Modul I

SOAL PRE TEST

MODUL I.

Petunjuk :

Kerjakan semua soal pretest ini sebagai syarat untuk mempelajari modul I

1. Jelaskan pengertian energi dan hukum kekekalan energi ?

2. Dari hukum kekekalan energi diketahui bahwa energi dari bentuk pemunculan yang satu dapat dirubah menjadi bentuk yang lain. Berikan beberapa contohnya dan jelaskan prosesnya ?

3. Jelaskan pengertian dan satuan beberapa istilah berikut ini :

a. Gaya

b. energi

c. daya

d. Massa

e. Berat

4. Jelaskan proses konversi energi pada motor bakar ?

5. Apa yang dimaksud dengan motor bakar ?

6. Bagaimana proses untuk menghasilkan energi pada motor bakar ?

7. Jelaskan bagaimana penerapan hukum kekekalan energi pada proses kerja motor bakar ?

8. Jelaskan pengertian effisiensi dan mengapa efisiensi sebuah mesin sangat penting ?

Keterangan:

Soal pretest ini berguna untuk mengukur tingkat pemahaman awal para mahasiswa sebelum mempelajari modul I.

MODUL I. DASAR-DASAR KONVERSI ENERGI

Tujuan Instruksional khusus (TIK) :

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Menjelaskan pengertian energi dan hukum kekekalan energi

2. Menyebutkan pengklasifikasian energi dan jenis-jenisnya dan perhitungannya.

3. Menjelaskan pengertian gaya, energi, daya, massa dan berat dan satuannya

4. Menjelaskan proses dasar konversi energi pada motor bakar

5. Menjelaskan pengertian motor bakar, jenis dan prosesnya serta beberapa istilah yang berhubungan dengannya.

6. Menjelaskan pengertian effisiensi dan perhitungannya.

1.1. PENDAHULUAN

Aspek dasar dari konsep energi adalah kelestarian energi sebagaimana disebutkan dalam hukum pertama Termodinamika, yaitu bahwa energi suatu sistem yang tertutup adalah konstan. Contohnya apabila ada 2 buah benda yang bergerak saling betabrakan dan kemudian kedua benda tersebut berhenti, maka benda tersebut akan kehilangan energi kinetiknya, namun sesungguhnya energi tersebut tidak hilang, tapi telah di konversikan menjadi energi yang berbentuk peningkatan suhu kedua benda tersebut.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa Energi dapat diubah bentuknya tetapi jumlahnya tetap pada setiap saat dalam suatu proses perubahan tersebut, hal ini mengandung pengertian bahwa bila suatu jumlah energi dalam suatu bentuk pemunculan tertentu dihilangkan, maka suatu jumlah energi yang sama akan timbul dalam suatu bentuk yang lain atau bahkan lebih. Energi tersebut dapat dirubah menjadi energi mekanis oleh suatu sistem pengkonversian energi untuk menghasilkan suatu usaha yang berguna.

Energi mekanis adalah salah satu bentuk energi yang lebih diingini karena energi ini dapat dikonversi menjadi energi panas dengan efisiensi 100 persen dan juga dapat dikonversi menjadi energi listrik dengan efisiensi konversi yang sangat tinggi. Pada dasarnya energi mekanis adalah hasil konversi energi panas atau konversi langsung energi listrik. Konversi energi panas ke energi mekanis biasanya berlangsung pada beberapa jenis mesin kalor (heat engine) yang bekerja berdasarkan siklus mesin kalor thermodinamika dengan efisiensi konversi yang terbatas. Konversi energi listrik ke mekanis biasanya terjadi sebagai hasil interaksi medan magmit di dalam motor listrik.

1.2. PENGERTIAN ENERGI

Energi dapat secara luas didefinisikan sebagai kemampuan untuk menghasilkan atau kapasitas untuk menghasilkan suatu pengaruh. Secara lebih spesifik dapat diartikan sebagai sesuatu yang dalam sistem tertentu dapat diubah menjadi usaha/kerja. Artinya kalau energi tersebut bekerja pada suatu sistem, misalkan gaya dorong pesawat terbang, maka gaya tersebut akan mendorong pesawat terbang tersebut untuk melakukan kerja mekanis.

