Alat-alat yang menggunakan prinsip termodinamika dalam kehidupan sehari-hari

1.    Adiabatik (mesin diesel)

Mesin diesel atau yang biasa disingkat dengan diesel adalah mesin kalor yang memiliki prinsip kerja dengan menggunakan siklus diesel. Cara kerja diesel adalah melalui 2 proses adiabatik, yaitu proses isobarik dan proses isokhorik. Perbedaan mendasar antara cara kerja mesin diesel dan mesin bensin adalah pada diesel bahan bakr disemprotkan ke ruang pembakaran melalui nozel injector sehingga ketika ruang pembakaran memiliki tekanan yangs angat besar akan cukup panas untuk menyalakan bahan bakar secara spontan.

Pada diesel, gas yang amsuk hanya merupakan udara biasa, bukan campuran antara bahan bakar dan udara sehingga proses isap dan proses buang tidak terjadi pada cara kerja diese. Udara yang masuk akan dimampatkan secara adiabatik sehingga suhunya menjadi cukup tinggi. Kemudian udara tersebut disatukan dengan minyak yang disemprotkan secara perlahn pada keadaan hampir isobar. Setelah itu, akan terjadi pembakaran dan piston bergerak. Cara kerja diesel yang singkat tersebut membuat mesin diesel lebih banyak menghasilkan tenaga. 

Mesin diesel dibedakan menjadi 2, yaitu mesin diesel 4 tak dan mesin diesel 2 tak

Prinsip Kerja
        Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi.Berdasarkan cara menganalisa sistim kerjanya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistim airless injection (solid injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistim air injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan
siklus otto).

Contoh lain alat yang menggunakan prinsip adiabatik adalah termos. Prinsip kerja termos itu sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik. Bahan adiabatik secara ideal menghambat atau tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan, tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos dengan lingkungannya. Akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur. Nah dengan menggunakan bahan adiabatik ini termos mampu mempertahankan suhu air yang berada di dalamnya.

Cara Kerja Termos

                     Prinsip kerja termos itu sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik. Bahan adiabatik secara ideal menghambat atau tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan, tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos dengan lingkungannya. Akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur. Nah dengan menggunakan bahan adiabatik ini termos mampu mempertahankan suhu air yang berada di dalamnya.

Termos air terbuat dari tabung kaca yang berongga dan berwarna putih mengikap (spt cermin). susunannya yang paling dalam adalah kaca tersebut, kemudian ada celah udara dan terakhir dinding termos. jadi antara didnding termos dengan tabung ada lapisan udara.

Elemen utama termos air adalah tabung kaca yang hampa udara di sekeliling termos tersebut (seperti gelas, tapi pinggirnya tebal & hampa udara di tengahnya bukan solid/pejal seperti pinggiran gelas). Sedangkan penutup luarnya (biasanya terbuat dari aluminium) berfungsi sebagai isolator antara tabung kaca dengan udara sekitar.

prisip kerjanya kalor yang masuk dalam tabung tidak bisa merambat keluar karena dihambat oleh kaca yg mempunyai warna putih dan mengkilap (warna putih dan mengkilap itu menyerap sedikit kalor dibandingkan dgn warna gelap), kemudian kalor dihambat oleh celah yg hampir hampa udara pada tabung kaca, setelah itu masih dihambat lagi sama celah udara antara tabung dan dinding (karena udara adalah penghantar panas yg kurang baik) dan terakir adalah panas dihambat keluar oleh dinding termos yg biasa terbuat dar iplastik ato logam yg penghantar panasnyakurangbaik.
Kesimpulannya, dengan adanya tabung tersebut suhu di dalam termos tetap terjaga karena hampa udara menghambat perambatan panas melalui udara.dan panas air tak bisa merambat keluar baik secara konveksi maupun konduksis

 2. Isobarik (mesin uap)

           

Proses isobarik ini dapat dijumpai pada kasus pemanasan air di dalam ketel mesin uap sampai ke titik didihnya dan diuapkan sampai air menjadi uap, kemudian uap tersebut disuperpanaskan (superheated), dengan semua proses berlangsung pada suatu tekanan konstan.. Sistem tersebut adalah H2O di dalam sebuah wadah yang berbentuk selinder. Sebuah pengisap kedap udara yang tak mempunyai gesekan dibebani dengan pasir untuk menghasilkan tekanan yang didinginkan pada H2O dan untuk mempertahankan tekanan tersebut secara otomatis. Kalor dapat dipindahkan dari lingkungan ke sistem dengan menggunakan sebuah pembakar bunsen. Jika proses tersebut terus berlangsung cukup lama, maka air mendidih dan sebagian air tersebut diubah menjadi uap. Sistem tersebut bereskpansi secara kuasi statik tetapi tekanan yang dikerahkan sistem pada pengisap otomatis akan konstan.

