaAs memiliki efisiensi konversi daya yang tinggi. Pertama, celah pita GaAs adalah 1,43 ev yang hampir ideal untuk sel surya. Kedua, karena Gallium adalah produk sampingan dari peleburan logam lain, sel-sel GaAs relatif tidak sensitif terhadap panas dan dapat menjaga efisiensi tinggi ketika suhu cukup tinggi. Ketiga, GaAs memiliki berbagai pilihan desain. Menggunakan GaAs sebagai lapisan aktif dalam sel surya, para insinyur dapat memiliki banyak pilihan lapisan lain yang dapat menghasilkan elektron dan lubang lebih baik pada GaAs.

Manufaktur

Kalkulator bertenaga surya generasi awal

Sel surya berbagi beberapa teknik pemrosesan dan pembuatan yang sama seperti perangkat semikonduktor lainnya. Namun, persyaratan ketat untuk kebersihan dan kontrol kualitas fabrikasi semikonduktor lebih longgar untuk sel surya, sehingga menurunkan biaya produksinya.

Wafer silikon polikristalin dibuat dengan menggergaji ingot silikon cetak blok menjadi wafer dengan ketebalan 180 hingga 350 mikrometer. Wafer biasanya berbentuk tipe-p-terdoping. Difusi permukaan dopan tipe-n dilakukan di sisi depan wafer. Ini membentuk pertemuan p-n beberapa ratus nanometer di bawah permukaan.

Lapisan antipantulan kemudian biasanya diterapkan untuk meningkatkan jumlah cahaya yang diterima sel surya. Silikon nitrida secara bertahap menggantikan titanium dioksida sebagai bahan pilihan, karena kualitas pasivasi permukaannya yang sangat baik. Ini mencegah rekombinasi pembawa di permukaan sel. Lapisan setebal beberapa ratus nanometer diaplikasikan menggunakan metode PECVD. Beberapa sel surya memiliki permukaan depan bertekstur yang, seperti lapisan antipantul, meningkatkan jumlah cahaya yang mencapai wafer. Permukaan semacam itu pertama kali diterapkan pada silikon kristal tunggal, diikuti oleh silikon multikristalin kemudian.

Kontak logam area penuh dibuat di permukaan belakang, dan kontak logam seperti kisi yang terbuat dari "jari" halus dan "batang bus" yang lebih besar dicetak dengan layar ke permukaan depan menggunakan pasta perak. Ini adalah evolusi dari apa yang disebut proses "basah" untuk penerapan elektroda, pertama kali dijelaskan dalam paten AS yang diajukan pada tahun 1981 oleh Bayer AG. Kontak belakang dibentuk dengan sablon pasta logam, biasanya aluminium. Biasanya kontak ini menutupi seluruh bagian belakang, meskipun beberapa desain menggunakan pola kisi. Pasta tersebut kemudian ditembakkan pada beberapa ratus derajat celcius untuk membentuk elektroda logam dalam kontak ohmik dengan silikon. Beberapa perusahaan menggunakan langkah pelapisan listrik tambahan untuk meningkatkan efisiensi. Setelah kontak logam dibuat, sel surya dihubungkan dengan kabel pipih atau pita logam, dan dirangkai menjadi modul atau "panel surya". Panel surya memiliki selembar kaca temper di bagian depan, dan enkapsulasi polimer di bagian belakang.

Sebuah sel surya, terbuat dari wafer silikon poly-crystalline.

Sel surya

 

Sumber Artikel: id.wikipedia.org

Mesin

Mesin adalah sistem fisik yang menggunakan tenaga untuk menerapkan gaya dan mengontrol gerakan untuk melakukan suatu tindakan. Istilah ini biasanya diterapkan pada perangkat buatan, seperti mesin atau motor, tetapi juga pada makromolekul biologis alami, seperti mesin molekuler. Mesin dapat digerakkan oleh hewan dan manusia, oleh kekuatan alam seperti angin dan air, dan oleh bahan kimia, panas, atau tenaga listrik, dan mencakup sistem mekanisme yang membentuk input aktuator untuk mencapai aplikasi kekuatan dan gerakan keluaran tertentu. Sistem ini juga dapat mencakup komputer dan sensor yang memantau kinerja dan merencanakan gerakan, yang sering disebut sistem mekanis.

Para filsuf alam Renaisans mengidentifikasi enam mesin sederhana yang merupakan perangkat dasar yang membuat beban bergerak, dan menghitung rasio gaya output terhadap gaya input, yang saat ini dikenal sebagai keunggulan mekanis.

Mesin modern adalah sistem kompleks yang terdiri dari elemen struktural, mekanisme, dan komponen kontrol, serta memiliki antarmuka agar mudah digunakan. Contohnya meliputi: berbagai macam kendaraan, seperti kereta api, mobil, kapal, dan pesawat terbang; peralatan di rumah dan kantor, termasuk komputer, sistem penanganan udara gedung dan penanganan air; serta mesin pertanian, peralatan mesin, dan sistem otomasi pabrik dan robot.

Etimologi

Kata machine dalam bahasa Inggris berasal dari bahasa Prancis Pertengahan dari bahasa Latin machina, yang pada gilirannya berasal dari bahasa Yunani (bahasa Doric μαχανά makhana, bahasa Ionic μηχανή mekhane 'alat, mesin, mesin',  turunan dari μῆχος mekhos 'sarana, cara, alat').  Kata mekanik (bahasa Yunani: μηχανικός) berasal dari akar kata yang sama. Arti yang lebih luas dari 'kain, struktur' ditemukan dalam bahasa Latin klasik, tetapi tidak dalam penggunaan bahasa Yunani. Makna ini ditemukan dalam bahasa Prancis pada akhir abad pertengahan, dan diadopsi dari bahasa Prancis ke dalam bahasa Inggris pada pertengahan abad ke-16.

Pada abad ke-17, kata machine juga dapat berarti skema atau plot, sebuah makna yang sekarang diungkapkan oleh kata turunan machination. Makna modern berkembang dari aplikasi khusus istilah tersebut untuk mesin panggung yang digunakan dalam teater dan mesin pengepungan militer, baik pada akhir abad ke-16 dan awal abad ke-17. OED melacak makna formal dan modern ke Lexicon Technicum (1704) karya John Harris, yang memiliki:

Mesin, atau Mesin, dalam bahasa Inggris Mechanicks, adalah segala sesuatu yang memiliki kekuatan yang cukup untuk menaikkan atau menghentikan gerakan suatu benda. Mesin Sederhana biasanya dianggap terdiri dari enam jenis, yaitu Ballance, Leaver, Katrol, Roda, Baji, dan Sekrup. Mesin Majemuk, atau Mesin, tidak terhitung banyaknya.
Kata mesin yang digunakan sebagai sinonim (hampir) baik oleh Harris maupun dalam bahasa selanjutnya pada akhirnya berasal (melalui bahasa Prancis Kuno) dari bahasa Latin ingenium 'kecerdikan, penemuan'.

Sejarah

Kapak tangan, yang dibuat dengan cara memotong batu api untuk membentuk baji, di tangan manusia mengubah gaya dan gerakan alat menjadi gaya pembelah melintang dan gerakan benda kerja. Kapak tangan adalah contoh pertama dari baji, yang tertua dari enam mesin sederhana klasik, yang menjadi dasar sebagian besar mesin. Mesin sederhana tertua kedua adalah bidang miring (ramp), yang telah digunakan sejak zaman prasejarah untuk memindahkan benda-benda berat.

