Mesin panas

Mesin panas adalah sebuah sistem yang mengubah panas menjadi energi yang dapat digunakan, terutama energi mekanik, yang kemudian dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan mekanik. Meskipun awalnya dipahami dalam konteks energi mekanik, konsep mesin panas telah diterapkan pada berbagai jenis energi lain, terutama listrik, setidaknya sejak akhir abad ke-19. Mesin panas melakukan hal ini dengan membawa zat yang bekerja dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Sumber panas menghasilkan energi panas yang membawa zat yang bekerja ke kondisi suhu yang lebih tinggi.

Zat yang bekerja menghasilkan kerja di dalam tubuh mesin sambil mentransfer panas ke pendingin hingga mencapai kondisi suhu yang lebih rendah. Selama proses ini, sebagian energi panas diubah menjadi kerja dengan memanfaatkan sifat-sifat zat kerja. Zat yang bekerja dapat berupa sistem apa pun dengan kapasitas panas yang tidak nol, tetapi biasanya berupa gas atau cairan. Selama proses ini, sebagian panas biasanya hilang ke lingkungan sekitar dan tidak diubah menjadi kerja. Selain itu, sebagian energi tidak dapat digunakan karena gesekan dan hambatan.

Secara umum, mesin adalah mesin apa pun yang mengubah energi menjadi kerja mekanis. Mesin panas membedakan diri mereka dari jenis mesin lain dengan fakta bahwa efisiensinya secara fundamental dibatasi oleh teorema termodinamika Carnot. Meskipun keterbatasan efisiensi ini dapat menjadi kelemahan, keuntungan dari mesin panas adalah bahwa sebagian besar bentuk energi dapat dengan mudah dikonversi menjadi panas melalui proses seperti reaksi eksotermis (seperti pembakaran), fisi nuklir, penyerapan cahaya atau partikel energik, gesekan, disipasi, dan resistensi. Karena sumber panas yang memasok energi panas ke mesin dapat ditenagai oleh hampir semua jenis energi, mesin panas mencakup berbagai macam aplikasi.

Mesin panas sering kali membingungkan dengan siklus yang mereka coba terapkan. Biasanya, istilah "mesin" digunakan untuk perangkat fisik dan "siklus" untuk model.

Gambaran Umum

Dalam termodinamika, mesin panas sering dimodelkan menggunakan model teknik standar seperti siklus Otto. Model teoritis dapat disempurnakan dan ditambah dengan data aktual dari mesin yang beroperasi, menggunakan alat bantu seperti diagram indikator. Karena sangat sedikit implementasi aktual mesin panas yang sama persis dengan siklus termodinamika yang mendasarinya, dapat dikatakan bahwa siklus termodinamika adalah kasus ideal dari mesin mekanis. Bagaimanapun, memahami sepenuhnya sebuah mesin dan efisiensinya membutuhkan pemahaman yang baik tentang model teoritis (yang mungkin disederhanakan atau diidealkan), nuansa praktis dari mesin mekanis yang sebenarnya dan perbedaan di antara keduanya.

Secara umum, semakin besar perbedaan suhu antara sumber panas dan pendingin, semakin besar pula potensi efisiensi termal dari siklus tersebut. Di Bumi, sisi dingin dari setiap mesin panas dibatasi untuk mendekati suhu lingkungan sekitar, atau tidak lebih rendah dari 300 kelvin, sehingga sebagian besar upaya untuk meningkatkan efisiensi termodinamika dari berbagai mesin panas berfokus pada peningkatan suhu sumber, dalam batas material. Efisiensi teoritis maksimum mesin panas (yang tidak pernah dicapai oleh mesin apa pun) sama dengan perbedaan suhu antara ujung panas dan dingin dibagi dengan suhu di ujung panas, masing-masing dinyatakan dalam suhu absolut.

• Efisiensi berbagai mesin panas yang diusulkan atau digunakan saat ini memiliki rentang yang besar:
• 3%(97 persen limbah panas menggunakan panas berkualitas rendah) untuk proposal tenaga laut konversi energi panas laut (OTEC)
• 25% untuk sebagian besar mesin bensin otomotif
• 49% untuk pembangkit listrik tenaga batu bara superkritis seperti Pembangkit Listrik Avedøre
• 60% untuk turbin gas siklus gabungan

Efisiensi dari proses-proses ini secara kasar sebanding dengan penurunan suhu di dalamnya. Energi yang signifikan dapat dikonsumsi oleh peralatan tambahan, seperti pompa, yang secara efektif mengurangi efisiensi.

Contoh

Penting untuk dicatat bahwa meskipun beberapa siklus memiliki lokasi pembakaran yang khas (internal atau eksternal), siklus tersebut sering kali dapat diimplementasikan dengan siklus lainnya. Sebagai contoh, John Ericsson mengembangkan mesin yang dipanaskan secara eksternal yang berjalan pada siklus yang sangat mirip dengan siklus Diesel sebelumnya. Selain itu, mesin yang dipanaskan secara eksternal sering kali dapat diimplementasikan dalam siklus terbuka atau tertutup. Dalam siklus tertutup, fluida kerja dipertahankan di dalam mesin pada akhir siklus, sedangkan dalam siklus terbuka, fluida kerja dipertukarkan dengan lingkungan bersama dengan produk pembakaran dalam kasus mesin pembakaran internal atau dibuang begitu saja ke lingkungan dalam kasus mesin pembakaran eksternal seperti mesin uap dan turbin.

