PENERAPAN TERMODINAMIKA PADA REFRIGERATOR (KULKAS)

Transkripsi

1 PENERAPAN TERMODINAMIKA PADA REFRIGERATOR (KULKAS) Laporan ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Termodinamika Dosen Pengampu : Drs.Harto Nuroso,M.Pd. Disusun oleh : Kelompok 2 1. Feny Febriana Damayanti ( ) 2. Setya Wahyuni ( ) 3. Khilman Najib ( ) PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA, ILMU PENGETAHUAN ALAM, DAN TEKNOLOGI INFORMASI UNIVERSITAS PGRI SEMARANG 2017/2018

2 KATA PENGANTAR Puji syukur senantiasa penulis haturkan kepada Allah SWT, yang telah melimpahkan taufiq, hidayah dan inayah-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah yang berjudul Penerapan Termodinamika pada Refrigerator (Kulkas) dan hanya kepada-nya penulis gantungkan segala harapan. Dalam penyusunan makalah ini penulis menyadari atas kemampuan yang ada, dimana penulis tidak terlepas dari hambatan, gangguan dan kesulitan yang muncul baik dari dalam maupun dari luar diri penulis. Untuk itu saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan makalah ini. Dan akhirnya besar harapan makalah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak pada umumnya dan bagi penyusun khususnya. Semarang, November 2017 Penyusun i

3 DAFTAR ISI HALAMAN SAMPUL KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... ii BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang... 1 B. Rumusan Masalah... 1 C. Tujuan... 2 D. Manfaat... 2 BAB II PEMBAHASAN A. Termodinamika... 3 B. Penerapan Hukum Kedua Termodinamika pada Kulkas C. Prinsip Kerja pada Kulkas BAB II PENUTUP A. Simpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA ii

4 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana hubungan termodinamika berasal. Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecuali perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius. Pernyataan clausius: tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang lebih tinggi. Pernyataan kelvin- planck: tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal.(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran J., Shapiro N.M. - 6th ed Wiley) Bab5). "total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya hal ini disebut dengan prinsip kenaikan entropi" merupakan korolari dari kedua pernyataan diatas (analisis Hukum kedua termodinamika untuk proses dengan menggunakan sifat entropi). Di masa sekarang ini hukum kedua termodinamika banyak diterapkan di bidang teknologi, khususnya pada mesin pendingin (refrigator), contohnya kulkas. B. Rumusan Masalah 1. Apa yang dimaksud dengan Termodinamika? 2. Bagaimana konsep penerapan Hukum Kedua Termodinamika pada Kulkas? 1

5 3. Apa saja bagian bagian yang terdapat pada kulkas? 4. Bagaiamana cara kerja instalasi mesin kulkas? C. Tujuan 1. Mengetahui apa yang dimaksud dengan Termodinamika. 2. Mengetahui konsep hukum kedua termodinamika pada kulkas. 3. Mengetahui bagian bagian yang terdapat pada kulkas. 4. Mengetahui bagaiamana cara kerja kulkas. D. Manfaat 1. Sebagai sumber bacaan atau referensi bagi para akademis yang sedang menjalani pendidikan. 2. Sebagai pemahaman mengenai Termodinamika dan penerapannya. 2

6 BAB II PEMBAHASAN A. Termodinamika Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan bendabenda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (diluar) sistem disebut lingkungan. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. Prinsip thermodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam maka nan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses thermodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Suatu sistem thermodinamika adalah sustu masa atau daerah yang dipilih, untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem. Jenis-jenis sistem pada Termodinamika: 1. Sistem tertutup Merupakan sistem massa tetap dan identitas batas sistem ditentukan oleh ruang zat yang menempatinya. 2. Sistem terbuka 3

7 Pada sistem ini, zat melewati batas sistem. Panas dan kerja bisa juga melewati batas sistem. 3. Sistem terisolasi Adalah sebuah sistem yang sama sekali tidak dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem ini massanya tetap dan tidak ada panas atau kerja yang melewati batas sistem. Di dalam termodinamika dikenal ada 4 proses yaitu : 1. Proses pada tekanan konstan (isobarik) 2. Proses pada volume konstan (isokhorik) 3. Proses pada temperatur konstan (isotermal) 4. Proses adiabatis Sebelum kita membahas tentang kondisi pada masing-masing proses terlebih dahulu kita ingat kembali beberapa persamaan persamaan yang berlaku seperti : Persamaan gas ideal : Perubahan energi dalam : Perubahan entalpi : Indek isentropis atau rasio panas jenis tekanan konstan terhadap panas jenis volume konstan : 4

