Makalah Termodinamika Siklus Otto (kelompok 6).docx

TUGAS TERMODINAMIKA TEKNIK KIMIA II SIKLUS OTTO

Oleh: Kelompok 6

Astri Handayani

(NRP. 122017058P)

Irvan Agung Laksono

(NRP. 122017038P)

Pandu Pratama Novianto (NRP. 122016011P)

Dosen Pengajar : Ibu Ir. Dewi Fernianti, M.T.

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PALEMBANG 2018

i

KATA PENGANTAR Alhamdulillah kami ucapkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya kepada kami sehingga dapat menyelesaikan makalah ini dengan sangat baik. Tak lupa kami selalu hanturkan salam dan shalawat kepada baginda Rasulullah SAW beserta sahabat dan pengikutnya hingga akhir zaman yang tak henti-hentinya membawa kebenaran agama Islam ke seluruh penjuru dunia. Tidak lupa kami ucapkan terima kasih kepada Ibu Ir. Dewi Fernianti, M.T. yang telah mempercayai kami untuk menyusun makalah ini. Serta kepada temanteman yang berkat partisipasinya makalah ini dapat terselesaikan dengan baik. Makalah ini kami susun dengan sistematis sesuai sajian dengan bahasan kami yaitu Siklus Otto. Kami mengulas tema makalah ini dengan wawasan yang kami dapatkan dari berbagai buku dan sumber informasi lainnya. Kami menyadari bahwa makalah yang kami susun ini masih banyak kekurangan baik dari segi penulisan maupun keterbatasan sumber pengetahuan kami. Oleh karena itu, saran dan kritik untuk perbaikan makalah ini akan sangat dinantikan. Akhir dari pengantar ini penulis berharap semoga dari makalah ini kita dapat memperoleh ilmu yang bermanfaat.

Palembang, Mei 2018

Penulis

ii

DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul......................................................................................

i

Kata Pengantar .....................................................................................

ii

Daftar Isi...............................................................................................

iii

Bab I. Pendahuluan ..............................................................................

1

1.1 Latar Belakang ...........................................................................

1

1.2 Rumusan Masalah .....................................................................

1

1.3 Tujuan dan Manfaat ...................................................................

2

Bab II. Pembahasan .............................................................................

3

2.1 Sejarah Mesin Otto (Mesin Bensin) ...................................

3

2.2 Pengertian Umum Mesin Bensin ......................................

4

2.3 Jenis – Jenis Mesin Bensin.................................................

4

2.4 Siklus Otto..........................................................................

9

2.5 Contoh Soal dan Pembahasan ............................................

17

Bab III. Penutup ...................................................................................

28

3.1 Kesimpulan ................................................................................

28

3.2 Saran ..........................................................................................

28

Daftar Pustaka ......................................................................................

29

iii

BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam kehidupan sehari-hari kita banyak sekali menjumpai atau bahkan menggunakan peralatan-peralatan yang bermesin. Salah satu diantara mesin-mesin tersebut

adalah

mesin

Bensin. MotorBensin dikategorikan

dalammesin

pembakaran dalam (internalcombustionengine). Mesin otto adalah sebuah mesin yang ditemukan pada tahun 1876 oleh Nikolas August Otto berkebangsaan Jerman. Hampir semua kendaraan bermotor menggunakan prinsip mesin otto, salah satu diantaranya adalah sebuah mobil yang dibuat oleh sebuah perusahaan besar Marsedes Benz. Mesin Bensin dapat diklasifikasikan menjadi 2 yaitu mesin Bensin 4 tak dan 2 tak. Dalam jangka waktu lima belas tahun Otto mammpu menciptakan mesin dengan empat dorongan pembakaran. Mesin dengan pembakaran dalam mobil merupakan penemuan yang teramat penting. Mesin diesel yang hebat itu pun menggunakan sistem pembakaran serupa, amat bergaya untuk menggerakkan truk, bus, dan kapal. Mesin ini digunakan dalam berbagai Industri, dan merupakan pula hal yang tak dapat dipisahkan dengan penemuan pesawat terbang. hakikatnya semua pesawat terbang digerakkan dengan pembakar yang bekerja menurut rancangan Otto. Melalui

makalah ini, kami mencoba untuk

membahastentang mesin

bensin, prinsip kerja, kelebihan dan kekurangan dari mesin bensin itu sendiri, baik mesin bensin 4 tak ataupun mesin bensin 2 tak.