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak,
Mesin uap tipe bolak balik

Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai pendidihan – Teori kinetik gas). Biasanya air mendidih (air mendidih = air berubah menjadi uap) sekitar suhu 500 oC. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan memuai terhadap piston.  Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor alias panas pada uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerja terhadap piston — W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula (2).  Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang ada di dalam kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya. Karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Karena piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus maka roda pun berputar secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakansesuatu
            Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor alias panas. Kalor alias panas yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetik translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas (kalor alias panas timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar bentuk menjadi energi listrik. Dan seterusnya.

2.      Isotermal (AC)

Isotermal –> Umumnya berkaitan dengan perubahan fasa. Semisal pencairan dan penguapan. Contoh lain ada pada Mesin(engine) dengan daur Stirling atau daur(siklus) Ericsson. Atau proses kompresi pada siklus kriogenik. Kompresi dilakukan bertingkat dengan melakukan pendinginan, sehingga temperatur terjaga konstan.

Proses kompresi atau ekspansi umumnya tidak isotermal, hanya jika dilakukan secara lambat, bisa dianggap isotermal. Semisal "memompa"(mengkompresi) ban sepeda secara pelan-pelan.

            Mesin yang menggunakan prinsip isotermal

Compressor AC yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam compressor AC dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser. Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi compressor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan. Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator. Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melaluievaporator tekanannya menjadi sangat turun. Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser. Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang yang berada dalam substansi yang dininginkan. Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka enthalpi [*] substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya enthalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan. Dengan adanya mesin pendingin listrik ini maka untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur suatu substansi dapat dengan mudah dilakukan.

Secara garis besar prinsip kerja air conditioner adalah sebagai berikut:

1. Udara di dalam ruangan dihisap oleh kipas sentrifugal yang ada dalam evaporator dan udara bersentuhan dengan pipa coil yang berisi cairan refrigerant. Dalam hal ini refrigerant akan menyerap panas udara sehingga udara menjadi dingin dan refrigerant akan menguap dan dikumpulkan dalam penampung uap.

2. Tekanan uap yang berasal dari evaporator disirkulasikan menuju kondensor, selama proses kompresi berlangsung, temperatur dan tekanan uap refrigerant menjadi naik dan ditekan masuk ke dalam kondensor.

3. Untuk menurunkan tekanan cairan refrigerant yang bertekanan tinggi digunakan katup ekspansi untuk mengatur laju aliran refrigerant yang masuk dalam evaporator.

4. Pada saat udara keluar dari condensor udara menjadi panas. Uap refrigerant memberikan panas kepada udara pendingin dalam condensor menjadi embun pada pipa kapiler. Dalam mengeluarkan panas pada condensor, dibantu oleh kipas propeller.

5. Pada sirkulasi udara dingin terus-menerus dalam ruangan, maka perlu adanya thermostat untuk mengatur suhu dalam ruangan atau sesuai dengan keinginan.

6. Udara dalam ruang menjadi lebih dingin dibanding diluar ruangan sebab udara di dalam ruangan dihisap oleh sentrifugal yang terdapat pada evaporator kemudian terjadi udara bersentuhan dengan pipa/coill evaporator yang didalamnya terdapat gas pendingin (freon). Di sini terjadi perpindahan panas sehingga suhu udara dalam ruangan relatif dingin dari sebelumnya.

7. Suhu di luar ruangan lebih panas dibanding di dalam ruangan, sebab udara yang di dalam ruangan yang dihisap oleh kipas sentrifugal dan bersentuhan dengan evaporator, serta dibantu dengan komponen AC lainnya, kemudian udara dalam ruangan dikeluarkan oleh kipas udara kondensor. Dalam hal ini udara di luar ruangan dapat dihisap oleh kipas sentrifugal dan masuknya udara melalui kisi-kisi yang terdapat pada AC.

8. Gas refrigerant bersuhu tinggi saat akhir kompresi di condensor dengan mudah dicairkan dengan udara pendingin pada sistem air cooled atau uap refrigerant menyerap panas udara pendingin dalam condensor sehingga mengembun dan menjadi cairan di luar pipa evaporator.

9. Karena air atau udara pendingin menyerap panas dari refrigerant, maka air atau udara tersebut menjadi panas pada waktu keluar dari kondensor. Uap refrigerant yang sudah menjadi cair ini, kemudian dialirkan ke dalam pipa evaporator melalui katup ekspansi. Kejadian ini akan berulang kembali seperti di atas.