Empat mesin sederhana lainnya ditemukan di Timur Dekat kuno. Roda, bersama dengan mekanisme roda dan poros, ditemukan di Mesopotamia (Irak modern) selama milenium ke-5 SM. Mekanisme tuas pertama kali muncul sekitar 5.000 tahun yang lalu di Timur Dekat, di mana tuas digunakan dalam timbangan sederhana, dan untuk memindahkan benda-benda besar dalam teknologi Mesir kuno.  Tuas juga digunakan pada alat pengangkat air shadoof, mesin derek pertama, yang muncul di Mesopotamia sekitar 3000 SM, dan kemudian pada teknologi Mesir kuno sekitar 2000 SM. Bukti paling awal tentang katrol berasal dari Mesopotamia pada awal milenium ke-2 SM, dan Mesir kuno pada masa Dinasti Keduabelas (1991-1802 SM).  Sekrup, mesin sederhana terakhir yang ditemukan, pertama kali muncul di Mesopotamia selama periode Neo-Assyria (911-609 SM). Piramida Mesir dibangun dengan menggunakan tiga dari enam mesin sederhana, yaitu bidang miring, baji, dan pengungkit.

Tiga dari mesin sederhana dipelajari dan dijelaskan oleh filsuf Yunani Archimedes sekitar abad ke-3 SM: tuas, katrol, dan sekrup. Archimedes menemukan prinsip keuntungan mekanis pada tuas. Para filsuf Yunani kemudian mendefinisikan lima mesin sederhana klasik (tidak termasuk bidang miring) dan dapat secara kasar menghitung keuntungan mekanisnya.  Pahlawan Alexandria (sekitar 10-75 M) dalam karyanya Mechanics mencantumkan lima mekanisme yang dapat "menggerakkan beban"; tuas, mesin kerek, katrol, baji, dan sekrup, dan menjelaskan fabrikasi dan penggunaannya. Namun, pemahaman orang Yunani terbatas pada statika (keseimbangan gaya) dan tidak termasuk dinamika (pertukaran antara gaya dan jarak) atau konsep kerja.
Mesin bertenaga angin praktis yang paling awal, kincir angin dan pompa angin, pertama kali muncul di dunia Muslim pada Zaman Keemasan Islam, di tempat yang sekarang disebut Iran, Afganistan, dan Pakistan, pada abad ke-9 M. Mesin bertenaga uap yang paling awal adalah dongkrak uap yang digerakkan oleh turbin uap, yang digambarkan pada tahun 1551 oleh Taqi ad-Din Muhammad bin Ma'ruf di Mesir Utsmaniyah.

Mesin pemintal kapas ditemukan di India pada abad ke-6 Masehi, dan roda pemintalan ditemukan di dunia Islam pada awal abad ke-11, yang mana keduanya sangat penting bagi pertumbuhan industri kapas. Roda pemintalan juga merupakan pendahulu dari mesin pemintal jenny.

Mesin-mesin yang dapat diprogram paling awal dikembangkan di dunia Muslim. Sequencer musik, alat musik yang dapat diprogram, merupakan jenis mesin yang paling awal yang dapat diprogram. Sequencer musik pertama adalah pemain seruling otomatis yang ditemukan oleh Bani Musa bersaudara, yang dijelaskan dalam Buku Perangkat Cerdik mereka, pada abad ke-9. Pada tahun 1206, Al-Jazari menemukan automata/robot yang dapat diprogram. Dia menggambarkan empat musisi robot, termasuk pemain drum yang dioperasikan oleh mesin drum yang dapat diprogram, di mana mereka dapat dibuat untuk memainkan ritme yang berbeda dan pola drum yang berbeda.

Selama masa Renaisans, dinamika Kekuatan Mekanik, sebutan untuk mesin-mesin sederhana, mulai dipelajari dari sudut pandang seberapa banyak pekerjaan yang dapat mereka lakukan, yang pada akhirnya mengarah pada konsep baru tentang kerja mekanis. Pada tahun 1586, insinyur Flemish Simon Stevin memperoleh keuntungan mekanis dari bidang miring, dan itu dimasukkan ke dalam mesin-mesin sederhana lainnya. Teori dinamis lengkap tentang mesin sederhana disusun oleh ilmuwan Italia Galileo Galilei pada tahun 1600 dalam Le Meccaniche ("On Mechanics"). Dia adalah orang pertama yang memahami bahwa mesin sederhana tidak menciptakan energi, melainkan hanya mengubahnya.

Aturan klasik tentang gesekan geser pada mesin ditemukan oleh Leonardo da Vinci (1452-1519), namun tidak dipublikasikan dalam buku catatannya. Aturan tersebut ditemukan kembali oleh Guillaume Amontons (1699) dan dikembangkan lebih lanjut oleh Charles-Augustin de Coulomb (1785).

James Watt mematenkan hubungan gerak paralelnya pada tahun 1782, yang membuat mesin uap kerja ganda menjadi praktis. Mesin uap Boulton dan Watt serta desain selanjutnya menggerakkan lokomotif uap, kapal uap, dan pabrik.

Mesin Bonsack

Revolusi Industri adalah periode dari tahun 1750 hingga 1850 di mana perubahan di bidang pertanian, manufaktur, pertambangan, transportasi, dan teknologi memiliki pengaruh besar terhadap kondisi sosial, ekonomi, dan budaya pada masa itu. Revolusi ini dimulai di Inggris, kemudian menyebar ke seluruh Eropa Barat, Amerika Utara, Jepang, dan akhirnya ke seluruh dunia.

Dimulai pada akhir abad ke-18, mulai terjadi transisi di beberapa bagian Britania Raya yang sebelumnya menggunakan tenaga kerja manual dan ekonomi berbasis tenaga hewan ke arah manufaktur berbasis mesin. Hal ini dimulai dengan mekanisasi industri tekstil, pengembangan teknik pembuatan besi, dan peningkatan penggunaan batu bara yang dimurnikan.

Mesin-mesin sederhana

Gagasan bahwa sebuah mesin dapat diuraikan menjadi elemen-elemen sederhana yang dapat digerakkan membuat Archimedes mendefinisikan tuas, katrol, dan sekrup sebagai mesin sederhana. Pada masa Renaisans, daftar ini bertambah dengan menyertakan roda dan poros, baji, dan bidang miring. Pendekatan modern untuk mengkarakterisasi mesin berfokus pada komponen yang memungkinkan gerakan, yang dikenal sebagai sendi.

Baji (kapak tangan): Mungkin contoh pertama perangkat yang dirancang untuk mengelola daya adalah kapak tangan, yang juga disebut biface dan Olorgesailie. Kapak tangan dibuat dengan memotong batu, umumnya batu api, untuk membentuk tepi biface, atau baji. Baji adalah mesin sederhana yang mengubah gaya lateral dan gerakan pahat menjadi gaya pembelah melintang dan gerakan benda kerja. Tenaga yang tersedia dibatasi oleh upaya orang yang menggunakan alat tersebut, tetapi karena tenaga adalah hasil kali antara gaya dan gerakan, baji memperkuat gaya dengan mengurangi gerakan. Amplifikasi ini, atau keuntungan mekanis adalah rasio kecepatan input terhadap kecepatan output. Untuk baji, hal ini diberikan oleh 1/tanα, di mana α adalah sudut ujung. Permukaan baji dimodelkan sebagai garis lurus untuk membentuk sambungan geser atau prismatik.