Contoh sehari-hari

Contoh mesin panas sehari-hari termasuk pembangkit listrik tenaga panas, mesin pembakaran internal, senjata api, lemari es, dan pompa panas. Pembangkit listrik adalah contoh mesin panas yang dijalankan dengan arah maju di mana panas mengalir dari reservoir panas dan mengalir ke reservoir dingin untuk menghasilkan kerja sebagai produk yang diinginkan. Lemari es, pendingin ruangan, dan pompa panas adalah contoh mesin panas yang dijalankan secara terbalik, yaitu mesin ini menggunakan kerja untuk mengambil energi panas pada suhu rendah dan menaikkan suhunya dengan cara yang lebih efisien daripada konversi sederhana dari kerja menjadi panas (baik melalui gesekan atau hambatan listrik). Lemari es mengeluarkan panas dari dalam ruang tertutup termal pada suhu rendah dan membuang panas buangan pada suhu yang lebih tinggi ke lingkungan dan pompa panas mengambil panas dari lingkungan bersuhu rendah dan 'melampiaskannya' ke dalam ruang tertutup termal (rumah) pada suhu yang lebih tinggi.

Secara umum, mesin panas mengeksploitasi sifat termal yang terkait dengan ekspansi dan kompresi gas sesuai dengan hukum gas atau sifat-sifat yang terkait dengan perubahan fasa antara gas dan cairan.

Mesin panas bumi

Atmosfer dan hidrosfer bumi - mesin panas bumi - adalah proses gabungan yang secara konstan menyeimbangkan ketidakseimbangan pemanasan matahari melalui penguapan air permukaan, konveksi, curah hujan, angin, dan sirkulasi lautan, ketika mendistribusikan panas ke seluruh dunia.

Sel Hadley adalah contoh dari mesin panas. Ini melibatkan naiknya udara hangat dan lembab di wilayah khatulistiwa bumi dan turunnya udara yang lebih dingin di daerah subtropis yang menciptakan sirkulasi langsung yang digerakkan oleh panas, dengan produksi bersih energi kinetik.

Siklus perubahan fase

Dalam siklus perubahan fase dan mesin, fluida kerja adalah gas dan cairan. Mesin mengubah fluida kerja dari gas menjadi cairan, dari cairan menjadi gas, atau keduanya, menghasilkan kerja dari ekspansi atau kompresi fluida.

• Siklus Rankine (mesin uap klasik)
• Siklus regeneratif (mesin uap yang lebih efisien daripada siklus Rankine)
• Siklus Rankine organik (pendingin yang mengubah fase dalam rentang suhu es dan air cair panas)
• Siklus uap ke cairan (burung minum, injektor, roda Minto)
• Siklus cair ke padat (embun beku - air yang berubah dari es menjadi cair dan kembali lagi dapat mengangkat batu hingga 60 cm).
• Siklus padat ke gas (senjata api - propelan padat terbakar menjadi gas panas).

Siklus khusus gas

Dalam siklus dan mesin ini, fluida kerja selalu berupa gas (yaitu, tidak ada perubahan fase):

• Siklus Carnot (mesin panas Carnot)
• Siklus Ericsson (Kapal Kalor John Ericsson)
• Siklus Stirling (mesin Stirling, perangkat termoakustik)
• Mesin pembakaran internal (ICE):
• Siklus Otto (misalnya mesin bensin/bensin)
• Siklus diesel (misalnya mesin diesel)
• Siklus Atkinson (mesin Atkinson)
• Siklus Brayton atau siklus Joule yang awalnya adalah siklus Ericsson (turbin gas)
• Siklus Lenoir (misalnya, mesin jet pulsa)
• Siklus Miller (mesin Miller)

Siklus khusus cairan

Dalam siklus dan mesin ini, fluida kerja selalu berupa cairan:

Siklus Stirling (mesin Malone)

Siklon Regeneratif Panas :

• Siklus elektron
• Konverter energi termoelektrik Johnson
• Termoelektrik (efek Peltier-Seebeck)
• Sel termogalvanik
• Emisi termionik
• Pendinginan terowongan termal
• Siklus magnetik
• Motor termo-magnetik (Tesla)

Siklus yang digunakan untuk pendinginan

Kulkas rumah tangga adalah contoh pompa panas: mesin panas secara terbalik. Kerja digunakan untuk menciptakan perbedaan panas. Banyak siklus yang dapat bekerja secara terbalik untuk memindahkan panas dari sisi dingin ke sisi panas, membuat sisi dingin menjadi lebih dingin dan sisi panas menjadi lebih panas. Versi mesin pembakaran internal dari siklus ini, pada dasarnya, tidak dapat dibalik.

Siklus pendinginan meliputi:

• Mesin siklus udara
• Kulkas penyerapan gas
• Pendinginan magnetik
• Cryocooler stirling
• Pendinginan kompresi uap
• Siklus Vuilleumier
• Mesin panas penguapan

Mesin penguapan Barton adalah mesin panas yang didasarkan pada siklus yang menghasilkan tenaga dan udara lembab yang didinginkan dari penguapan air menjadi udara kering yang panas.

Mesin panas mesoskopik

Mesin panas mesoskopik adalah perangkat berskala nano yang dapat digunakan untuk memproses fluks panas dan melakukan pekerjaan yang berguna dalam skala kecil. Aplikasi potensial termasuk misalnya perangkat pendingin listrik. Pada mesin panas mesoskopik seperti itu, kerja per siklus operasi berfluktuasi karena kebisingan termal. Ada persamaan eksak yang menghubungkan rata-rata eksponen kerja yang dilakukan oleh mesin panas dan perpindahan panas dari penangas yang lebih panas. Hubungan ini mengubah ketidaksetaraan Carnot menjadi persamaan eksak. Hubungan ini juga merupakan persamaan siklus Carnot

Disadur dari: en.wikipedia.org

Bahan bakar

Bahan bakar adalah bahan apa pun yang dapat dibuat untuk bereaksi dengan zat lain sehingga melepaskan energi sebagai energi panas atau digunakan untuk bekerja. Konsep ini pada awalnya hanya diterapkan pada bahan-bahan yang mampu melepaskan energi kimia, tetapi sejak itu juga telah diterapkan pada sumber energi panas lainnya, seperti energi nuklir (melalui fisi nuklir dan fusi nuklir).

