Salah satu fungsi terpenting dari rekayasa adalah mengembangkan mesin yang menghasilkan kerja mekanis dengan membakar bahan bakar. Pada tingkat paling sederhana, bahan bakar seperti gas alam dapat dibakar, dan panas yang dilepaskan dapat digunakan untuk menghangatkan sebuah ruangan suatu bangunan. Insinyur mekanik konsern dan fokus dengan efisiensi mesin di mana bahan bakar dibakar, energi termal dilepaskan, dan panas diubah menjadi kerja. Dengan meningkatkan efisiensi dari proses tersebut, konsumsi bahan bakar mobil dapat diturunkan, output dayanya dapat ditingkatkan, dan bobot mesinnya dapat dikurangi. Di bagian ini, kita akan membahas konsep efisiensi nyata dan ideal sebagaimana diterapkan pada konversi energi dan pembangkit listrik.
Mesin panas yang digambarkan secara skematis pada Gambar 1 menggambarkan mesin apa saja yang mampu mengubah panas yang dipasok menjadi kerja mekanik. Sebagai input, mesin menyerap sejumlah panas Qh dari sumber energi bersuhu tinggi, yang dijaga pada suhu Th. Panas Qh dapat diubah menjadi kerja mekanis W oleh mesin. Rugi-rugi kalor/panas (baca: panas yang tak dikonversi menjadi kerja) keluar dari mesin sebagai limbah produk.
Gambar 1. Mesin Panas (Heat Engine)
Rugi kalor Ql dilepaskan kembali ke reservoir bersuhu rendah, yang dipertahankan pada nilai konstan Tl < Th. Dari sudut pandang konsep ini, sumber energi, atau reservoir panas, cukup besar energinya sehingga suhunya tidak berubah karena panas dibuang atau ditambahkan.
Dalam konteks mesin otomotif, Qh menggambarkan panas yang dihasilkan dengan membakar bahan bakar di ruang bakar mesin; W adalah kerja mekanik yang terkait dengan rotasi dan torsi poros engkol mesin; dan Ql adalah panas yang menghangatkan blok mesin dan dikeluarkan dari pipa knalpot. Pengalaman kami sehari-hari adalah bahwa mesin tidak dapat mengkonversi semua energi panas yang dipasok menjadi kerja mekanik, dan sebagian kecil dari panas itu terbuang dan dilepaskan ke lingkungan.
Panas dipindahkan ke engine pada suhu pembakaran bensin, diberi notasi Th pada Gambar 1, dan panas yang terbuang Ql dilepaskan pada suhu yang lebih rendah yakni Tl. Seperti yang diterapkan pada pembangkit listrik, Qh adalah panas yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar seperti batu bara, minyak, atau gas alam. Energi yang dilepaskan oleh pembakaran digunakan untuk menghasilkan listrik, tetapi pabrik juga mengembalikan limbah panas ke atmosfer melalui menara pendingin atau ke sungai atau danau terdekat. Dengan W dianggap sebagai output mesin panas yang bermanfaat, semua sistem termal dan energi seperti ini memiliki karakteristik dimana panas yang dipasok tidak dapat dikonversi seluruhnya menjadi kerja yang bermanfaat.
Keseimbangan energi untuk mesin panas dirumuskan dengan:
Energi Masuk = Energi Keluar
Qh = W + Ql
Qh - Ql = W (Persamaan 1)
karena tidak ada perubahan dalam energi internalnya. Efisiensi nyata (huruf kecil Yunani eta) dari mesin kalor didefinisikan sebagai rasio hasil kerja dengan jumlah panas yang dipasok ke:
η = W/Qh (Persamaan 2)
Pada persamaan (1), kita melihat bahwa η = Ql / Qh untuk mesin panas. Karena jumlah panas yang dipasok ke mesin lebih besar daripada jumlah panas terbuang (Qh>Ql), efisiensi selalu terletak di antara nol dan satu.
Efisiensi nyata kadang-kadang digambarkan sebagai rasio "apa yang Anda dapatkan" (kerja yang diproduksi oleh mesin) terhadap "apa yang Anda bayar" (input panas), dan sering dinyatakan dalam persentase.
Sederhananya, jika mesin mobil memiliki efisiensi total 20%, maka untuk setiap 5 liter bahan bakar yang dikonsumsi, hanya 1 liter energi yang dikonversi untuk tujuan berguna menyalakan kendaraan. Seperti itulah konsep sederhana dari mesin panas yang telah dilakukan upaya optimalisasi dengan jutaan jam penelitian dan pengembangan oleh insinyur mekanik yang terampil. Nilai efisiensi yang tampaknya rendah, bagaimanapun juga, tidak seburuk yang Anda kira pada pandangan pertama, mengingat keterbatasan yang menempatkan hukum fisik pada kemampuan kita untuk mengubah panas menjadi kerja. Tabel 1 dibawah mencantumkan efisiensi nyata untuk berbagai jenis sistem panas dan energi yang dihadapi dalam bidang teknik mesin.
Tabel 1. Efisiensi nyata Untuk Berbagai Sistem Panas dan Energi
Referensi: an Introduction to Mechanical Engineering, Jonathan Wickert & Kemper Lewis
WordPress.com