Tuas: Tuas adalah perangkat penting dan sederhana lainnya untuk mengatur daya. Ini adalah benda yang berputar pada titik tumpu. Karena kecepatan titik yang lebih jauh dari poros lebih besar daripada kecepatan titik di dekat poros, gaya yang diterapkan jauh dari poros diperkuat di dekat poros oleh penurunan kecepatan yang terkait. Jika a adalah jarak dari poros ke titik di mana gaya input diterapkan dan b adalah jarak ke titik di mana gaya output diterapkan, maka a/b adalah keuntungan mekanis tuas. Titik tumpu tuas dimodelkan sebagai sambungan berengsel atau revolute.

Roda: Roda adalah mesin awal yang penting, seperti kereta. Roda menggunakan hukum tuas untuk mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan saat menarik beban. Untuk melihat hal ini, perhatikan bahwa gesekan yang terkait dengan menarik beban di tanah kurang lebih sama dengan gesekan pada bantalan sederhana yang mendukung beban pada poros roda. Namun, roda membentuk tuas yang memperbesar gaya tarikan sehingga mengatasi hambatan gesekan pada bantalan.

Klasifikasi mesin sederhana untuk memberikan strategi untuk desain mesin baru dikembangkan oleh Franz Reuleaux, yang mengumpulkan dan mempelajari lebih dari 800 mesin dasar. Dia mengakui bahwa mesin sederhana klasik dapat dipisahkan menjadi tuas, katrol, dan roda serta gandar yang dibentuk oleh benda yang berputar pada engsel, dan bidang miring, baji, dan sekrup yang serupa dengan balok yang meluncur di atas permukaan yang rata.

Mesin sederhana adalah contoh dasar dari rantai kinematik atau hubungan yang digunakan untuk memodelkan sistem mekanis mulai dari mesin uap hingga manipulator robot. Bantalan yang membentuk titik tumpu tuas dan yang memungkinkan roda dan gandar serta katrol berputar adalah contoh pasangan kinematik yang disebut sendi berengsel. Demikian pula, permukaan datar dari bidang miring dan baji adalah contoh pasangan kinematik yang disebut sendi geser. Sekrup biasanya diidentifikasi sebagai pasangan kinematiknya sendiri yang disebut sambungan heliks.

Kesadaran ini menunjukkan bahwa sambungan, atau koneksi yang memberikan gerakan, adalah elemen utama dari sebuah mesin. Dimulai dengan empat jenis sambungan, sambungan putar, sambungan geser, sambungan bubungan dan sambungan roda gigi, dan sambungan terkait seperti kabel dan sabuk, adalah mungkin untuk memahami mesin sebagai rakitan bagian padat yang menghubungkan sambungan-sambungan ini yang disebut mekanisme.

Dua tuas, atau engkol, digabungkan menjadi hubungan empat batang planar dengan memasang tautan yang menghubungkan output dari satu engkol ke input yang lain. Tautan tambahan dapat dipasang untuk membentuk hubungan enam batang atau secara seri untuk membentuk robot.

Sistem mekanis

Mesin Uap Boulton & Watt

Sistem mekanis mengelola daya untuk menyelesaikan tugas yang melibatkan gaya dan gerakan. Mesin modern adalah sistem yang terdiri dari (i) sumber daya dan aktuator yang menghasilkan gaya dan gerakan, (ii) sistem mekanisme yang membentuk input aktuator untuk mencapai aplikasi tertentu dari gaya dan gerakan output, (iii) pengontrol dengan sensor yang membandingkan output dengan tujuan kinerja dan kemudian mengarahkan input aktuator, dan (iv) antarmuka ke operator yang terdiri dari tuas, sakelar, dan tampilan. Hal ini dapat dilihat pada mesin uap Watt di mana tenaga disediakan oleh uap yang mengembang untuk menggerakkan piston. Balok berjalan, penggandeng, dan engkol mengubah gerakan linier piston menjadi putaran katrol keluaran. Akhirnya, putaran katrol menggerakkan flyball governor yang mengontrol katup untuk input uap ke silinder piston.

Kata sifat "mekanis" mengacu pada keterampilan dalam penerapan praktis dari suatu seni atau ilmu pengetahuan, serta berkaitan dengan atau disebabkan oleh gerakan, kekuatan fisik, sifat atau agen seperti yang ditangani oleh mekanik. Demikian pula Kamus Merriam-Webster  mendefinisikan "mekanis" sebagai hal yang berkaitan dengan mesin atau alat.

Aliran daya melalui mesin memberikan cara untuk memahami kinerja perangkat mulai dari tuas dan kereta roda gigi hingga mobil dan sistem robotik. Mekanik Jerman Franz Reuleaux menulis, "mesin adalah kombinasi benda-benda yang tahan yang diatur sedemikian rupa sehingga dengan cara itu kekuatan mekanis alam dapat dipaksa untuk melakukan pekerjaan yang disertai dengan gerakan tertentu yang pasti." Perhatikan bahwa gaya dan gerakan bergabung untuk menentukan daya.

Baru-baru ini, Uicker dkk. menyatakan bahwa mesin adalah "perangkat untuk menerapkan daya atau mengubah arahnya." McCarthy dan Soh mendeskripsikan mesin sebagai sebuah sistem yang "secara umum terdiri atas sumber daya dan mekanisme untuk penggunaan daya yang terkendali."

Sumber daya

Tenaga manusia dan hewan merupakan sumber tenaga asli untuk mesin-mesin awal.

Kincir air: Kincir air muncul di seluruh dunia sekitar tahun 300 SM dengan menggunakan air yang mengalir untuk menghasilkan gerakan berputar, yang digunakan untuk menggiling biji-bijian, serta menggerakkan kayu, permesinan, dan operasi tekstil. Turbin air modern menggunakan air yang mengalir melalui bendungan untuk menggerakkan generator listrik.

Kincir angin: Kincir angin awal menangkap tenaga angin untuk menghasilkan gerakan berputar untuk operasi penggilingan. Turbin angin modern juga menggerakkan generator. Listrik ini pada gilirannya digunakan untuk menggerakkan motor yang membentuk aktuator sistem mekanis.

Mesin: Kata mesin berasal dari kata "kecerdikan" dan pada awalnya mengacu pada alat yang mungkin atau mungkin bukan alat fisik. Mesin uap menggunakan panas untuk mendidihkan air yang terkandung di dalam bejana bertekanan; uap yang mengembang menggerakkan piston atau turbin. Prinsip ini dapat dilihat pada aeolipile Pahlawan Alexandria. Ini disebut mesin pembakaran eksternal.

Mesin mobil disebut mesin pembakaran internal karena membakar bahan bakar (reaksi kimia eksotermik) di dalam silinder dan menggunakan gas yang mengembang untuk menggerakkan piston. Mesin jet menggunakan turbin untuk memampatkan udara yang dibakar dengan bahan bakar sehingga mengembang melalui nosel untuk memberikan daya dorong pada pesawat terbang, dan begitu juga dengan "mesin pembakaran internal". 

Pembangkit listrik: Panas dari pembakaran batu bara dan gas alam dalam ketel uap menghasilkan uap yang menggerakkan turbin uap untuk memutar generator listrik. Pembangkit listrik tenaga nuklir menggunakan panas dari reaktor nuklir untuk menghasilkan uap dan tenaga listrik. Tenaga listrik ini didistribusikan melalui jaringan saluran transmisi untuk keperluan industri dan perorangan.