8 1. Proses tekanan konstan (isobarik) Pada proses tekanan konstan, tekanan awal proses sama dengan tekanan akhir proses atau p1= p2. Bila p = C maka dp = 0. Pada diagram p-v dapat digambar sebagai berikut. Kerja akibat ekspansi atau kompresi gas pada tekanan konstan dapat dihitung sebagai berikut : Perubahan energi dalam pada proses isobarik dapat dihitung : 5

9 Perubahan kalor pada proses isobarik dapat dihitung : Dari persamaan gas ideal didapat : dan Sehingga : Entalpi pada proses isobar : 6

10 2. Proses volume konstan (isokhorik) Pada proses isokhorik, volume awal akan sama dengan volume akhir gas atau V1 = V2. Bila V1 = V2 maka dv = 0. Pada diagram p-v dapat digambar sebagai breikut : Pada proses isokhorik atau volume konstan, tidak ada kerja yang diberikan atau dihasilkan sistem, karena volume awal dan akhir proses sama sehingga perubahan volume (dv) adalah 0. Pada proses isokhorik semua kalor yang diberikan diubah menjadi energi dalam sistem Perubahan energi dalam pada proses isokhorik : Kalor pada proses isokhorik : 7

11 Dimana dv = 0 sehingga dq = du = m.cv.(t2 T1) Entalpi pada proses isokhorik : 3. Proses temperatur konstan (isotermal) Pada proses isotermal, temperatur awal proses akan sama dengan temperatur akhir proses atau T1 = T2. kondisi ini menyebabkan dt = 0 sehingga perubahan energi dalam sistem (du) = 0. Kerja pada proses isotermal dapat dihitung : 8

12 Dari hukum gas ideal : Karena T = konstan maka p.v = konstan (C). sehingga maka m, R dan T konstan maka : Didapat: Perubahan energi dalam pada proses isotermal adalah 0 sehingga besar perubahan kalor akan sama dengan kerja pada proses isotermal. Perubahan entalpi pada proses isotermal : 9

13 4. Proses Adiabatik Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = U). Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1). Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam. 10

14 B. Penerapan Hukum Kedua Termodinamika Pada Kulkas Ada dua perumusan untuk Hukum kedua Termodinamika, yaitu : 1. Rumusan Kelvin Planck Menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus secara terus menerus, menerima kalor dari suatu reservoir dan mengubah kalor tersebut seluruhnya menjadi usaha luar. 2. Rumusan Clausius Menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang bekerja menurut satu siklus, mengambil kalor dari reservoir bersuhu rendah dan memberikannya pada tandon bersuhu tinggi tanpa dilakukan kerja dari luar. Hukum kedua termodinamika dirumuskan untuk menyatakan pembatasan-pembatasan yang berhubungan dengan pengubahan kalor menjadi kerja, dan juga untuk menunjukkan arah perubahan proses di alam. Dalam bentuknya yang paling umum, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan mempergunakan suatu fungsi keadaan yang disebut entropi. Jika S as ialah perubahan entropi yangterjadi di alam semesta, maka bagi setiap proses spontan berlaku, S as > 0. Dengan memandang alam semesta itu sebagai sistem dan lingkungan, maka dapat pula dikatakan bahwa untuk semua proses spontan berlaku, S Sistem + S lingkungan > 0 dengan S sistem ialah perubahan entropi sistem dan S lingkungan ialah perubahan entropi lingkungan. Ukuran penampilan dari sebuah mesin pendingin disebut koefisien performansi (diberi lambang Cp). Koefisien performansi merupakan hasil bagi kalor Q2 yang dipindahkan dari reservoir dingin dengan usaha W yang dibutuhkan untuk memindahkan kalor ini. Kulkas menjadi salah satu kebutuhan yang krusial bagi rumah tangga masyarakat Indonesia di masa sekarang. Kulkas umumnya digunakan untuk menyimpan bahan makanan mentah, sayur-sayuran, buah-buahan, minuman kaleng, dan es krim agar tidak membusuk, tahan lama, dan tetap terjaga awet di dalam suhu yang telah dikondisikan. 11