1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang, maka masalah dapat dirumuskan sebagai berikut: 1.

Bagaimana sejarah mesin otto?

2.

apa pengertian mesin otto?

3.

apa saja jenis-jenis mesin otto?

4.

bagaimana prinsip/ langkah mesin otto? 1

1.3 Tujuan Dari perumusan masalah, secara umum penulisan masalah ini bertujuan untuk: 1.

Mengetahui bagaimana sejarah mesin otto

2.

mengetahui pengertian mesin otto

3.

mengetahui jenis-jenis mesin otto

4.

mengetahui bagaimana prinsip/ langkah kerja mesin otto

2

BAB II. PEMBAHASAN

2.1 Sejarah Mesin Otto (Mesin Bensin) Nikolaus August Otto (14 Juni 1832 – 28 Januari 1891) ialah penemu mesin pembakaran dalam asal Jerman. Sebagai lelaki muda ia mulai percobaan dengan mesin gas dan pada 1864 ikut serta dengan 2 kawan untuk membentuk perusahaannya sendiri. Perusahaan itu dinamai N. A. Otto & Cie., yang merupakan perusahaan pertama yang menghasilkan mesin pembakaran dalam. Perusahaan ini masih ada sampai kini dengan nama Deutz AG. Mesin atmosfer pertamanya selesai pada Mei 1867. 5 tahun kemudian ia disusul oleh Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach dan bersama mereka ciptakan gagasan putaran empat tak atau putaran Otto. Pertama kali dibuat pada 1876, tak itu merupakan gerakan naik atau turun pada piston silinder. Paten Otto dibuat tak berlaku pada 1886 saat ditemukan bahwa penemu lain, Alphonse Beau de Rochas, telah membuat asas putaran 4 tak dalam selebaran yang diterbitkan sendirian. Menurut studi sejarah terkini, penemu Italia Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci mempatenkan versi efisien karya pertama dari mesin pembakaran dalam pada 1854 di London (nomor paten 1072). Mesin Otto dalam banyak hal paling tidak diilhami dari penemuan itu. Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang sering digunakan dalam mobil, pesawat, atau alat lainnya seperti mesin pemotong rumput atau motor, dan motor outboard untuk kapal. Tipe paling umum dari mesin ini adalah mesin pembakaran dalam putaran empat stroke yang membakar bensin. Pembakaran dimulai oleh sistem ignisi yang membakaran spark voltase tinggi melalui busi. Tipe mesin putaran dua stroke sering digunakan untuk aplikasi yang lebih kecil, ringan dan murah, tetapi efisiensi bahan bakarnya tidak baik. Mesin wankel dapat juga menggunakan bensin sebagai bahan bakarnya. Satu komponen dalam mesin lama adalah karburator, yang mencampur bensin dengan udara. Di mesin yang lebih baru karburator diganti dengan injeksi bahan bakar. 3

2.2 Pengertian Umum Mesin Bensin Motor bakar adalah jenis mesin kalor yang termasuk Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine). Internal Combustion Engine (I.C. Engine) adalah mesin kalor yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi kerja mekanis, yaitu dalam bentuk putaran poros. Energi kimia bahan bakar pertama diubah menjadi energi panas melalui proses pembakaran atau oksidasi dengan udara dalam mesin. Energi panas ini meningkatkan temperatur dan tekanan gas pada ruang bakar. Gas bertekanan tinggi ini kemudian berekspansi melawan mekanisme mekanik mesin. Ekspansi ini diubah oleh mekanisme link menjadi putaran crankshaft, yang merupakan output dari mesin tersebut. Crankshaft selanjutnya dihubungkan ke sistem transmisi oleh sebuah poros untuk mentransmisikan daya atau energi putaran mekanis yang selanjutnya energi ini dimanfaatkan sesuai dengan keperluan. 2.3 Jenis – Jenis Mesin Bensin Pada mesin bensin dengan siklus Otto dikenal dua jenis mesin, yaitu mesin 4 langkah (four stroke) dan 2 langkah (two stroke). Untuk mesin 4 langkah terdapat 4 kali gerakan piston atau 2 kali putaran poros engkol (crank shaft) untuk tiap siklus pembakaran, sedangkan untuk mesin 2 langkah terdapat 2 kali gerakan piston atau 1 kali putaran poros engkol untuk tiap siklus pembakaran. Sementara yang dimaksud langkah adalah gerakan piston dari TMA (Titik Mati Atas) atau TDC (Top Death Center) sampai TMB (Titik Mati Bawah) atau BDC (Bottom Death Center) maupun sebaliknya dari TMB ke TMA. 2.3.1 Mesin 2 Langkah