Motor: Motor listrik menggunakan arus listrik AC atau DC untuk menghasilkan gerakan rotasi. Servomotor listrik adalah aktuator untuk sistem mekanis mulai dari sistem robotik hingga pesawat terbang modern.

Tenaga Fluida: Sistem hidraulik dan pneumatik menggunakan pompa yang digerakkan secara elektrik untuk menggerakkan air atau udara ke dalam silinder untuk menggerakkan gerakan linier.

Elektrokimia: Bahan kimia dan material juga dapat menjadi sumber tenaga. Bahan-bahan tersebut dapat habis secara kimiawi atau perlu diisi ulang, seperti halnya baterai, atau dapat menghasilkan tenaga tanpa mengubah keadaannya, seperti halnya sel surya dan generator termoelektrik. Namun, semua itu masih membutuhkan energi yang berasal dari tempat lain. Pada baterai, sumber energinya adalah energi potensial kimia yang sudah ada di dalamnya. Pada sel surya dan termoelektrik, sumber energinya adalah cahaya dan panas.

Mekanisme

Mekanisme sistem mekanis dirakit dari komponen yang disebut elemen mesin. Elemen-elemen ini menyediakan struktur untuk sistem dan mengontrol pergerakannya.

Komponen struktural umumnya adalah anggota rangka, bantalan, splines, pegas, segel, pengencang dan penutup. Bentuk, tekstur, dan warna penutup memberikan gaya dan antarmuka operasional antara sistem mekanis dan penggunanya.

Rakitan yang mengontrol gerakan juga disebut "mekanisme." Mekanisme umumnya diklasifikasikan sebagai roda gigi dan rangkaian roda gigi, yang mencakup penggerak sabuk dan penggerak rantai, mekanisme cam dan pengikut, dan hubungan, meskipun ada mekanisme khusus lainnya seperti hubungan penjepitan, mekanisme pengindeksan, pelarian, dan perangkat gesekan seperti rem dan cengkeraman.

Jumlah derajat kebebasan suatu mekanisme, atau mobilitasnya, tergantung pada jumlah tautan dan sambungan serta jenis sambungan yang digunakan untuk membangun mekanisme. Mobilitas umum suatu mekanisme adalah perbedaan antara kebebasan yang tidak dibatasi dari tautan dan jumlah kendala yang dikenakan oleh sambungan. Hal ini dijelaskan oleh kriteria Chebychev-Grübler-Kutzbach.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Mesin pembakaran dalam

Mesin pembakaran dalam adalah sebuah mesin yang sumber tenaganya berasal dari pengembangan gas-gas panas bertekanan tinggi hasil pembakaran campuran bahan bakar dan udara, yang berlangsung di dalam ruang tertutup dalam mesin, yang disebut ruang bakar (combustion chamber).

"Mesin pembakaran dalam" sendiri biasanya merujuk kepada mesin yang parannya dilakukan secara berselang-seling. Yang termasuk dalam mesin pembakaran dalam adalah mesin empat tak dan mesin dua tak, dan beberapa tipe mesin lainnya, misalnya mesin enam tak dan juga mesin wankel. Selain itu, mesin jet dan beberapa mesin roket termasuk dalam mesin pembakaran dalam.

Mesin pembakaran dalam agak berbeda dengan mesin pembakaran luar (contohnya mesin uap dan mesin Stirling), karena pada mesin pembakaran luar, energinya tidak disalurkan ke fluida kerja yang tidak bercampur dengan hasil pembakaran. Fluida kerja ini dapat berupa udara, air panas, air bertekanan, atau cairan natrium yang dipanaskan di semacam boiler.

Sebuah mesin piston bekerja dengan membakar bahan bakar hidrokarbon atau hidrogen untuk menekan sebuah piston, sedangkan sebuah mesin jet bekerja dengan panas pembakaran yang mendorong bagian dalam nozzle dan ruang pembakaran, sehingga mendorong mesin ke depan.

Secara kontras, sebuah mesin pembakaran luar seperti mesin uap, bekerja ketika proses pembakaran memanaskan fluida yang bekerja terpisah, seperti air atau uap, yang kemudian melakukan kerja.

Mesin jet, kebanyakan roket dan banyak turbin gas termasuk dalam mesin pembakaran dalam, tetapi istilah "mesin pembakaran dalam" sering kali menuju ke "mesin piston", yang merupakan tipe paling umum mesin pembakaran dalam.

Mesin pembakaran dalam ditemukan di Cina, dengan penemuan kembang api pada Dinasti Song. Mesin pembakaran dalam resiprokat (mesin piston) ditemukan oleh Samuel Morey yang menerima paten pada 1 April.

Tipe-tipe mesin pembakaran dalam

Mesin dapat diklasifikasikan dalam banyak macam: siklus mesin yang digunakan, layout yang dipakai, sumber energi, penggunaan mesin, atau dari sistem pendinginnya.

Konfigurasi mesin
Mesin pembakaran dalam dapat dikelompokkan berdasarkan konfigurasinya.

Layout mesin yang umum adalah:

Mesin piston:

• Mesin dua-tak
• Mesin empat-tak
• Mesin enam-tak
• Mesin diesel
• Siklus Atkinson

Mesin rotari:

• Mesin Wankel

Pembakaran terus-menerus:

• Turbin gas
• Mesin jet (termasuk turbojet, turbofan, ramjet, Rocket, dll.)

Cara Kerja

Seperti namanya, mesin pembakaran dalam 4 tak mempunyai 4 tahap dasar yang terus diulangi setiap 2 putaran mesin:

(1) Siklus masukan (2) Siklus kompresi (3) Siklus pembakaran (4) Sillus pembuangan

1. Siklus masukan: Siklus yang pertama dari mesin pembakaran dalam disebut dengan siklus masukan karena pada saat ini, posisi piston berpindah ke bawah silinder. Membukanya klep menyebabkan perubahan posisi piston, dan campuran bahan bakar yang sudah diuapkan memasuki ruang bakar. Di akhir siklus ini, klep masukan tertutup.
2. Siklus kompresi: Di siklus ini, kedua klep tertutup dan pistonnya kembali bergerak ke atas ke volume minimum, sehingga menekan campuran bahan bakar. Selagi proses penekanan, tekanan, suhu, dan kepadatan campuran bahan bakar meningkat.
3. Siklus pembakaran: Ketika pistonnya mencapai volume minimum, lalu busi akan memantikkan api lalu campuran bahan bakar pun terbakar. Terbakarnya bahan bakar ini memberikan tenaga pada piston sehingga piston kembali bergerak ke bawah dan menggerakkan crankshaft.
4. Siklus pembuangan: Di akhir siklus pembakaran, maka klep buang pun membuka. Selama siklus ini, pistonnya kembali bergerak ke atas menuju volume silinder minimum. Ketika klep buangan membuka, maka gas sisa pembakaran keluar dari silinder. Di akhir siklus ini, klep buangan menutup, klep masukan kembali membuka, dan siklus ini dimulai dari awal lagi.

Pembakaran

Semua mesin pembakaran dalam bergantung pada pembakaran dari bahan bakar kimia, yang biasanya dibakar dengan campuran oksigen dari udara (memungkinkan juga untuk menginjeksikan nitrogen oksida, yang gunanya untuk mendapatkan tenaga tambahan). Proses pembakaran ini menghasilkan panas dalam jumlah besar, ditambah dengan bahan kimia lain misalnya karbon dioksida.

