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