Gambar 1.1. Proses terjadinya kerja mekanis

Dalam gambar tersebut sebuah pesawat terbang didorong oleh gaya F sehingga berpindah sejauh S, searah dengan arah gaya F, sehingga gaya F telah melakukan kerja mekanis sebesar F (gaya) x S (jarak) pada pesawat tersebut..

1.3. KLASIFIKASI ENERGI

Energi dapat diklasifikasikan untuk keperluan-keperluan thermodinamika teknik sebagai berikut :

I. Energi tersimpan;

yang tergolong sebagai energi tersimpan adalah sebagai berikut :

1. Energi Potensial, yaitu : energi yang dipunyai oleh benda karena letaknya diukur relatif vertical terhadap suatu bidang dasar sembarang yang disebut datum. Besarnya energi potensial adalah : berat x tinggi; Ep = m . g. h

2. Energi Kinetis, yaitu : Energi yang dipunyai oleh benda karena kecepatannya. Besarnya energi kinetis adalah :

atau

3. Energi dalam (U), yaitu : energi yang dipunyai oleh benda karena aktifitas dan konsfigurasi dari molekul-molekulnya.

4. Energi aliran, yaitu : energi yang dipunyai oleh suatu benda yang mengalir dalam suatu tabung karena adanya kerja oleh fluida yang menyebabkan fluida itu mengalir dalam suatu bidang sembarangan; energi aliran : tekanan x volume spesifik.

5. Energi kimia, yaitu : energi yang dipunyai oleh benda karena struktur atomnya, ini dibuktikan oleh adanya energi yang dihasilkan oleh suatu reaksi kimia.

6. Energi atom, yaitu : energi yang terikat di dalam partikel-partikel pada inti atom, terbukti dengan terjadinya pengaturan tataletak partikel di dalam inti atom. Hubungan antara penurunan massa selama reaksi inti atom dan energi yang dilepaskan dirumuskan oleh Albert Einstein sebagai berikut : E = m . c²

Dimana : E = Energi yang ditimbulkan

M = penurunan massa

C = kecepatan cahaya; 2,9999 x 10¹⁰ cm/detik.

II. Energi yang dialirkan (energi in transaction);

Pembagiannya sebagai berikut ini :

1. Panas (Q), yaitu energi yang mengalir dari satu benda ke benda yang lain karena perbedaan suhu. Jumlah panas dinyatakan sebagai hasil perjkalian massa bahan dengan kapasitas panas dan perubahan suhu; atau Q = w ∫ cd T

2. Kerja (W), yaitu energi yang dihasilkan oleh suatu gaya yang bergerak pada suatu jarak tertentu; W = ∫ F dx.

1.4. SATUAN ENERGI

Satuan gaya Dalam SI adalah Newton; yang didefenisikan sebagai berikut :

1 Newton = besarnya gaya yang bekerja pada benda bermassa 1 kg massa, dan menimbulkan percepatan gerakan sebesar 1 m/det^2. Defenisi tersebut di dasarkan pada hukum Newton yang terkenal dan sangat mendasar yaitu : Gaya = Massa x Percepatan. Jadi 1 Newton = 1 kg (massa) x 1 m/det².

Sebetulnya bobot suatu benda itu adalah besarnya gaya tarik bumi (gravitasi) yang bekerja pada sebuah benda dan menimbulkan percepatan (jika benda tersebut jatuh) sebesar g m/det². Sehingga Bobot = m x g, bila diketahui massa suatu benda 1 kg massa, maka bobotnya adalah = 1 kg x g (gaya gravitasi) = g Newton. Jadi sesungguhnya bobot sebuah benda adalah tergantung pada besarnya gaya gravitasi (g). Yang tetap adalah massanya, sedangkan harga g disebabkan oleh gaya tarik bumi sebagai akibat tarikan massa bumi. Seandainya benda tersebut dibawa ke bulan, maka massanya tetap tapi beratnya akan berubah tergantung pada gaya gravitasi di bulan.