Bahan bakar yang paling umum digunakan saat ini tersusun dari hidrokarbon yang berasal dari bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil mencakup bahan bakar diesel, bensin, LPG, dan juga propana. Mesin yang bahan bakarnya menggunakan bensin, mereka juga dapat menggunakan bahan bakar natural gas atau LPG tanpa perlu banyak perubahan.

Sumber: id.wikipedia.org

Transformasi energi

Transformasi energi, juga dikenal sebagai konversi energi, adalah proses perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dalam fisika, energi adalah kuantitas yang menyediakan kapasitas untuk melakukan pekerjaan atau bergerak (misalnya mengangkat benda) atau menyediakan panas. Selain diubah, menurut hukum kekekalan energi, energi dapat dipindahkan ke lokasi atau objek yang berbeda, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.

Energi dalam berbagai bentuknya dapat digunakan dalam proses alami, atau untuk memberikan layanan kepada masyarakat seperti pemanasan, pendinginan, penerangan, atau melakukan pekerjaan mekanis untuk mengoperasikan mesin. Sebagai contoh, untuk memanaskan rumah, tungku membakar bahan bakar, yang energi potensial kimianya diubah menjadi energi panas, yang kemudian ditransfer ke udara rumah untuk menaikkan suhunya.

Keterbatasan dalam konversi energi panas

Konversi ke energi panas dari bentuk energi lain dapat terjadi dengan efisiensi 100%. Konversi di antara bentuk energi non-termal dapat terjadi dengan efisiensi yang cukup tinggi, meskipun selalu ada sejumlah energi yang hilang secara termal karena gesekan dan proses serupa. Kadang-kadang efisiensinya mendekati 100%, seperti ketika energi potensial diubah menjadi energi kinetik saat sebuah benda jatuh di ruang hampa udara. Hal ini juga berlaku untuk kasus yang berlawanan; misalnya, sebuah benda dalam orbit elips di sekitar benda lain mengubah energi kinetiknya (kecepatan) menjadi energi potensial gravitasi (jarak dari benda lain) ketika bergerak menjauhi benda induknya. Ketika mencapai titik terjauh, ia akan membalikkan prosesnya, mempercepat dan mengubah energi potensial menjadi kinetik. Karena ruang angkasa adalah ruang hampa udara, proses ini memiliki efisiensi hampir 100%.

Energi panas sangat unik karena dalam banyak kasus (willow) tidak dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Hanya perbedaan dalam densitas energi panas/termal (suhu) yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan, dan efisiensi konversi ini akan (jauh) kurang dari 100%. Hal ini karena energi panas merupakan bentuk energi yang sangat tidak teratur; energi panas tersebar secara acak di antara banyak keadaan yang tersedia dari kumpulan partikel mikroskopis yang membentuk sistem (kombinasi posisi dan momentum untuk setiap partikel dikatakan membentuk ruang fase). Ukuran gangguan atau keacakan ini adalah entropi, dan ciri khasnya adalah bahwa entropi sistem yang terisolasi tidak pernah berkurang. Seseorang tidak dapat mengambil sistem entropi tinggi (seperti zat panas, dengan sejumlah energi panas) dan mengubahnya menjadi keadaan entropi rendah (seperti zat bersuhu rendah, dengan energi yang lebih rendah pula), tanpa entropi tersebut berpindah ke tempat lain (seperti udara di sekitarnya). Dengan kata lain, tidak ada cara untuk memusatkan energi tanpa menyebarkan energi ke tempat lain.

Energi panas dalam kesetimbangan pada suhu tertentu sudah mewakili energi maksimum antara semua keadaan yang mungkin terjadi karena energi panas tidak sepenuhnya dapat diubah menjadi bentuk yang "berguna", yaitu energi yang dapat melakukan lebih dari sekadar memengaruhi suhu. Hukum termodinamika kedua menyatakan bahwa entropi sistem tertutup tidak akan pernah berkurang. Karena alasan ini, energi panas dalam suatu sistem dapat dikonversi ke jenis energi lain dengan efisiensi mendekati 100% hanya jika entropi alam semesta ditingkatkan dengan cara lain, untuk mengkompensasi penurunan entropi yang terkait dengan hilangnya energi panas dan kandungan entropinya. Jika tidak, hanya sebagian dari energi panas tersebut yang dapat dikonversi ke jenis energi lain (dan dengan demikian menjadi kerja yang berguna). Hal ini karena sisa panas harus dicadangkan untuk dipindahkan ke reservoir termal pada suhu yang lebih rendah. Peningkatan entropi untuk proses ini lebih besar daripada penurunan entropi yang terkait dengan transformasi sisa panas menjadi jenis energi lain.

Untuk membuat transformasi energi menjadi lebih efisien, sebaiknya hindari konversi termal. Sebagai contoh, efisiensi reaktor nuklir, di mana energi kinetik inti pertama-tama diubah menjadi energi panas dan kemudian menjadi energi listrik, berada pada kisaran 35%. Dengan konversi langsung energi kinetik menjadi energi listrik, yang dilakukan dengan menghilangkan perantara transformasi energi panas, efisiensi proses transformasi energi dapat ditingkatkan secara dramatis.

Sejarah transformasi energi

Transformasi energi di alam semesta dari waktu ke waktu biasanya ditandai dengan berbagai jenis energi, yang telah tersedia sejak Big Bang, yang kemudian "dilepaskan" (yaitu, ditransformasikan menjadi jenis energi yang lebih aktif seperti energi kinetik atau energi radiasi) oleh mekanisme pemicu.

Pelepasan energi dari potensi gravitasi

Transformasi energi secara langsung terjadi ketika hidrogen yang dihasilkan dalam Big Bang terkumpul menjadi struktur seperti planet, dalam sebuah proses di mana sebagian dari potensi gravitasi akan diubah secara langsung menjadi panas. Di Jupiter, Saturnus, dan Neptunus, misalnya, panas yang berasal dari runtuhnya atmosfer gas besar planet-planet tersebut terus menggerakkan sebagian besar sistem cuaca di planet-planet tersebut. Sistem-sistem ini, yang terdiri dari pita-pita atmosfer, angin, dan badai dahsyat, hanya sebagian saja yang ditenagai oleh sinar Matahari. Namun, di Uranus, hanya sedikit proses ini yang terjadi.

Di Bumi, sebagian besar panas yang dihasilkan dari bagian dalam planet, diperkirakan sepertiga hingga setengah dari total panas, disebabkan oleh runtuhnya material planet secara perlahan ke ukuran yang lebih kecil, menghasilkan panas.

Pelepasan energi dari potensi radioaktif

Contoh lain yang sudah dikenal dari proses transformasi energi dari Big Bang adalah peluruhan nuklir, yang melepaskan energi yang awalnya "tersimpan" dalam isotop-isotop berat, seperti uranium dan thorium. Energi ini tersimpan pada saat nukleosintesis elemen-elemen ini. Proses ini menggunakan energi potensial gravitasi yang dilepaskan dari keruntuhan supernova Tipe II untuk menciptakan elemen-elemen berat ini sebelum dimasukkan ke dalam sistem bintang seperti Tata Surya dan Bumi. Energi yang terkunci di dalam uranium dilepaskan secara spontan selama sebagian besar jenis peluruhan radioaktif, dan dapat dilepaskan secara tiba-tiba dalam bom fisi nuklir. Dalam kedua kasus tersebut, sebagian energi yang mengikat inti atom dilepaskan sebagai panas.