Energi panas yang dilepaskan oleh reaksi bahan bakar dapat dikonversi menjadi energi mekanik melalui mesin panas. Di lain waktu, panas itu sendiri dihargai untuk kehangatan, memasak, atau proses industri, serta penerangan yang menyertai pembakaran. Bahan bakar juga digunakan dalam sel-sel organisme dalam proses yang dikenal sebagai respirasi seluler, di mana molekul organik dioksidasi untuk melepaskan energi yang dapat digunakan. Hidrokarbon dan molekul organik terkait sejauh ini merupakan sumber bahan bakar yang paling umum digunakan oleh manusia, tetapi zat-zat lain, termasuk logam radioaktif, juga digunakan.

Bahan bakar dikontraskan dengan zat atau perangkat lain yang menyimpan energi potensial, seperti yang secara langsung melepaskan energi listrik (seperti baterai dan kapasitor) atau energi mekanik (seperti roda gila, pegas, udara bertekanan, atau air dalam reservoir).

Sejarah

Kayu sebagai bahan bakar untuk pembakaran

Penggunaan bahan bakar yang pertama kali diketahui adalah pembakaran kayu bakar oleh Homo erectus hampir dua juta tahun yang lalu. Sepanjang sebagian besar sejarah manusia, hanya bahan bakar yang berasal dari tumbuhan atau lemak hewan yang digunakan oleh manusia. Arang, turunan dari kayu, telah digunakan setidaknya sejak 6.000 SM untuk melebur logam. Penggunaan arang baru digantikan oleh kokas, yang berasal dari batu bara, ketika hutan Eropa mulai menipis sekitar abad ke-18. Briket arang sekarang biasa digunakan sebagai bahan bakar untuk memasak barbekyu.

Minyak mentah disuling oleh ahli kimia Persia, dengan deskripsi yang jelas diberikan dalam buku-buku Arab seperti yang ditulis oleh Muhammad bin Zakaria Rāzi. Dia menggambarkan proses penyulingan minyak mentah/minyak bumi menjadi minyak tanah, serta senyawa hidrokarbon lainnya, dalam Kitab al-Asrar (Buku Rahasia). Minyak tanah juga diproduksi pada periode yang sama dari serpih minyak dan aspal dengan memanaskan batuan untuk mengekstrak minyak, yang kemudian disuling. Rāzi juga memberikan deskripsi pertama tentang lampu minyak tanah yang menggunakan minyak mineral mentah, dengan menyebutnya sebagai "naffatah."

Jalan-jalan di Baghdad diaspal dengan tar, yang berasal dari minyak bumi yang dapat diakses dari ladang-ladang minyak di wilayah tersebut. Pada abad ke-9, ladang minyak dieksploitasi di daerah sekitar Baku modern, Azerbaijan. Ladang-ladang minyak ini digambarkan oleh ahli geografi Arab Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī pada abad ke-10, dan oleh Marco Polo pada abad ke-13, yang menggambarkan hasil dari sumur-sumur tersebut sebanyak ratusan muatan kapal.

Dengan berkembangnya mesin uap di Inggris pada tahun 1769, batu bara menjadi lebih umum digunakan, yang pembakarannya melepaskan energi kimia yang dapat digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Batu bara kemudian digunakan untuk menggerakkan kapal dan lokomotif. Pada abad ke-19, gas yang diekstrak dari batu bara digunakan untuk penerangan jalan di London. Pada abad ke-20 dan ke-21, penggunaan utama batu bara adalah untuk menghasilkan listrik, yang menyediakan 40% pasokan daya listrik dunia pada tahun 2005.

Bahan bakar fosil diadopsi dengan cepat selama Revolusi Industri, karena lebih terkonsentrasi dan fleksibel daripada sumber energi tradisional, seperti tenaga air. Bahan bakar fosil telah menjadi bagian penting dari masyarakat kontemporer kita, dengan sebagian besar negara di dunia membakar bahan bakar fosil untuk menghasilkan listrik, tetapi tidak lagi disukai karena pemanasan global dan efek terkait yang disebabkan oleh pembakaran bahan bakar fosil.

Saat ini trennya mengarah ke bahan bakar terbarukan, seperti bahan bakar nabati seperti alkohol.

Bahan kimia

Bahan bakar kimia adalah zat yang melepaskan energi dengan bereaksi dengan zat-zat di sekitarnya, terutama melalui proses pembakaran.

Bahan bakar kimia dibagi menjadi dua. Pertama, berdasarkan sifat fisiknya, sebagai zat padat, cair atau gas. Kedua, berdasarkan kemunculannya: primer (bahan bakar alami) dan sekunder (bahan bakar buatan). Dengan demikian, klasifikasi umum bahan bakar kimia adalah:

Bahan bakar padat

Bahan bakar padat mengacu pada berbagai jenis bahan padat yang digunakan sebagai bahan bakar untuk menghasilkan energi dan memberikan pemanasan, biasanya dilepaskan melalui pembakaran. Bahan bakar padat meliputi kayu, arang, gambut, batu bara, tablet bahan bakar heksamin, dan pelet yang terbuat dari kayu (lihat pelet kayu), jagung, gandum, gandum hitam, dan biji-bijian lainnya. Teknologi roket bahan bakar padat juga menggunakan bahan bakar padat (lihat propelan padat). Bahan bakar padat telah digunakan manusia selama bertahun-tahun untuk menciptakan api. Batu bara adalah sumber bahan bakar yang memungkinkan terjadinya revolusi industri, mulai dari tungku pembakaran, hingga menjalankan mesin uap.