Satuan energi dalam SI adalah Joule (J); tapi beberapa satuan lainnya juga dipakai seperti : electronvolt (ev), kalori (kal), britis thermal unit (BTU), dll. Daya merupakan laju pemakaian energi seperti joele per detik (J/detik), satuannya adalah watt (W) dengan kelipatannya yang umum dipergunakan adalah kilowatt (KW), megawatt (MW), giga watt (GW), dst.

1.5. PROSES KONVERSI ENERGI

Suatu energi itu dapat diubah atau dikonversi menjadi suatu kerja mekanis oleh suatu system yang disebut sistem konversi energi. Hukum yang sangat terkenal dan mendasar pada proses konversi energi ialah Hukum kekekalan energi (Law of the Conservation of Energi). Hukum ini menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, hanya dapat diubah bentuknya dari satu bentuk ke bentuk yang lain tetapi jumlahnya pada setiap saat dalam proses perubahan tersebut adalah tetap.

Salah satu sistem Konversi Energi yang paling banyak penggunaannya adalah motor bakar, yang menggunakan silinder, torak dan engkol untuk mengubah gerakan torak yang bergerak secara translasi (bolak-balik) menjadi gerakan rotasi (putar) pada poros engkol. Proses konversi energi pada motor bakar memanfaatkan energi panas yang dibebaskan dari bahan bakar (cair) seperti bensin, minyak diesel, kerosin dsb, dengan cara pembakaran sehingga menghasilkan gas yang akan mendorong piston untuk menggerakkan poros engkol.

Proses konversi energi pada motor bakar untuk mengubah gerakan translasi rotasi melalui batang torak dan poros engkol ditunjukkan pada gambar 1 – 1 di bawah ini.

Gambar 1-1. Proses konversi energi pada motor bakar torak.

Pada gambar 2-1, didalam ruangan antara silinder dan torak terdapat suatu gas hasil, pembakaran bahan bakar + udara, torak (piston) melalui batang soker memutar poros engkol untuk menggerakkan beban. Menurut Hukum Boyle, tekanan gas akan naik sampai tekanan gas dapat mengatasi gaya gesekan beban B terhadap landasan, serta gesekan lainnya, sehingga torak dapat bergerak memutar poros engkol untuk menggerakkan beban. Gaya (F) yang dibutuhkan adalah: tekanan (P) x luas Torak/Silinder (A), sehingga gas telah membuat usaha mekanis sebesar Gaya (F) x jarak perpindahan benda (S). Dalam proses tersebut telah terjadi suatu proses konversi energi panas menjadi energi gerak. Untuk mengembalikan torak ke posisi yang semula, maka gas perlu menyusut volumenya dan ini berarti bahwa gas harus didinginkan.

Secara skematik proses Konversi Energi yang berlangsung secara terus menerus dapat terlihat pada gambar 1 - 2. Dalam gambar tersebut Q₁ merupakan arus energi masuk (panas), Q₂ arus energi yang keluar dari sistem (pendinginan) melalui pembuangan gas hasil pembakaran, dan W adalah arus energi yang keluar yang dimanfaatkan untuk menggerakkan beban. Q₂ adalah pembuangan energi yang ternyata harus ada, bagaimana pun kecilnya, supaya sistem dapat bekerja secara terus-menerus. Hal ini merupakan hukum umum yaitu : “Tidak mungkin energi yang dimasukkan (Q₁), seluruhnya (100 % ) dapat diubah menjadi kerja (W)”. Setelah Q₂ dikeluarkan agar volume gas menyusut supaya memungkinkan torak kembali ke posisi semula, maka gas didalam silinder telah melakukan satu siklus kerja, proses ini dapat dimulai lagi dan seterusnya.

1.6. MOTOR BAKAR TORAK

Motor bakar pada umumnya dikenal sebagai mesin pembakaran dalam, dimana proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran (tenaga termis) yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja dan mengubahnya menjadi kerja mekanik. Tenaga termis dihasilkan dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, sehingga gas pembakaran menjadi bertemperatur tinggi yang menyebabkan tekanan tinggi di dalam silinder. Gas ini berekspansi untuk melakukan kerja mekanik.