Pelepasan energi dari potensi fusi hidrogen

Dalam rantai transformasi serupa yang dimulai pada awal alam semesta, fusi nuklir hidrogen di Matahari melepaskan simpanan energi potensial lain yang diciptakan pada saat Big Bang. Pada saat itu, menurut salah satu teori, ruang angkasa mengembang dan alam semesta mendingin terlalu cepat sehingga hidrogen tidak dapat menyatu sepenuhnya menjadi elemen yang lebih berat. Hal ini mengakibatkan hidrogen menjadi penyimpan energi potensial yang dapat dilepaskan melalui fusi nuklir. Proses fusi ini dipicu oleh panas dan tekanan yang dihasilkan dari keruntuhan gravitasi awan hidrogen ketika mereka menghasilkan bintang, dan sebagian energi fusi kemudian ditransformasikan menjadi cahaya bintang. Mempertimbangkan tata surya, cahaya bintang, yang sebagian besar berasal dari Matahari, dapat disimpan lagi sebagai energi potensial gravitasi setelah menabrak Bumi. Hal ini terjadi pada kasus longsoran salju, atau ketika air menguap dari lautan dan disimpan sebagai curah hujan di atas permukaan laut (di mana, setelah dilepaskan di bendungan pembangkit listrik tenaga air, air tersebut dapat digunakan untuk menggerakkan turbin/ generator untuk menghasilkan listrik).

Sinar matahari juga mendorong banyak fenomena cuaca di Bumi. Salah satu contohnya adalah badai, yang terjadi ketika area lautan hangat yang luas dan tidak stabil, yang dipanaskan selama berbulan-bulan, melepaskan sebagian energi panasnya secara tiba-tiba untuk menggerakkan pergerakan udara yang hebat selama beberapa hari. Sinar matahari juga ditangkap oleh tanaman sebagai energi potensial kimiawi melalui fotosintesis, ketika karbon dioksida dan air diubah menjadi kombinasi karbohidrat, lipid, dan oksigen yang mudah terbakar. Pelepasan energi ini sebagai panas dan cahaya dapat dipicu secara tiba-tiba oleh percikan api, dalam kebakaran hutan; atau mungkin tersedia lebih lambat untuk metabolisme hewan atau manusia ketika molekul-molekul ini dicerna, dan katabolisme dipicu oleh aksi enzim.

Melalui semua rantai transformasi ini, energi potensial yang tersimpan pada saat Big Bang kemudian dilepaskan melalui peristiwa-peristiwa peralihan, terkadang disimpan dalam beberapa cara berbeda untuk jangka waktu yang lama di antara pelepasannya, sebagai energi yang lebih aktif. Semua peristiwa ini melibatkan konversi satu jenis energi menjadi energi lain, termasuk panas.

Konversi energi lainnya

Ada banyak mesin dan transduser yang berbeda yang mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya. Berikut ini adalah beberapa contohnya:

Hidrolisis ATP (energi kimia dalam adenosin trifosfat → energi mekanik)
Baterai (listrik) (energi kimia → energi listrik)
Generator listrik (energi kinetik atau kerja mekanis → energi listrik)
Pemanas listrik (energi listrik → panas)
Api (energi kimia → panas dan cahaya)
Gesekan (energi kinetik → panas)
Sel bahan bakar (energi kimia → energi listrik)
Tenaga panas bumi (panas → energi listrik)
Mesin panas, seperti mesin pembakaran internal yang digunakan pada mobil, atau mesin uap (panas → energi mekanik)
Bendungan pembangkit listrik tenaga air (energi potensial gravitasi → energi listrik)
Lampu listrik (energi listrik → panas dan cahaya)
Mikrofon (suara → energi listrik)
Tenaga panas laut (panas → energi listrik)
Fotosintesis (radiasi elektromagnetik → energi kimia)
Piezoelektrik (regangan → energi listrik)
Termoelektrik (panas → energi listrik)
Tenaga gelombang (energi mekanik → energi listrik)
Kincir angin (energi angin → energi listrik atau energi mekanik)

Disadur dari: en.wikipedia.org

Pembakaran

Pembakaran adalah reaksi kimia redoks eksotermik bersuhu tinggi antara bahan bakar (reduktor) dan oksidan, biasanya oksigen atmosfer, yang menghasilkan produk teroksidasi, sering kali berupa gas, dalam campuran yang disebut sebagai asap. Pembakaran tidak selalu menghasilkan api, karena nyala api hanya terlihat ketika zat yang mengalami pembakaran menguap, tetapi ketika itu terjadi, nyala api adalah indikator karakteristik reaksi. Meskipun energi aktivasi harus disediakan untuk memulai pembakaran (misalnya, menggunakan korek api yang menyala untuk menyalakan api), panas dari nyala api dapat memberikan energi yang cukup untuk membuat reaksi berjalan dengan sendirinya. Studi tentang pembakaran dikenal sebagai ilmu pembakaran.

Pembakaran sering kali merupakan rangkaian reaksi radikal elementer yang rumit. Bahan bakar padat, seperti kayu dan batu bara, pertama-tama mengalami pirolisis endotermik untuk menghasilkan bahan bakar gas yang pembakarannya kemudian memasok panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan lebih banyak bahan bakar. Pembakaran sering kali cukup panas sehingga menghasilkan cahaya pijar dalam bentuk pijar atau nyala api. Contoh sederhana dapat dilihat pada pembakaran hidrogen dan oksigen menjadi uap air, sebuah reaksi yang biasa digunakan untuk bahan bakar mesin roket. Reaksi ini melepaskan 242 kJ/mol panas dan mengurangi entalpi (pada suhu dan tekanan konstan).

Pembakaran tanpa katalis di udara membutuhkan suhu yang relatif tinggi. Pembakaran sempurna bersifat stoikiometrik terkait bahan bakar, di mana tidak ada bahan bakar yang tersisa, dan idealnya, tidak ada sisa oksidan. Secara termodinamika, kesetimbangan kimiawi pembakaran di udara sangat berpihak pada produk. Namun, pembakaran sempurna hampir tidak mungkin dicapai, karena kesetimbangan kimiawi belum tentu tercapai, atau mungkin mengandung produk yang tidak terbakar seperti karbon monoksida, hidrogen, dan bahkan karbon (jelaga atau abu). Dengan demikian, asap yang dihasilkan biasanya beracun dan mengandung produk yang tidak terbakar atau teroksidasi sebagian. Setiap pembakaran pada suhu tinggi di udara atmosfer, yang mengandung 78 persen nitrogen, juga akan menghasilkan sejumlah kecil nitrogen oksida, yang biasanya disebut sebagai NOx, karena pembakaran nitrogen secara termodinamika lebih disukai pada suhu tinggi, tetapi tidak pada suhu rendah. Karena pembakaran jarang sekali bersih, pembersihan bahan bakar gas atau konverter katalitik mungkin diwajibkan oleh hukum.

Kebakaran terjadi secara alami, dipicu oleh sambaran petir atau produk vulkanik. Pembakaran (api) adalah reaksi kimia terkontrol pertama yang ditemukan oleh manusia, dalam bentuk api unggun dan api unggun, dan terus menjadi metode utama untuk menghasilkan energi bagi umat manusia. Biasanya, bahan bakarnya adalah karbon, hidrokarbon, atau campuran yang lebih rumit seperti kayu yang mengandung hidrokarbon teroksidasi sebagian. Energi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil seperti batu bara atau minyak, atau dari bahan bakar terbarukan seperti kayu bakar, dipanen untuk berbagai penggunaan seperti memasak, produksi listrik atau pemanas industri atau rumah tangga. Pembakaran juga saat ini merupakan satu-satunya reaksi yang digunakan untuk menggerakkan roket. Pembakaran juga digunakan untuk memusnahkan (membakar) limbah, baik yang tidak berbahaya maupun yang berbahaya.