Kayu juga banyak digunakan untuk menjalankan lokomotif uap. Baik gambut maupun batu bara masih digunakan dalam pembangkit listrik hingga saat ini. Penggunaan beberapa bahan bakar padat (misalnya batu bara) dibatasi atau dilarang di beberapa daerah perkotaan, karena tingkat emisi beracun yang tidak aman. Penggunaan bahan bakar padat lainnya seperti kayu semakin berkurang seiring dengan meningkatnya teknologi pemanas dan ketersediaan bahan bakar berkualitas baik. Di beberapa daerah, batu bara tanpa asap sering menjadi satu-satunya bahan bakar padat yang digunakan. Di Irlandia, briket gambut digunakan sebagai bahan bakar tanpa asap. Briket ini juga digunakan untuk menyalakan api batu bara.

Bahan bakar cair

Bahan bakar cair adalah molekul yang mudah terbakar atau menghasilkan energi yang dapat dimanfaatkan untuk menciptakan energi mekanik, biasanya menghasilkan energi kinetik. Bahan bakar ini juga harus berbentuk seperti wadahnya; asap bahan bakar cair mudah terbakar, bukan cairannya.

Sebagian besar bahan bakar cair yang digunakan secara luas berasal dari sisa-sisa fosil tanaman dan hewan yang mati karena terpapar panas dan tekanan di dalam kerak bumi. Namun, ada beberapa jenis, seperti bahan bakar hidrogen (untuk penggunaan otomotif), etanol, bahan bakar jet, dan biodiesel, yang semuanya dikategorikan sebagai bahan bakar cair. Bahan bakar emulsi minyak dalam air, seperti orimulsi, telah dikembangkan sebagai cara untuk membuat fraksi minyak berat dapat digunakan sebagai bahan bakar cair. Banyak bahan bakar cair memainkan peran utama dalam transportasi dan ekonomi.

Beberapa sifat umum dari bahan bakar cair adalah mudah diangkut dan dapat ditangani dengan mudah. Bahan bakar ini juga relatif mudah digunakan untuk semua aplikasi teknik dan penggunaan di rumah. Bahan bakar seperti minyak tanah dijatah di beberapa negara, misalnya di toko-toko yang disubsidi pemerintah di India untuk penggunaan di rumah.

Diesel konvensional mirip dengan bensin karena merupakan campuran hidrokarbon alifatik yang diekstrak dari minyak bumi. Minyak tanah digunakan pada lampu minyak tanah dan sebagai bahan bakar untuk memasak, memanaskan, dan mesin-mesin kecil. Gas alam, yang sebagian besar terdiri dari metana, hanya dapat berwujud cairan pada suhu yang sangat rendah (tanpa memperhatikan tekanan), yang membatasi penggunaan langsung sebagai bahan bakar cair di sebagian besar aplikasi. Gas LP adalah campuran propana dan butana, yang keduanya merupakan gas yang mudah dimampatkan dalam kondisi atmosfer standar. Gas ini menawarkan banyak keuntungan dari gas alam terkompresi (CNG) tetapi lebih padat daripada udara, tidak terbakar dengan bersih, dan jauh lebih mudah dikompresi. Umumnya digunakan untuk memasak dan pemanas ruangan, gas LP dan propana terkompresi mengalami peningkatan penggunaan pada kendaraan bermotor. Propana adalah bahan bakar motor ketiga yang paling umum digunakan secara global.

Bahan bakar gas

Bahan bakar gas adalah salah satu dari sejumlah bahan bakar yang berbentuk gas dalam kondisi biasa. Banyak bahan bakar gas terdiri dari hidrokarbon (seperti metana atau propana), hidrogen, karbon monoksida, atau campurannya. Gas-gas tersebut merupakan sumber energi panas potensial atau energi cahaya yang dapat dengan mudah disalurkan dan didistribusikan melalui pipa dari titik asal langsung ke tempat konsumsi. Bahan bakar gas berbeda dengan bahan bakar cair dan bahan bakar padat, meskipun beberapa bahan bakar gas dicairkan untuk disimpan atau diangkut. Meskipun sifat gasnya dapat menguntungkan, menghindari kesulitan mengangkut bahan bakar padat dan bahaya tumpahan yang melekat pada bahan bakar cair, namun hal ini juga bisa berbahaya. Bahan bakar gas bisa saja tidak terdeteksi dan terkumpul di area tertentu, yang menyebabkan risiko ledakan gas. Untuk alasan ini, pengharum ditambahkan ke sebagian besar gas bahan bakar sehingga dapat dideteksi dengan bau yang berbeda. Jenis bahan bakar gas yang paling umum digunakan saat ini adalah gas alam.

Bahan bakar nabati

Bahan bakar hayati dapat didefinisikan secara luas sebagai bahan bakar padat, cair, atau gas yang terdiri dari, atau berasal dari biomassa. Biomassa juga dapat digunakan secara langsung untuk pemanasan atau listrik yang dikenal sebagai bahan bakar biomassa. Bahan bakar hayati dapat diproduksi dari sumber karbon apa pun yang dapat diisi ulang dengan cepat, misalnya tanaman. Banyak tanaman dan bahan turunan tanaman yang digunakan untuk pembuatan biofuel.