4

2.3.1.1 Definisi Mesin 2 langkah Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada motor- motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran dari oli pelumas. 2.3.1.2 Prinsip Kerja Mesin 2 Langkah Istilah-istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif yang harus diketahui untuk bisa memahami prinsip kerja mesin ini: 

TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre): Posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).



TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre): Posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).



Ruang bilas yaitu ruangan di bawah piston dimana terdapat poros engkol (crankshaft). Sering disebut sebagai bak engkol (crankcase) berfungsi gas hasil campuran udara, bahan bakar dan pelumas bisa tercampur lebih merata.



Pembilasan (scavenging) yaitu

proses pengeluaran gas hasil

pembakaran dan proses pemasukan gas untuk pembakaran dalam ruang bakar. a. Langkah 1 Piston bergerak dari TMA ke TMB 1. Saat bergerak dari TMA ke TMB, piston akan menekan ruang bilas yang berada di bawahnya. Semakin jauh piston meninggalkan TMA menuju TMB akan semakin meningkat pula tekanan di ruang bilas. 2. Pada titik tertentu, piston (ring piston) akan melewati lubang pembuangan gas dan lubang pemasukan gas. Posisi masing masing lubang tergantung dari desain perancang. Umumnya ring piston akan melewati lubang pembuangan terlebih dahulu. 3. Pada saat ring piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam 5

ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan. 4. Pada saat ring piston melewati lubang pemasukan, gas yang tertekan di dalam ruang bilas akan terpompa masuk ke dalam ruang bakar, sekaligus mendorong keluar gas yang ada di dalam ruang bakar menuju lubang pembuangan. 5. Piston terus menekan ruang bilas sampai titik TMB, sekaligus memompa gas dalam ruang bilas menuju ke dalam ruang bakar. b. Langkah 2 Piston bergerak dari TMB ke TMA. 1. Saat bergerak dari TMB ke TMA, piston akan menghisap gas hasil percampuran udara, bahan bakar dan pelumas ke dalam ruang bilas. Percampuran ini dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi. 2. Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston akan mengkompresi gas yang terjebak di dalam ruang bakar. 3. Piston akan terus mengkompresi gas dalam ruang bakar sampai TMA. 4. Beberapa saat sebelum piston sampai di TMA (pada mesin bensin busi akan

menyala,

sedangkan

pada mesin diesel

akan menyuntikkan bahan bakar) untuk membakar gas dalam ruang bakar. Waktu nyala busi atau penyuntikan bahan bakar tidak terjadi saat piston sampai ke TMA, melainkan terjadi sebelumnya. Ini dimaksudkan agar puncak tekanan akibat pembakaran dalam ruang bakar bisa terjadi saat piston mulai bergerak dari TMA ke TMB, karena proses pembakaran membutuhkan waktu untuk bisa membuat gas terbakar dengan sempurna oleh nyala api busi atau dengan suntikan bahan bakar. 2.3.1.3 Kelebihan dan Kekurangan Mesin 2 Langkah a. Kelebihan Mesin Dua Tak Dibandingkan mesin empat tak, mesin dua tak memiliki beberapa kelebihan: 1. Hasil tenaganya lebih besar dibandingkan mesin empat tak. 6