Motor bakar torak menggunakan beberapa selinder yang didalamnya berisi torak yang bergerak translasi (bolak-balik). Di dalam selinder akan terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas hasil pembakaran akan menggerakkan torak yang dihubungkan dengan batang penghubung dengan poros engkol. Gerak translasi torak di dalam selinder akan menyebabkan gerak rotasi pada poros engkol, dan juga sebaliknya gerak rotasi pada poros engkol akan menimbulkan gerak translasi pada torak.

Motor bakar torak terbagi menjadi 2 jenis utama yaitu : motor bensin (Otto) dan motor diesel. Perbedaan yang utama terletak pada sistem penyalaannya. Pada motor bensin bahan bakar dinyalakan dengan menggunakan loncatan api listrik diantara elektroda busi, sehingga dinamakan Spark Ignition Engines. Sedangkan pada motor diesel proses pembakaran terjadi dengan proses penyalaan sendiri karena bahan bakar disemprotkan ke dalam selinder yang berisi udara bertemperatur dan bertekanan tinggi sehingga terbakar sendiri oleh udara yang mengandung sekitar 21 % volume O₂ setelah temperatur campuran tesebut melampaui temperatur nyala bahan bakar. Berdasarkan proses pembakarannya, maka disebut Compression Ignition Engines.

Torak adalah bagian mesin yang sangat kritis, karena dikenai gas yang bertekanan dan bertemperatur tinggi serta melakukan gerak translasi dengan kecepatan yang sangat tinggi. Torak meneruskan gaya gas pembakaran yang temperaturnya dapat mencapai 2500 ⁰C kepada poros engkol, maka torak harus memenuhi persyaratan, antara lain : kekuatan static dan dinamik yang tinggi, ringan, gesekan kecil dan tidak mudah rusak, serta dapat bergerak secara leluasa di dalam selinder dengan suaian yang sekecil-kecilnya.

Ada beberapa defenisi istilah yang digunakan pada motor bakar, antara lain adalah :

· Panjang engkol, yaitu : jarak antara pena engkol dan leher poros.

· Langkah torak, yaitu : Gerakan torak antara titik mati atas (TMA) dan titik mati bawah (TMB), atau panjang langkah torak = 2 x panjang engkol.

· Isi langkah torak, yaitu : Volume (isi) di dalam silinder antara titik mati atas (TMA) dengan titik mati bawah (TMB), atau isi langkah torak sama dengan luas lingkaran torak x panjang langkah torak. Dapat dinyatakan denga rumus : V_s = x d² x s.

Ket. Rumus : V_s = isi langkah torak

d = diameter torak

s = panjang langkah torak

· Ruang bakar atau ruang kompresi, yaitu : ruang antara titik mati atas (TMB) torak dengan tutup silinder.

· Volume silinder, yaitu : ruang di dalam silinder antara tutup silinder dengan titik mati bawah (TMB) torak, atau Isi silinder = isi langkah torak + ruang bakar.

· Perbandingan kompresi atau bilangan kompresi, yaitu : perbandingan antara isi silinder dengan ruang bakar atau ruang kompresi. Hal ini dapat dinyatakan dengan rumus :

Perbandingan kompresi =

Atau ε =

Ket. Rumus : ε = perbandingan kompresi atau bilangan kompresi

Vs = isi langkah torak

Vv = isi ruang bakar (volume silinder)

· Bilangan kompresi efektif, yaitu : perbandingan isi silinder antara permulaan kompresi dengan permulaan pembakaran.

1.7. EFISIENSI

Pada proses konversi energi, energi yang keluar dari poros adalah energi berguna (output), sedangkan energi yang masuk kedalam sistem dinamakan input. Sedangkan selisih antara energi yang masuk dan energi yang keluar adalah energi tak berguna (kerugian), maka yang dimaksud dengan efisiensi adalah :

Efisiensi = x 100 %

Sudah tentu kita selalu menginginkan harga Efisiensi yang besar untuk setiap sistem tetapi dapat dibuktikan bahwa harga itu selalu kurang dari 100%. Misalnya : sebuah mesin yang berputar tanpa dihubungkan dengan beban apapun sehingga porosnya hanya berputar bebas, Ini berarti mesin tersebut mempunyai output = 0, tetapi untuk menjalankan mesin perlu diberikan input positif berupa bahan bakar. Jadi selisih antara Input dengan output disebut kerugian, karena outputnya = 0 maka Inputnya dipakai untuk mengatasi kerugian-kerugian mesin tersebut.