Mungkin bahan bakar yang paling awal digunakan oleh manusia adalah kayu. Bukti menunjukkan bahwa api yang terkendali telah digunakan hingga 1,5 juta tahun yang lalu di Swartkran, Afrika Selatan. Tidak diketahui spesies hominid mana yang pertama kali menggunakan api, karena baik Australopithecus maupun spesies awal Homo ada di lokasi tersebut. Sebagai bahan bakar, kayu tetap digunakan hingga hari ini, meskipun telah digantikan oleh sumber-sumber lain untuk berbagai tujuan. Kayu memiliki kepadatan energi sebesar 10-20 MJ/kg.

Baru-baru ini bahan bakar nabati telah dikembangkan untuk digunakan dalam transportasi otomotif (misalnya bioetanol dan biodiesel), tetapi ada perdebatan publik yang meluas tentang seberapa netral bahan bakar ini terhadap karbon.

Bahan bakar fosil

Bahan bakar fosil adalah hidrokarbon, terutama batu bara dan minyak bumi (minyak bumi cair atau gas alam), yang terbentuk dari sisa-sisa fosil tanaman dan hewan purba dengan paparan panas dan tekanan tinggi tanpa adanya oksigen di kerak bumi selama ratusan juta tahun. Umumnya, istilah bahan bakar fosil juga mencakup sumber daya alam yang mengandung hidrokarbon yang tidak sepenuhnya berasal dari sumber hayati, seperti pasir ter. Sumber-sumber yang terakhir ini lebih dikenal sebagai bahan bakar mineral.

Bahan bakar fosil mengandung persentase karbon yang tinggi dan termasuk batu bara, minyak bumi, dan gas alam. Bahan bakar fosil berkisar dari bahan yang mudah menguap dengan rasio karbon:hidrogen yang rendah seperti metana, minyak bumi cair, hingga bahan yang tidak mudah menguap yang terdiri dari karbon yang hampir murni, seperti batu bara antrasit. Metana dapat ditemukan di ladang hidrokarbon, sendiri, berasosiasi dengan minyak, atau dalam bentuk klat metana. Bahan bakar fosil terbentuk dari sisa-sisa fosil tanaman yang telah mati akibat paparan panas dan tekanan di kerak bumi selama jutaan tahun.Teori biogenik ini pertama kali diperkenalkan oleh cendekiawan Jerman Georg Agricola pada tahun 1556 dan kemudian oleh Mikhail Lomonosov pada abad ke-18.

Diperkirakan oleh Energy Information Administration bahwa pada tahun 2007 sumber energi primer terdiri dari minyak bumi 36,0%, batu bara 27,4%, gas alam 23,0%, dengan pangsa 86,4% untuk bahan bakar fosil dalam konsumsi energi primer di dunia. Sumber-sumber non-fosil pada tahun 2006 termasuk hidroelektrik 6,3%, nuklir 8,5%, dan lainnya (panas bumi, matahari, pasang surut, angin, kayu, sampah) sebesar 0,9%. Konsumsi energi dunia tumbuh sekitar 2,3% per tahun.

Bahan bakar fosil adalah sumber daya yang tidak dapat diperbarui karena membutuhkan waktu jutaan tahun untuk terbentuk, dan cadangannya akan habis lebih cepat daripada pembuatan yang baru. Jadi kita harus menghemat bahan bakar ini dan menggunakannya dengan bijaksana. Produksi dan penggunaan bahan bakar fosil menimbulkan masalah lingkungan. Oleh karena itu, gerakan global menuju pembangkitan energi terbarukan sedang berlangsung untuk membantu memenuhi kebutuhan energi yang meningkat.

Pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan sekitar 21,3 miliar ton (21,3 gigaton) karbon dioksida (CO2) per tahun, tetapi diperkirakan proses alami hanya dapat menyerap sekitar setengah dari jumlah tersebut, sehingga terdapat peningkatan bersih sebesar 10,65 miliar ton karbon dioksida di atmosfer per tahun (satu ton karbon di atmosfer setara dengan 44⁄12 (ini merupakan rasio dari berat molekul/atom) atau 3,7 ton CO2. Karbon dioksida adalah salah satu gas rumah kaca yang meningkatkan daya paksa radiatif dan berkontribusi pada pemanasan global, menyebabkan suhu permukaan rata-rata bumi meningkat, yang menurut sebagian besar ilmuwan iklim akan menyebabkan efek buruk yang besar. Bahan bakar adalah sumber energi.

 Disadur dari: en.wikipedia.org

pembakaran internal

Mesin pembakaran internal (ICE atau mesin IC) adalah mesin panas di mana pembakaran bahan bakar terjadi dengan oksidator (biasMesinanya udara) di dalam ruang bakar yang merupakan bagian integral dari sirkuit aliran fluida kerja. Dalam mesin pembakaran internal, ekspansi gas bersuhu dan bertekanan tinggi yang dihasilkan oleh pembakaran memberikan gaya langsung ke beberapa komponen mesin. Gaya ini biasanya diterapkan pada piston (mesin piston), bilah turbin (turbin gas), rotor (mesin Wankel), atau nosel (mesin jet). Gaya ini menggerakkan komponen pada jarak tertentu, mengubah energi kimia menjadi energi kinetik yang digunakan untuk mendorong, menggerakkan, atau menggerakkan apa pun yang dipasangkan pada mesin.