2. Mesin dua tak lebih kecil dan ringan dibandingkan mesin empat tak. Kombinasi kedua kelebihan di atas menjadikan rasio berat terhadap tenaga (power to weight ratio) mesin dua tak lebih baik dibandingkan mesin empat tak. 3. Mesin

dua

tak

lebih

murah

biaya

produksinya

karena

konstruksinya yang sederhana. Meskipun memiliki berbagai kelebihan, mesin ini sudah jarang digunakan dalam kendaraan-kendaraan terutama kendaraan mobil dikarenakan oleh beberapa kekurangan. b. Kekurangan Mesin Dua Tak Kekurangan mesin dua tak dibandingkan mesin empat tak: 1. Efisiensi bahan bakar mesin dua tak lebih rendah dibandingkan mesin empat tak (boros). 2. Mesin dua tak memerlukan percampuran oli dengan bahan bakar (oli samping/two stroke oil) untuk pelumasan silinder mesin. Kedua hal di atas mengakibatkan biaya operasional mesin dua tak menjadi lebih lebih tinggi dibandingkan biaya operasional mesin empat tak. 3. Mesin dua tak menghasilkan polusi udara lebih banyak. Polusi terjadi dari pembakaran oli samping dan gas dari ruang bilas yang lolos/bocor dan masuk langsung ke lubang pembuangan. 4. Pelumasan mesin dua tak tidak sebaik mesin empat tak. Ini mengakibatkan usia suku cadang dalam komponen ruang bakar relatif lebih singkat. 2.3.2 Mesin 4 Langkah

7

2.3.2.1 Definisi Mesin 4 Langkah Motor bakar empat langkah adalah mesin pembakaran dalam, yang dalam satu kali siklus pembakaran akan mengalami empat langkah piston. Sekarang ini, mesin pembakaran dalam pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat terbang, kapal, alat berat dan sebagainya, umumnya menggunakan siklus empat langkah. Empat langkah tersebut meliputi langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang. Yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin bensin atau mesin diesel. 2.3.2.1 Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah Istilah-istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif yang harus diketahui untuk bisa memahami prinsip kerja mesin ini: o TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre): Posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft). o TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre): Posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).

a. Langkah 1 Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka dan katup keluar tertutup, mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian besar mesin bensin) terhisap masuk ke dalam ruang bakar. Proses udara atau gas sebelum masuk ke ruang bakar dapat dilihat pada sistem pemasukan. 8

b. Langkah 2 Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk dan keluar tertutup, mengakibatkan udara atau gas dalam ruang bakar terkompresi. Beberapa saat sebelum piston sampai pada posisi TMA, waktu penyalaan (timing ignition) terjadi (pada mesin bensin berupa nyala busi sedangkan pada mesin diesel berupa semprotan (suntikan) bahan bakar). c. Langkah 3 Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan dalam ruang bakar, mengakibatkan piston terdorong dari TMA ke TMB. Langkah ini adalah proses yang akan menghasilkan tenaga. d. Langkah 4 Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup dan katup keluar terbuka, mendorong sisa gas pembakaran menuju ke katup keluar yang sedang terbuka untuk diteruskan ke lubang pembuangan. 2.4 Siklus Otto 2.4.1

Pengertian Siklus Otto Siklus Otto adalah siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian-nyala bunga api pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian-nyala ini, campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga api dari busi. Piston bergerak dalam empat langkah (disebut juga mesin dua siklus) dalam silinder, sedangkan poros engkol berputar dua kali untuk setiap siklus termodinamika. Mesin seperti ini disebut mesin pembakaran internal empat langkah. Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Siklus udara volume konstan atau siklus otto adalah proses yang ideal. Dalam kenyataannya baik siklus volume konstan, siklus tekanan konstan dan siklus gabungan tidak mungkin dilaksanakan, karena adanya 9

beberapa hal sebagai berikut : 1. Fluida kerja bukanlah udara yang bisa dianggap sebagai gas ideal, karena fluida kerja di sini adalah campuran bahan bakar (premium) dan udara, sehingga tentu saja sifatnya pun berbeda dengan sifat gas ideal. 2. Kebocoran fluida kerja pada katup (valve), baik katup masuk maupun katup buang, juga kebocoran pada piston dan dinding silinder, yang menyebabkan tidak optimalnya proses. 3. Baik katup masuk maupun katup buang tidak dibuka dan ditutup tepat pada saat piston berada pada posisi TMA dan atau TMB, karena pertimbangan dinamika mekanisme katup dan kelembaman fluida kerja. Kerugian ini dapat diperkecil bila saat pembukaan dan penutupan katup disesuaikan dengan besarnya beban dan kecepatan torak.