15 Komponen-Komponen Pada Kulkas a. Kompresor Kompresor merupakan bagian terpenting di dalam kulkas. Apabila di analogikan dengan tubuh manusia, kompresor sama dengan jantung yang berfungsi memompa darah ke seluruh tubuh begitu juga dengan kompresor. Kompresor berfungsi memompa bahan pendingin keseluruh bagian kulkas. b. Kondensor Kondensor adalah alat penukar kalor untuk mengubah wujud gas bahan pendingin pada suhu dan tekanan tinggi menjadi wujud cair. Jenis kondensor yang banyak digunakan pada teknologi kulkas saat ini adalah kondensor dengan pendingin udara. Yang digunakan pada sistem refrigrasi kulkas kecil maupun sedang. kondensor seperti ini memiliki bentuk yang sederhana dan tidak memerlukan perawatan khusus.saat lemari es bekerja kondensor akan terasa hangat bila dipegang. c. Filter Filter (saringan) berguna menyaring kotoran yang mungkin terbawa aliran bahan pendingin yang keluar setelah melakukan serkulasi agar tidak masuk kedalam konpresor dan pipa kapiler. Selain itu, bahan pendingan yang akan disalurkan pada proses berikutnya lebih bersih sehingga dapat menyerap kalor lebih maksimal. d. Evaporator Evaporator berfungsi menyerap panas dari benda yang di masukkan kedalam kulkas, kemudian evaporator menguapkan bahan pendingin untuk melawan panas dan mendinginkannya. Sesuai fungsinya evaporator adalah alat penguap bahan pendingin agar efektif dalam menyerap panas dan menguapkan bahan pendingin, evaporator di buat dari bahan logam anti karat, yaitu tembaga dan almunium. e. Thermostat Thermostat memiliki banyak sebutan antara lain temperatur kontrol dan cool control. Apapun sebutannya, thermostat berfungsi mengatur kerja kompresor secara otomatis bedasarkan batasan suhu pada setiap bagian kulkas. Bisa dikatakan, thermostat adalah saklar otomatis berdasarkan pengaturan suhu. Jika suhau evaperator sesuai dengan pengatur suhu thermostat, secara otomatis thermostat akan memutuskan listrik ke kompresor. 12

16 f. Heater Hampir keseluruan kulkas nofrost dan sebagian kecil kulkas defrost dilengkapi dengan pemanas ( heater ). Pemanas berfungsi mencairkan bunga es yang terdapat di evaporator, selain itu pemanas dapat mencegah terjadinya penimbunan bunga es pada bagian rak es dan rak penyimpan buah di bawah rak es. g. Fan motor Fan motor atau kipas angin berguna untuk menghembuskan angin. Pada kulkas ada dua jenis fan Fan motor evaporator Berfungsi menghembuskan udara dingin dari evaporator keseluruh bagian rak (rak es, sayur,dan buah). Fan motor kondensor Kipas angin ini diletakkan pada bagian bawah kulkas yang memiliki kondensor yang berukuran kecil yang berfungsi mengisap atau mendorong udara melalui kondensor dan kompresor. Selain itu berfungsi mendinginkan kompresor. h. Overload motor protector Adalah komponen pengaman yang letaknya menyatu dengan terminal kompresor. Cara kerjanya serupa dengan sekering yang dapat menyambung dan memutus arus listrik. Alat ini dapat melindungi komponen kelistrikan dari kerusakan arus akibat arus yang dihasilkan kompresor melebihi arus acuan normal. i. Bahan pendingin (Refrigerant) Refrigerant adalah zat yang mudah diubah wujudnya dari gas menjadi cair, ataupun sebaliknya. Jenis bahan pendingin sangat beragam. Setiap jenis bahan pendingin memiliki karakteristik yang berbeda. 13

17 C. Prinsip Kerja Pada Kulkas Kulkas adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas. Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya. Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi Th (ruangan). Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Qh dikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi, melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (QL) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali. Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna. Jadi kesimpulannya, kulkas menggunakan penerapan Hukum kedua Termodinamika, dan bisa dikatakan kulkas menggunakan salah satu konsep Termodinamika. 1. Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas Pertama-tama, dengan adanya aliran listrik, kompresor akan bekerja menghisap gas refrigeran yang bersuhu dan bertekanan rendah dari saluran hisap dan evaporator. Kompresor kemudian memampatkan gas refrigeran sehingga menjadi uap/gas bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Gas tersebut dipaksa keluar oleh kompresor memasuki kondensor yang dingin. Gas refrigeran yang panas dan bertekanan tinggi tersebut di dalam kondensor akan didinginkan oleh udara di luar 14