Mesin pembakaran internal pertama yang sukses secara komersial diciptakan oleh Étienne Lenoir sekitar tahun 1860, dan mesin pembakaran internal modern pertama, yang dikenal sebagai mesin Otto, diciptakan pada tahun 1876 oleh Nicolaus Otto. Istilah mesin pembakaran internal biasanya mengacu pada mesin yang pembakarannya terputus-putus, seperti mesin piston dua langkah dan empat langkah yang lebih dikenal, bersama dengan variannya, seperti mesin piston enam langkah dan mesin rotari Wankel. Kelas kedua dari mesin pembakaran internal menggunakan pembakaran kontinu: turbin gas, mesin jet, dan sebagian besar mesin roket, yang masing-masing merupakan mesin pembakaran internal dengan prinsip yang sama seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. (Senjata api juga merupakan salah satu bentuk mesin pembakaran internal, meskipun jenisnya sangat khusus sehingga biasanya diperlakukan sebagai kategori terpisah, bersama dengan persenjataan seperti mortir dan meriam anti-pesawat terbang). Sebaliknya, pada mesin pembakaran eksternal, seperti mesin uap atau mesin Stirling, energi disalurkan ke fluida kerja yang tidak terdiri dari, bercampur dengan, atau terkontaminasi oleh produk pembakaran. Fluida kerja untuk mesin pembakaran eksternal termasuk udara, air panas, air bertekanan atau bahkan natrium cair yang dipanaskan dengan ketel.

Meskipun ada banyak aplikasi stasioner, sebagian besar ICE digunakan dalam aplikasi seluler dan merupakan catu daya utama untuk kendaraan seperti mobil, pesawat terbang, dan kapal. ICE biasanya ditenagai oleh bahan bakar berbasis hidrokarbon seperti gas alam, bensin, bahan bakar diesel, atau etanol. Bahan bakar terbarukan seperti biodiesel digunakan pada mesin pengapian kompresi (CI) dan bioetanol atau ETBE (etil tert-butil eter) yang diproduksi dari bioetanol pada mesin pengapian busi (SI). Pada awal tahun 1900, penemu mesin diesel, Rudolf Diesel, menggunakan minyak kacang tanah untuk menjalankan mesinnya. Bahan bakar terbarukan biasanya dicampur dengan bahan bakar fosil. Hidrogen, yang jarang digunakan, dapat diperoleh dari bahan bakar fosil atau energi terbarukan.

Sejarah

Berbagai ilmuwan dan insinyur berkontribusi pada pengembangan mesin pembakaran internal. Pada tahun 1791, John Barber mengembangkan turbin gas. Pada tahun 1794, Thomas Mead mematenkan mesin gas. Juga pada tahun 1794, Robert Street mematenkan mesin pembakaran internal, yang juga merupakan yang pertama menggunakan bahan bakar cair, dan membangun sebuah mesin pada waktu itu.

Pada tahun 1798, John Stevens membuat mesin pembakaran internal pertama di Amerika. Pada tahun 1807, insinyur Prancis Nicéphore Niépce (yang kemudian menciptakan fotografi) dan Claude Niépce menjalankan prototipe mesin pembakaran internal, menggunakan ledakan debu yang terkontrol, Pyréolophore, yang diberi hak paten oleh Napoleon Bonaparte. Mesin ini menggerakkan sebuah perahu di sungai Saône di Prancis. Pada tahun yang sama, insinyur Swiss François Isaac de Rivaz menemukan mesin pembakaran internal berbasis hidrogen dan menggerakkan mesin dengan percikan listrik. Pada tahun 1808, De Rivaz memasang penemuannya pada sebuah kendaraan primitif - "mobil bertenaga pembakaran internal pertama di dunia."Pada tahun 1823, Samuel Brown mematenkan mesin pembakaran internal pertama yang diaplikasikan secara industri.

Pada tahun 1854 di Inggris, penemu Italia, Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci, memperoleh sertifikasi: "Memperoleh Tenaga Motif dengan Ledakan Gas". Pada tahun 1857, Kantor Paten Great Seal memberikan mereka paten No. 1655 untuk penemuan "Peralatan yang Disempurnakan untuk Memperoleh Tenaga Motif dari Gas."Barsanti dan Matteucci mendapatkan paten lain untuk penemuan yang sama di Prancis, Belgia, dan Piedmont antara tahun 1857 dan 1859. Pada tahun 1860, insinyur Belgia, Jean Joseph Etienne Lenoir, menghasilkan mesin pembakaran internal berbahan bakar gas. Pada tahun 1864, Nicolaus Otto mematenkan mesin gas atmosferik yang pertama.

Pada tahun 1872, George Brayton dari Amerika menemukan mesin pembakaran internal berbahan bakar cair komersial pertama. Pada tahun 1876, Nicolaus Otto mulai bekerja sama dengan Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach, mematenkan mesin empat siklus dengan muatan terkompresi. Pada tahun 1879, Karl Benz mematenkan mesin bensin dua langkah yang andal. Kemudian, pada tahun 1886, Benz memulai produksi komersial pertama kendaraan bermotor dengan mesin pembakaran internal, di mana mesin dan sasis beroda tiga, empat siklus membentuk satu unit. Pada tahun 1892, Rudolf Diesel mengembangkan mesin pengapian kompresi muatan terkompresi pertama. Pada tahun 1926, Robert Goddard meluncurkan roket berbahan bakar cair pertama. Pada tahun 1939, Heinkel He 178 menjadi pesawat jet pertama di dunia.

Etimologi

Pada suatu waktu, kata engine (melalui bahasa Prancis Kuno, dari bahasa Latin ingenium, "kemampuan") berarti setiap bagian dari mesin-suatu pengertian yang bertahan dalam ungkapan seperti mesin pengepung. Sebuah "motor" (dari bahasa Latin motor, "penggerak") adalah mesin apa pun yang menghasilkan tenaga mekanis. Secara tradisional, motor listrik tidak disebut sebagai "mesin"; namun, mesin pembakaran sering disebut sebagai "motor". (Mesin listrik mengacu pada lokomotif yang dioperasikan dengan listrik).

Dalam berperahu, mesin pembakaran internal yang dipasang di lambung kapal disebut sebagai mesin, tetapi mesin yang berada di jendela di atas kapal disebut sebagai motor.