CONTOH-CONTOH SOAL

Contoh soal 1-1.

Sebuah benda mempunyai berat 100 Kg yang diletakkan pada ketinggian 95 meter dari suatu bidang datar. Energi apakah yang dimiliki oleh benda tersebut dan berapa harganya ?

Jawab :

Benda tersebut mempunyai energi potensial, besarnya adalah :

Ep = 100 kg. x 95 m = 950 kg.m.

Contoh soal 1-2.

Sebuah mobil gerobak mempunyai berat 10 ton berjalan dengan kecepatan 50 mil per jam pada ketinggian sejajar permukaan laut. Energi macam apa yang dipunyai mobil tersebut dan berapa besarnya ?

Jawab :

Mobil tersebut mempunyai energi kinetis, besarnya adalah :

- Berat mobil = 10 ton x 2000 =20.000 lb.

- Kecepatan mobil = 50 x 5280 x = 73,3 ft/dt

- Maka; Ek = = 1.670.000 ft.lb.

Contoh soal 1-3.

Sebuah pesawat terbang berada pada ketinggian 10.000 ft dengan kecepatan 250 mil/jam, berat pesawat itu adalah 4000 lb. Tentukan berapa energi total yang dipunyainya yang dihitung dari permukaan laut ?

Jawaban :

- Kecepatan pesawat = 250 x 5280 x = 367 ft/dt

- Berat pesawat = 4000 lb

- Energi kinetis (Ek) = = 8.370.000 ft.lb.

- Energi potensial (Ep) = 4000 lb x 10.000 ft = 40.000.000 ft.lb.

- Maka energi total adalah (E total) = Ek + Ep = 48.370.000 ft.lb.

Contoh soal 1-4.

Air pada suhu 200 ^oF pada tekanan 800 psia mengalir melalui suatu pipa dengan kecepatan 100 ft/det. Pipa berada pada ketinggian 250 ft di atas bidang datum. Bila energi dalam air besarnya 132.000 ft-lb/lb dan volume spesifik 0,0166 ft³/lb. Tentukan berapa energi total satu poun (lb) air ?

Jawab :

- Energi potensial (Ep) = 1 lb x 250 ft = 250 lb.ft

- Energi kinetis (Ek) = = 155 ft.lb

- Energi dalam (U) = 132.000 ft-lb/lb

- Energi aliran = 800 lb/in² x 144 in²/ft² x 0,0166 ft³/lb =1920 ft-lb/lb.

- Energi total = Ep + Ek + U + Ea = 134325 ft-lb/lb.

Contoh soal 1-5.

Sebuah motor bakar bensin mengeluarkan daya output sebesar 10 Pk dalam 1 jam, dengan menghabiskan bahan bakar sebanyak 4.2 lb/jam. Bila bahan bakar tersebut mempunyai nilai pemanasan sebesar 20.000 Btu/lb. Tentukan berapakah efisiensi panas motor tersebut ?

Jawab :

- Output setiap jam kerja = 10 pk /jam x 2545 Btu/pk-jam = 25.450 Btu.

- Panas yang diberikan setiap jam = 4.2 lb x 20.000 Btu/lb = 84.000 Btu.

- Efisiensi panas = η = x 100 % = 30,3 %.

Contoh soal 1-6.

Percepatan gravitasi di permukaan planet Mars adalah 3.74 m/det², bila seorang astronot dari planet bumi yang mempunyai massa 75 kg hendak ke planet Mars, berapa berat orang tersebut ketika sudah berada di planet Mars dan ketika masih di bumi ?