18 lemari es (panas berpindah dari kondensor ke lingkungan luar) sehingga suhunya turun, mencapai suhu kondensasi (pengembunan) dan wujudnya berubah menjadi cair, tapi tekanannya tetap tinggi. Refrigeran ini kemudian mengalir ke dalam penyaring (strainer dan drier), lalu masuk ke dalam pipa kapiler yang berdiameter kecil dan panjang sehingga tekanannya turun drastis dari pipa kapiler, refrigeran cair yang tekananya sudah sangat rendah ini selanjutnya memasuki ruang evaporator yang memiliki tekanan yang rendah hingga vakum, sehingga titik didihnya semakin rendah. Oleh sebab itu, refrigeran segera berubah wujud menjadi gas. Skematik komponen komponen lemari es. Bagian belakang lemari es tempat terjadinya pertukaran panas antara refrigeran dengan lingkungan Untuk dapat menguap di dalam evaporator, refrigeran memerlukan kalor. Oleh karena refrigeran memiliki kalor laten penguapan yang besar, kalor diserap dari sekeliling evaporator, yaitu isi lemari es. Kerja ini diperkuat oleh adana daya hisap kompresor yang menyebabkan molekul-molekul gas refrigeran mendapat percepatan sehingga bergerak melesat sepanjang evaporator sambil mengambil panas dari sekelilingnya dengan efek resultan isi lemari es menjadi dingin. Selanjutnya gas refrigeran memasuki akumulator untuk dipisahkan dengan refrigeran yang masih berwujud cair. Hanya refrigeran yang berwujud gas yang boleh memasuki saluran hisap, kemudian kembali lagi ke kompresor untuk dimampatkan, kemudian dipompakan lagi ke kondensor, begitu seterusnya. Selain cooling cycle, lemari es juga memiliki kerja pendukung yaitu mencairkan es (defrost). Bila defrost tidak berfungsi, maka bunga es akan semakin menumpuk di 15

19 luar pipa evaporator sehingga akhirnya daya mendinginkan akan semakin berkurang. Kerja mencairkan es di evaporator dikerjakan oleh defrost heater (pemanas listrik) yang dibantu oleh komponen-komponen listrik kecil yang membentuk rangkaian listrik dengan berbagai variasi rangkaian, namun memiliki prinsip kerja yang sama, yaitu mengatur waktu pendinginan dan pencairan es secara bergantian agar tercapai pendinginan yang optimal di dalam lemari es. 2. Jenis Aliran Udara Pendingin Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam : a. Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atas dekat evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dingin akan mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari es karena berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalir naik ke atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingin dan berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah. b. Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakai fan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian dari lemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan melalui evaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran atau cerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es. 16

20 BAB III PENUTUP A. Simpulan Berdasarkan pembahasan dan hasil penelitian di atas, dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. 2. Hukum hukum termodinamika pada prinsipnya menjelaskan peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika. 3. Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius. 4. Klasifikasi pada sistem dibagi 3, yaitu : sistem terbuka, sistem tertutum, dan sistem terisolasi 5. Kulkas adalah salah satu contoh penerapan termodinamika di bidang teknologi yang dapat kita temukan sehari-hari. 6. Prinsip kerja kulkas menerapkan hukum kedua termodinamika B. Saran Berdasarkan pembahasan dan hasil penelitian di atas, penyusun menyarankan : 1. Karena pembahasan pada Termodinamika termasuk banyak, maka bagi para akademisi yang sedang menjalani pendidikan dan ingin lebih tau banyak hal tentang Termodinamika, haruslah bekerja keras dalam memahami konsep Termodinamika, khususnya dalam penerapan di berbagai bidang. 2. Bagi pembimbing / pengajar ilmu fisika, makalah ini dapat diajarkan kepada pelajar karena Termodinamika termasuk ke dalam materi ilmu fisika. 17

21 DAFTAR PUSTAKA _PADA_MESIN_PENDINGIN_KULKAS_ 18