Aplikasi

Mesin piston bolak-balik sejauh ini merupakan sumber tenaga yang paling umum untuk kendaraan darat dan air, termasuk mobil, sepeda motor, kapal, dan pada tingkat yang lebih rendah, lokomotif (beberapa bertenaga listrik, tetapi sebagian besar menggunakan mesin diesel). Mesin rotary dari desain Wankel digunakan di beberapa mobil, pesawat terbang, dan sepeda motor. Ini secara kolektif dikenal sebagai kendaraan bermesin pembakaran internal (ICEV).

Ketika rasio daya-terhadap-berat yang tinggi diperlukan, mesin pembakaran internal muncul dalam bentuk turbin pembakaran, atau terkadang mesin Wankel. Pesawat bertenaga biasanya menggunakan ICE yang bisa berupa mesin bolak-balik. Pesawat terbang dapat menggunakan mesin jet dan helikopter dapat menggunakan turboshaft; keduanya merupakan jenis turbin. Selain menyediakan tenaga penggerak, pesawat terbang dapat menggunakan ICE terpisah sebagai unit tenaga tambahan. Mesin wankel dipasang pada banyak kendaraan udara tak berawak.

ICE menggerakkan generator listrik besar yang memberi daya pada jaringan listrik. Mereka ditemukan dalam bentuk turbin pembakaran dengan output listrik khas di kisaran sekitar 100 MW. Pembangkit listrik siklus gabungan menggunakan knalpot suhu tinggi untuk mendidihkan dan memanaskan uap air untuk menjalankan turbin uap. Dengan demikian, efisiensinya lebih tinggi karena lebih banyak energi yang diekstraksi dari bahan bakar daripada yang dapat diekstraksi oleh mesin pembakaran saja. Pembangkit listrik siklus gabungan mencapai efisiensi di kisaran 50-60%. Dalam skala yang lebih kecil, mesin stasioner seperti mesin gas atau generator diesel digunakan sebagai cadangan atau untuk menyediakan daya listrik ke area yang tidak terhubung ke jaringan listrik.

Mesin kecil (biasanya mesin bensin/bensin 2-tak) adalah sumber daya yang umum untuk mesin pemotong rumput, pemangkas tali, gergaji mesin, penghembus daun, mesin cuci tekanan, mobil salju, jet ski, motor tempel, moped, dan sepeda motor.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah disiplin ilmu teknik termal yang berkaitan dengan pembangkitan, penggunaan, konversi, dan pertukaran energi termal (panas) antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan ke dalam berbagai mekanisme, seperti konduksi termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan energi melalui perubahan fase. Para insinyur juga mempertimbangkan perpindahan massa dari spesies kimia yang berbeda (perpindahan massa dalam bentuk adveksi), baik dingin maupun panas, untuk mencapai perpindahan panas. Meskipun mekanisme ini memiliki karakteristik yang berbeda, mereka sering terjadi secara bersamaan dalam sistem yang sama.

Konduksi panas, juga disebut difusi, adalah pertukaran mikroskopis langsung dari energi kinetik partikel (seperti molekul) atau kuasi partikel (seperti gelombang kisi) melalui batas antara dua sistem. Ketika sebuah benda berada pada suhu yang berbeda dari benda lain atau sekelilingnya, panas mengalir sehingga benda dan sekelilingnya mencapai suhu yang sama, di mana pada saat itu mereka berada dalam kesetimbangan termal. Perpindahan panas spontan seperti itu selalu terjadi dari daerah bersuhu tinggi ke daerah lain yang bersuhu lebih rendah, seperti yang dijelaskan dalam hukum kedua termodinamika.

Konveksi panas terjadi ketika aliran besar fluida (gas atau cairan) membawa panas melalui fluida. Semua proses konvektif juga memindahkan panas sebagian melalui difusi. Aliran fluida dapat dipaksa oleh proses eksternal, atau kadang-kadang (dalam medan gravitasi) oleh gaya apung yang disebabkan oleh energi panas yang mengembang pada fluida (misalnya pada gumpalan api), sehingga mempengaruhi perpindahannya sendiri. Proses yang terakhir ini sering disebut "konveksi alami". Proses yang pertama sering disebut "konveksi paksa". Dalam hal ini, fluida dipaksa mengalir dengan menggunakan pompa, kipas angin, atau alat mekanis lainnya.

Radiasi termal terjadi melalui ruang hampa udara atau media transparan (padat atau fluida atau gas). Ini adalah transfer energi melalui foton atau gelombang elektromagnetik yang diatur oleh hukum yang sama.

Gambaran Umum

Perpindahan panas adalah energi yang dipertukarkan antara material (padat/cair/gas) sebagai akibat dari perbedaan suhu. Energi bebas termodinamika adalah jumlah kerja yang dapat dilakukan oleh sistem termodinamika. Entalpi adalah potensi termodinamika, ditandai dengan huruf "H", yang merupakan jumlah energi internal sistem (U) ditambah hasil kali tekanan (P) dan volume (V). Joule adalah satuan untuk mengukur energi, kerja, atau jumlah panas.

Perpindahan panas adalah fungsi proses (atau fungsi lintasan), bukan fungsi keadaan; oleh karena itu, jumlah panas yang ditransfer dalam proses termodinamika yang mengubah keadaan suatu sistem bergantung pada bagaimana proses itu terjadi, tidak hanya perbedaan bersih antara keadaan awal dan akhir proses.

Perpindahan panas termodinamika dan mekanis dihitung dengan koefisien perpindahan panas, proporsionalitas antara fluks panas dan gaya pendorong termodinamika untuk aliran panas. Fluks panas adalah representasi vektorial kuantitatif dari aliran panas melalui suatu permukaan.