Oksidan untuk pembakaran memiliki potensi oksidasi yang tinggi dan mencakup oksigen atmosfer atau murni, klorin, fluorin, klorin trifluorida, dinitrogen oksida, dan asam nitrat. Sebagai contoh, hidrogen terbakar dalam klorin membentuk hidrogen klorida dengan pembebasan panas dan karakteristik cahaya pembakaran. Meskipun biasanya tidak dikatalisis, pembakaran dapat dikatalisis oleh platina atau vanadium, seperti dalam proses kontak.

Jenis

Lengkap dan tidak lengkap

Lengkap

Pembakaran metana, sebuah hidrokarbon
Pada pembakaran sempurna, reaktan terbakar dalam oksigen dan menghasilkan produk dalam jumlah terbatas. Ketika hidrokarbon terbakar dalam oksigen, reaksinya terutama akan menghasilkan karbon dioksida dan air. Ketika elemen dibakar, produk utamanya adalah oksida yang paling umum. Karbon akan menghasilkan karbon dioksida, belerang akan menghasilkan belerang dioksida, dan besi akan menghasilkan besi (III) oksida. Nitrogen tidak dianggap sebagai zat yang mudah terbakar ketika oksigen adalah oksidan. Namun, sejumlah kecil nitrogen oksida (umumnya disebut spesies NO
x) terbentuk ketika udara menjadi oksidator.

Pembakaran tidak selalu menguntungkan untuk tingkat oksidasi maksimum, dan dapat bergantung pada suhu. Sebagai contoh, sulfur trioksida tidak diproduksi secara kuantitatif oleh pembakaran sulfur. Spesies NOx muncul dalam jumlah yang signifikan di atas sekitar 2.800 °F (1.540 ° C), dan lebih banyak lagi yang diproduksi pada suhu yang lebih tinggi. Jumlah NOx juga merupakan fungsi dari kelebihan oksigen.

Tidak lengkap

Pembakaran yang tidak sempurna akan terjadi jika tidak ada cukup oksigen untuk memungkinkan bahan bakar bereaksi secara sempurna untuk menghasilkan karbon dioksida dan air. Hal ini juga terjadi ketika pembakaran dipadamkan oleh pendingin, seperti permukaan padat atau perangkap api. Seperti halnya dengan pembakaran sempurna, air dihasilkan oleh pembakaran yang tidak sempurna; namun, karbon dan karbon monoksida dihasilkan, bukan karbon dioksida.

Untuk sebagian besar bahan bakar, seperti minyak diesel, batu bara, atau kayu, pirolisis terjadi sebelum pembakaran. Pada pembakaran yang tidak sempurna, produk pirolisis tetap tidak terbakar dan mencemari asap dengan partikel dan gas berbahaya. Senyawa yang teroksidasi sebagian juga menjadi perhatian; oksidasi parsial etanol dapat menghasilkan asetaldehida yang berbahaya, dan karbon dapat menghasilkan karbon monoksida yang beracun.

Desain perangkat pembakaran dapat meningkatkan kualitas pembakaran, seperti pembakar dan mesin pembakaran internal. Peningkatan lebih lanjut dapat dicapai dengan perangkat katalitik setelah pembakaran (seperti konverter katalitik) atau dengan pengembalian sebagian gas buang secara sederhana ke dalam proses pembakaran. Perangkat semacam itu diwajibkan oleh undang-undang lingkungan untuk mobil di sebagian besar negara. Perangkat tersebut mungkin diperlukan untuk memungkinkan perangkat pembakaran besar, seperti pembangkit listrik tenaga panas, untuk mencapai standar emisi yang sah.

Tingkat pembakaran dapat diukur dan dianalisis dengan peralatan uji. Kontraktor HVAC, petugas pemadam kebakaran, dan insinyur menggunakan penganalisis pembakaran untuk menguji efisiensi pembakar selama proses pembakaran. Selain itu, efisiensi mesin pembakaran internal dapat diukur dengan cara ini, dan beberapa negara bagian AS dan kota setempat menggunakan analisis pembakaran untuk menentukan dan menilai efisiensi kendaraan di jalan saat ini.

Karbon monoksida adalah salah satu produk dari pembakaran yang tidak sempurna. Pembentukan karbon monoksida menghasilkan lebih sedikit panas daripada pembentukan karbon dioksida sehingga pembakaran yang sempurna sangat disukai terutama karena karbon monoksida adalah gas beracun. Ketika dihirup, karbon monoksida menggantikan oksigen dan bergabung dengan beberapa hemoglobin dalam darah, sehingga tidak dapat mengangkut oksigen.

Masalah yang terkait dengan pembakaran yang tidak sempurna

Masalah lingkungan

Oksida-oksida ini bergabung dengan air dan oksigen di atmosfer, menciptakan asam nitrat dan asam sulfat, yang kembali ke permukaan bumi sebagai endapan asam, atau "hujan asam". Endapan asam membahayakan organisme air dan membunuh pohon. Karena pembentukan nutrisi tertentu yang kurang tersedia bagi tanaman seperti kalsium dan fosfor, hal ini mengurangi produktivitas ekosistem dan pertanian. Masalah tambahan yang terkait dengan nitrogen oksida adalah bahwa mereka, bersama dengan polutan hidrokarbon, berkontribusi pada pembentukan ozon di permukaan tanah, komponen utama kabut asap.

Masalah kesehatan manusia

Menghirup karbon monoksida menyebabkan sakit kepala, pusing, muntah, dan mual. Jika kadar karbon monoksida cukup tinggi, manusia bisa pingsan atau meninggal dunia. Paparan karbon monoksida tingkat sedang dan tinggi dalam jangka waktu lama berkorelasi positif dengan risiko penyakit jantung. Orang yang selamat dari keracunan karbon monoksida yang parah dapat menderita masalah kesehatan jangka panjang. Karbon monoksida dari udara diserap di paru-paru yang kemudian berikatan dengan hemoglobin dalam sel darah merah manusia. Hal ini mengurangi kapasitas sel darah merah yang membawa oksigen ke seluruh tubuh.

Membara

Membara adalah bentuk pembakaran yang lambat, bersuhu rendah, dan tidak berapi, yang ditopang oleh panas yang timbul ketika oksigen secara langsung menyerang permukaan bahan bakar fase terkondensasi. Ini adalah reaksi pembakaran yang biasanya tidak sempurna. Bahan padat yang dapat menopang reaksi membara termasuk batu bara, selulosa, kayu, kapas, tembakau, gambut, duff, humus, busa sintetis, polimer hangus (termasuk busa poliuretan), dan debu. Contoh umum dari fenomena membara adalah inisiasi kebakaran rumah pada furnitur berlapis kain oleh sumber panas yang lemah (misalnya, rokok, kabel yang mengalami korsleting) dan pembakaran biomassa yang terus menerus di belakang bagian depan api yang menyala.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Mekanika fluida

Mekanika fluida adalah cabang fisika yang berkaitan dengan mekanika fluida (cairan, gas, dan plasma) dan gaya-gaya yang bekerja padanya. Mekanika fluida memiliki aplikasi dalam berbagai disiplin ilmu, termasuk teknik mesin, kedirgantaraan, sipil, kimia, dan biomedis, serta geofisika, oseanografi, meteorologi, astrofisika, dan biologi.