4. Isokhorik (Kipas angin)

Proses Isokhorik

Terjadi pada sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang disumbangkan baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem. Ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energi kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi dalam udara. Contoh ini hanya mau menunjukkan bahwa pada proses isokorik (volume selalu konstan), kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan volume)

Mesin yang menggunakan prinsip isokhorik

Kipas angin adalah suatu alat yang memberi cukup banyak manfaat bagi kehidupan. Kipas angin berfungsi untuk memberikan udara dingin dan segar ketika suhu udara terasa panas. Cara kerja kipas angin adalah alat yang dapat mengubah energy listrik menjadi energy gerak. Dengan menggunakan  motor listrik yang berguna untuk mengubah energy listrik menjadi energy gerak. Dalam motor listrik tersebut, ada kumparan besi yang bergerak dan sepasang magnet U pada bagian yang diam. Saat listrik mengalir pada lilitan kawat dalam kumparan besi, peristiwa ini mengubah kumparan besi menjadi magnet. Magnet tersebut menghasilkan gaya berputar secara periodik pada kumparan besi, Hal ini disebabkan oleh sifat magnet yang saling tolak menolak pada kedua kutubnya, sehingga gaya tolak menolak magnet antara sepasang magnet dan kumparan besi membuat gaya berputar.

Oleh karena itu, poros kumparan menjadi tempat baling-baling kipas angin dikaitkan. Untuk memperbesar hembusan angin pada kipas angin, perlu penambahan tegangan listrik pada kumparan besi agar cara kerja kipas angin lebih optimal. Bila saklar dinyalakan maka arus listrik akan mengalir pada kumparan stator motor dan menimbulkan gaya gerak listrik sehingga rotor motor berputar, di ujung rotor dipasang kipas untuk mengerakan putaran kipas.

Bila komponen kipas angin belum dirakit, kita bisa merakit kipas angin itu sendiri menggunakan instruksi cara pemasangan dan cara kerja kipas angin yang disertakan di dalam motor kipas angin berikut dengan penjelasan tentang kipas angin tersebut. Setelah kita rakit kipas angin, kita tes apakah bunyi, apakah baling-baling seimbang atau tidak dan tes juga kecepatan dari low, medium, dan high. Pertama, kita sambungkan coloka kipas angin dengan saklar, kita coba tes dengan menekan tombol on/off kemudian tes hembusan angin dari low hingga high. Bila dirasakan hembusannya berubah menjadi semakin kencang dan aman, lihat pula apakah terdengar suara motor bising atau lembut. Sesuaikan dengan apa yang tercantum di manual instruction

Prinsip kerja kipas angin :

yaitu mengubah arus listrik menjadi gaya gerak dengan menggunakan dynamo.

Cara Kerja Termos

Prinsip kerja termos itu sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik. Bahan adiabatik secara ideal menghambat atau tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan, tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos dengan lingkungannya. Akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur. Nah dengan menggunakan bahan adiabatik ini termos mampu mempertahankan suhu air yang berada di dalamnya.

Termos air terbuat dari tabung kaca yang berongga dan berwarna putih mengikap (spt cermin). susunannya yang paling dalam adalah kaca tersebut, kemudian ada celah udara dan terakhir dinding termos. jadi antara didnding termos dengan tabung ada lapisan udara.

Elemen utama termos air adalah tabung kaca yang hampa udara di sekeliling termos tersebut (seperti gelas, tapi pinggirnya tebal & hampa udara di tengahnya bukan solid/pejal seperti pinggiran gelas). Sedangkan penutup luarnya (biasanya terbuat dari aluminium) berfungsi sebagai isolator antara tabung kaca dengan udara sekitar.

prisip kerjanya kalor yang masuk dalam tabung tidak bisa merambat keluar karena dihambat oleh kaca yg mempunyai warna putih dan mengkilap (warna putih dan mengkilap itu menyerap sedikit kalor dibandingkan dgn warna gelap), kemudian kalor dihambat oleh celah yg hampir hampa udara pada tabung kaca, setelah itu masih dihambat lagi sama celah udara antara tabung dan dinding (karena udara adalah penghantar panas yg kurang baik) dan terakir adalah panas dihambat keluar oleh dinding termos yg biasa terbuat dar iplastik ato logam yg penghantar panasnyakurangbaik.
Kesimpulannya, dengan adanya tabung tersebut suhu di dalam termos tetap terjaga karena hampa udara menghambat perambatan panas melalui udara.dan panas air tak bisa merambat keluar baik secara konveksi maupun konduksis