Jawab :

Baratnya di planet Mars adalah gaya yang dikerjakan oleh gravitasi planet Mars padanya,

F = m . g_mars

= 75 kg . 3,74 m/det²

= 280,5 N

sedangkan ketika di bumi beratnya adalah :

F = m . g _bumi

= 75 kg . 9.81 m/det²

= 735.75 N

RANGKUMAN

Energi dapat didefinisikan dalam arti yang luas sebagai kemampuan untuk menghasilkan atau kapasitas untuk menghasilkan suatu pengaruh. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa Energi dapat diubah bentuknya tetapi jumlahnya tetap pada setiap saat dalam suatu proses perubahan tersebut, yaitu bila suatu jumlah energi dalam suatu bentuk pemunculan tertentu dihilangkan, maka suatu jumlah energi yang sama akan timbul dalam suatu bentuk yang lain atau bahkan lebih yang dapat dirubah menjadi energi mekanis oleh suatu sistem pengkonversian energi untuk menghasilkan suatu usaha yang berguna.

Suatu energi itu dapat diubah atau dikonversi menjadi suatu kerja mekanis oleh suatu system yang disebut sistem konversi energi. Proses konversi energi pada motor bakar memanfaatkan energi panas yang dibebaskan dari bahan bakar (cair) seperti bensin, minyak diesel, kerosin dsb, dengan cara pembakaran sehingga menghasilkan gas yang akan mendorong piston untuk menggerakkan poros engkol. Motor bakar pada umumnya dikenal sebagai mesin pembakaran dalam, dimana proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran (tenaga termis) yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja dan mengubahnya menjadi kerja mekanik. Tenaga termis dihasilkan dari pembakaran bahan bakar di dalam silinder, sehingga gas pembakaran menjadi bertemperatur tinggi yang menyebabkan tekanan tinggi di dalam silinder. Gas ini berekspansi untuk melakukan kerja mekanik.

SOAL POST TEST MODUL I

1. Jelaskan pengertian energi dan hukum kekekalan energi ? Berikan beberapa contohnya

2. Jelaskan pengertian dan satuan beberapa istilah berikut ini :

a. Gaya

b. energi

c. daya

d. Massa

e. Berat

3. Jelaskan proses konversi energi pada motor bakar ?

4. Apa yang dimaksud dengan motor bakar ? Bagaimana proses untuk menghasilkan energi pada motor bakar ?

5. Jelaskan bagaimana penerapan hukum kekekalan energi pada proses kerja motor bakar ?

6. Jelaskan pengertian effisiensi dan mengapa efisiensi sebuah mesin sangat penting ?

7. Sebuah truk mempunyai berat 7500 kg membawa muatan seberat 10 ton berjalan dengan kecepatan 50 mil per jam pada ketinggian sejajar permukaan laut. Tentukan berapa energi kinetic yang dipunyai oleh truk tersebut ?

8. Sebuah pesawat terbang komersial mempunyai kecepatan 300 mil/jam terbang pada ketinggian 11500 ft, berat pesawat itu adalah 5000 lb. Tentukan berapa energi kinetic dan energi potensial pesawat tersebut dihitung dari permukaan laut ?

9. Air yang mengalir melalui suatu pipa mempunyai kecepatan 125 ft/det pada suhu 250 ^oF dengan tekanan 950 psia. Pipa berada pada ketinggian 275 ft dari permukaan tanah. Bila energi dalam air besarnya 132.000 ft-lb/lb dan volume spesifik 0,0166 ft³/lb. Tentukan :

• Energi kinetic (Ek)
• Energi Potensial (Ep)
• Energi dalam
• Energi aliran

10. Sebuah motor diesel pembangkit generator mampu mengeluarkan daya output sebesar 100 Pk dalam 1 jam, dengan menghabiskan bahan bakar sebanyak 40 lb/jam. Bila bahan bakar tersebut mempunyai nilai pemanasan sebesar 20.000 Btu/lb. Tentukan berapakah efisiensi panas motor tersebut ?

BAHAN BACAAN

1. Michael M. Abbott, Darmadi Kusno, dkk. TIORI DAN SOAL TERMODINAMIKA, Erlangga, 1994. Bab I

2. Archie W. Culp, Jr, Darwin Sitompul, Prinsip-prinsip konversi energi, Erlangga,1989. Bab I.

3. Cecil F Warner, Moerdjijarto Pratomo, Dasar-Dasar Thermodinamika Untuk Insiyur, Balai Pustaka, 1985. Bab I