Ilmu ini dapat dibagi menjadi statika fluida, yang mempelajari fluida dalam keadaan diam; dan dinamika fluida, yang mempelajari pengaruh gaya terhadap gerakan fluida. Mekanika fluida merupakan cabang dari mekanika kontinum, subjek yang memodelkan materi tanpa menggunakan informasi bahwa ia terbuat dari atom; yaitu, memodelkan materi dari sudut pandang makroskopis daripada mikroskopis.

Mekanika fluida, khususnya dinamika fluida, adalah bidang penelitian yang aktif, yang biasanya kompleks secara matematis. Banyak masalah yang sebagian atau seluruhnya belum terpecahkan dan paling baik ditangani dengan metode numerik, biasanya menggunakan komputer. Sebuah disiplin ilmu modern, yang disebut dinamika fluida komputasi (CFD), dikhususkan untuk pendekatan ini. Particle image velocimetry, sebuah metode eksperimental untuk memvisualisasikan dan menganalisis aliran fluida, juga memanfaatkan sifat aliran fluida yang sangat visual.

Sejarah

Studi tentang mekanika fluida setidaknya sudah ada sejak zaman Yunani kuno, ketika Archimedes menyelidiki statika dan daya apung fluida serta merumuskan hukumnya yang terkenal yang sekarang dikenal sebagai prinsip Archimedes, yang dipublikasikan dalam karyanya On Floating Bodies-yang secara umum dianggap sebagai karya besar pertama dalam mekanika fluida. Cendekiawan Iran Abu Rayhan Biruni dan kemudian Al-Khazini menerapkan metode ilmiah eksperimental pada mekanika fluida.Kemajuan pesat dalam mekanika fluida dimulai dari Leonardo da Vinci (pengamatan dan eksperimen), Evangelista Torricelli (menemukan barometer), Isaac Newton (menyelidiki viskositas), dan Blaise Pascal (meneliti hidrostatika, merumuskan hukum Pascal), dan dilanjutkan oleh Daniel Bernoulli dengan memperkenalkan dinamika fluida matematika dalam Hydrodynamica (1739).

Aliran inviscid dianalisis lebih lanjut oleh berbagai ahli matematika (Jean le Rond d'Alembert, Joseph Louis Lagrange, Pierre-Simon Laplace, Siméon Denis Poisson) dan aliran viskos dieksplorasi oleh banyak insinyur termasuk Jean Léonard Marie Poiseuille dan Gotthilf Hagen. Pembenaran matematis lebih lanjut diberikan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes dalam persamaan Navier-Stokes, dan lapisan batas diselidiki (Ludwig Prandtl, Theodore von Kármán), sementara berbagai ilmuwan seperti Osborne Reynolds, Andrey Kolmogorov, dan Geoffrey Ingram Taylor memajukan pemahaman tentang viskositas fluida dan turbulensi.

Cabang-cabang utama

Statika fluida

Statika fluida atau hidrostatika adalah cabang mekanika fluida yang mempelajari fluida dalam keadaan diam. Ilmu ini mencakup studi tentang kondisi di mana fluida diam dalam kesetimbangan yang stabil; dan dikontraskan dengan dinamika fluida, yang mempelajari fluida yang bergerak. Hidrostatika menawarkan penjelasan fisik untuk banyak fenomena kehidupan sehari-hari, seperti mengapa tekanan atmosfer berubah seiring ketinggian, mengapa kayu dan minyak mengapung di atas air, dan mengapa permukaan air selalu rata, apa pun bentuk wadahnya. Hidrostatika merupakan dasar dari hidrolika, yaitu teknik peralatan untuk menyimpan, mengangkut, dan menggunakan cairan. Hidrostatika juga relevan dengan beberapa aspek geofisika dan astrofisika (misalnya, dalam memahami lempeng tektonik dan anomali di medan gravitasi bumi), meteorologi, kedokteran (dalam konteks tekanan darah), dan banyak bidang lainnya.

Dinamika fluida

Dinamika fluida adalah subdisiplin mekanika fluida yang berhubungan dengan aliran fluida-ilmu tentang cairan dan gas yang bergerak. Dinamika fluida menawarkan struktur sistematis-yang mendasari disiplin ilmu praktis ini-yang mencakup hukum empiris dan semi-empiris yang berasal dari pengukuran aliran dan digunakan untuk memecahkan masalah praktis. Solusi untuk masalah dinamika fluida biasanya melibatkan penghitungan berbagai sifat fluida, seperti kecepatan, tekanan, densitas, dan temperatur, sebagai fungsi ruang dan waktu.

Dinamika fluida memiliki beberapa subdisiplin ilmu, termasuk aerodinamika (ilmu yang mempelajari tentang udara dan gas lain yang bergerak) dan hidrodinamika (ilmu yang mempelajari tentang cairan yang bergerak). Dinamika fluida memiliki berbagai aplikasi, termasuk menghitung gaya dan gerakan pada pesawat terbang, menentukan laju aliran massa minyak bumi melalui jaringan pipa, memprediksi pola cuaca yang berkembang, memahami nebula di ruang antarbintang, dan membuat model ledakan. Beberapa prinsip fluida-dinamis digunakan dalam rekayasa lalu lintas dan dinamika kerumunan.

Asumsi

Asumsi yang melekat pada perlakuan mekanis fluida pada sistem fisik dapat diekspresikan dalam bentuk persamaan matematika. Pada dasarnya, setiap sistem mekanis fluida diasumsikan patuh:

• Konservasi massa
• Konservasi energi
• Konservasi momentum

Asumsi kontinum

Sebagai contoh, asumsi bahwa massa tetap terjaga berarti bahwa untuk setiap volume kontrol tetap (misalnya, volume bola) - yang tertutup oleh permukaan kontrol - laju perubahan massa yang terkandung dalam volume tersebut sama dengan laju massa yang melewati permukaan dari luar ke dalam, dikurangi dengan laju massa yang berpindah dari dalam ke luar. Hal ini dapat dinyatakan sebagai persamaan dalam bentuk integral atas volume kontrol.

Asumsi kontinum adalah idealisasi mekanika kontinum di mana fluida dapat diperlakukan sebagai kontinu, meskipun, pada skala mikroskopis, fluida tersebut terdiri dari molekul. Di bawah asumsi kontinum, sifat-sifat makroskopis (teramati/terukur) seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan curah dianggap terdefinisi dengan baik pada elemen volume "tak terhingga" - kecil jika dibandingkan dengan skala panjang karakteristik sistem, tetapi besar jika dibandingkan dengan skala panjang molekul. Sifat fluida dapat bervariasi secara terus menerus dari satu elemen volume ke elemen volume lainnya dan merupakan nilai rata-rata dari sifat molekuler.

Hipotesis kontinum dapat menyebabkan hasil yang tidak akurat dalam aplikasi seperti aliran kecepatan supersonik, atau aliran molekuler dalam skala nano. Masalah-masalah di mana hipotesis kontinum gagal dapat diselesaikan dengan menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan apakah hipotesis kontinum berlaku atau tidak, bilangan Knudsen, yang didefinisikan sebagai rasio jalur bebas rata-rata molekuler terhadap skala panjang karakteristik, dievaluasi. Masalah dengan bilangan Knudsen di bawah 0,1 dapat dievaluasi menggunakan hipotesis kontinum, tetapi pendekatan molekuler (mekanika statistik) dapat diterapkan untuk menemukan gerakan fluida untuk bilangan Knudsen yang lebih besar.

Disadur dari: en.wikipedia.org