Dalam konteks teknik, istilah panas dianggap identik dengan energi panas. Penggunaan ini berasal dari interpretasi historis panas sebagai fluida (kalori) yang dapat ditransfer oleh berbagai penyebab,dan itu juga umum digunakan dalam bahasa awam dan kehidupan sehari-hari.

Persamaan transpor untuk energi panas (hukum Fourier), momentum mekanik (hukum Newton untuk fluida), dan perpindahan massa (hukum difusi Fick) adalah serupa, dan analogi di antara ketiga proses transpor ini telah dikembangkan untuk memudahkan prediksi konversi dari satu ke yang lain.

Rekayasa termal berkaitan dengan pembangkitan, penggunaan, konversi, penyimpanan, dan pertukaran perpindahan panas. Dengan demikian, perpindahan panas terlibat di hampir setiap sektor ekonomi. Perpindahan panas diklasifikasikan ke dalam berbagai mekanisme, seperti konduksi termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan energi melalui perubahan fasa.

Konduksi

Pada skala mikroskopis, konduksi panas terjadi ketika atom dan molekul yang panas, bergerak cepat atau bergetar berinteraksi dengan atom dan molekul tetangga, mentransfer sebagian energinya (panas) ke partikel-partikel tetangga ini. Dengan kata lain, panas ditransfer melalui konduksi ketika atom-atom yang berdekatan bergetar satu sama lain, atau ketika elektron berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Konduksi adalah cara yang paling signifikan untuk perpindahan panas di dalam benda padat atau di antara benda padat yang bersentuhan dengan panas. Cairan-terutama gas-lebih tidak konduktif. Konduktansi kontak termal adalah studi tentang konduksi panas antara benda padat yang bersentuhan.

Proses perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain tanpa pergerakan partikel disebut konduksi, seperti saat meletakkan tangan di atas segelas air dingin - panas dihantarkan dari kulit yang hangat ke gelas yang dingin, tetapi jika tangan dipegang beberapa inci dari gelas, hanya sedikit konduksi yang akan terjadi karena udara adalah konduktor panas yang buruk. Konduksi kondisi tunak adalah model konduksi ideal yang terjadi ketika perbedaan suhu yang mendorong konduksi konstan, sehingga setelah beberapa saat, distribusi spasial suhu di objek konduksi tidak berubah lebih jauh (lihat hukum Fourier).

Pada konduksi kondisi tunak, jumlah panas yang masuk ke suatu bagian sama dengan jumlah panas yang keluar, karena perubahan suhu (ukuran energi panas) adalah nol. Contoh konduksi kondisi tunak adalah aliran panas melalui dinding rumah yang hangat pada hari yang dingin-di dalam rumah dipertahankan pada suhu tinggi dan, di luar, suhu tetap rendah, sehingga perpindahan panas per satuan waktu tetap mendekati laju konstan yang ditentukan oleh isolasi di dinding dan distribusi spasial suhu di dinding akan kurang lebih konstan dari waktu ke waktu.

Konduksi transien (lihat Persamaan panas) terjadi ketika suhu di dalam sebuah benda berubah sebagai fungsi waktu. Analisis sistem transien lebih kompleks, dan solusi analitik dari persamaan panas hanya berlaku untuk sistem model yang diidealkan. Aplikasi praktis umumnya diselidiki menggunakan metode numerik, teknik perkiraan, atau studi empiris.

Konveksi

Aliran fluida dapat dipaksa oleh proses eksternal, atau kadang-kadang (dalam medan gravitasi) oleh gaya apung yang disebabkan oleh energi panas yang mengembang pada fluida (misalnya dalam gumpalan api), sehingga mempengaruhi perpindahannya sendiri. Proses yang terakhir ini sering disebut "konveksi alami". Semua proses konvektif juga memindahkan panas sebagian melalui difusi. Bentuk konveksi lainnya adalah konveksi paksa. Dalam hal ini fluida dipaksa mengalir dengan menggunakan pompa, kipas angin, atau alat mekanis lainnya.

Perpindahan panas konvektif, atau secara sederhana, konveksi, adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain melalui pergerakan fluida, sebuah proses yang pada dasarnya adalah perpindahan panas melalui perpindahan massa. Gerakan massal fluida meningkatkan perpindahan panas dalam banyak situasi fisik, seperti (misalnya) antara permukaan padat dan fluida. Konveksi biasanya merupakan bentuk dominan perpindahan panas dalam cairan dan gas. Meskipun kadang-kadang dibahas sebagai metode ketiga perpindahan panas, konveksi biasanya digunakan untuk menggambarkan efek gabungan dari konduksi panas di dalam fluida (difusi) dan perpindahan panas melalui aliran fluida curah.

Proses transportasi melalui aliran fluida dikenal sebagai adveksi, tetapi adveksi murni adalah istilah yang umumnya hanya terkait dengan transportasi massa dalam fluida, seperti adveksi kerikil di sungai. Dalam kasus perpindahan panas dalam fluida, di mana pengangkutan melalui adveksi dalam fluida selalu disertai dengan pengangkutan melalui difusi panas (juga dikenal sebagai konduksi panas), proses konveksi panas dipahami sebagai jumlah pengangkutan panas melalui adveksi dan difusi / konduksi.

Konveksi bebas, atau alami, terjadi ketika gerakan fluida curah (aliran dan arus) disebabkan oleh gaya apung yang dihasilkan dari variasi densitas karena variasi suhu dalam fluida. Konveksi paksa adalah istilah yang digunakan ketika aliran dan arus dalam fluida diinduksi oleh alat eksternal - seperti kipas, pengaduk, dan pompa - menciptakan arus konveksi yang diinduksi secara artifisial.

Disadur dari: en.wikipedia.org