4. Pada motor bakar torak yang sebenarnya, saat torak berada di TMA tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara. Kenaikan tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran campuran udara dan bahan bakar dalam silinder. 5. Proses pembakaran memerlukan waktu untuk perambatan nyala apinya, akibatnya proses pembakaran berlangsung pada kondisi volume ruang yang berubah-ubah sesuai gerakan piston. Dengan demikian proses pembakaran harus dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum torak mencapai TMA dan berakhir beberapa derajat sudut engkol sesudah TMA menuju TMB. Jadi proses pembakaran tidak dapat berlangsung pada volume atau tekanan yang konstan. 6. Terdapat kerugian akibat perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin, misalnya oli, terutama saat proses kompresi, ekspansi dan waktu gas buang meninggalkan silinder. Perpindahan kalor tersebut terjadi karena ada perbedaan temperatur antara fluida kerja dan fluida pendingin. Adanya kerugian energi akibat adanya gesekan antara fluida kerja dengan dinding silinder dan mesin. Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke atmosfer sekitarnya. Energi 10

tersebut tidak dapat dimanfaatkan untuk kerja mekanik. Siklus aktual motor bensin ditunjukan pada Gambar berikut

Skema diatas memperlihatkan setiap langkah piston dan pernyataan prosesnya pada diagram P-v untuk kondisi aktual mesin pengapian-nyala empat langkah. Dari skema di atas tersebut, kondisi awal kedua katup hisap dan buang dalam keadaan tertutup sedangkan piston pada posisi terendahnya yaitu pada titik mati bawah (Bottom Dead Center/BDC). Selama langkah kompresi, piston bergerak ke atas di mana campuran udarabahan bakar dikompresi. Sesaat sebelum piston mencapai posisi tertingginya yaitu titik mati atas (Top Dead Center/TDC) percikan bunga api ditimbulkan oleh busi sehingga membakar campuran yang kemudian menaikkan tekanan dan temperatur sistem. Tekanan gas yang tinggi tersebut mendorong piston ke bawah sehingga menyebabkan poros engkol berputar, selama langkah usaha (langkah ekspansi) ini dihasilkan kerja keluaran yang bermanfaat. Pada ujung langkah ini, piston pada posisi terendahnya untuk menyelesaikan siklus yang pertama (mesin satu siklus), sehingga isi silindernya berupa sisa pembakaran. Piston bergerak kembali ke atas membersihkan gas buang melalui katup buang (langkah pembuangan), kemudian piston turun kembali ke bawah mengambil campuran udara-bahan bakar yang baru melalui katup hisap (langkah hisap). Sebagai catatan bahwa tekanan dalam silinder di atas tekanan lingkungan saat langkah buang dan berada di bawah tekanan lingkungan saat langkah hisap. 1. Campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi / compression stroke). 11

2. Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (power stroke). 3. Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan / exhaust stroke). 4. Katup masukan terbuka lagi, campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan / intake stroke). Selanjutnya ke-empat langkah diulang kembali. Analisis termodinamika untuk kondisi aktual tersebut dapat disederhanakan bila digunakan asumsi udara-standar yang berlaku sebagai gas-ideal. Karenaitu, siklus untuk kondisi aktual dimodifikasi menjadi sistem tertutup yang disebut sebagai siklus Otto ideal. Karena siklus Otto ideal ini merupakan sistem tertutup, maka ada beberapa asumsi yang digunakan yaitu (1) mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial, dan (2) tidak ada kerja yang timbul selama proses perpindahan kalor.Skema dan pernyataan prosesnya pada diagram P-v dan T-s seperti terlihat pada gambar berikut

12

Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap) seperti yang terlihat pada gambar di bawah.

Adapun siklus disamping ini adalah sebagai berikut: 1. Langkah 0 – 1 adalah langkah hisap, yang terjadi pada tekanan (P) konstan. 2. Langkah 1 – 2 adalah langkah kompresi, pada kondisi isentropik. 3. Langkah 2 – 3 adalah dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan. 4. Langkah 3 – 4 adalah proses ekspansi, yang terjadi secara isentropik. 5. Langkah 4 – 1 adalah langkah pengeluaran kalor pada volume konstan. 6. Langkah 1 – 0 adalah proses tekanan konstan. Maksud siklus seperti pada gambar di atas beserta penjelasannya adalah sebagai berikut: 1. Langkah isap (0-1) dan langkah buang (1-0) dianggap sebagai proses tekanan tetap. 2.

Langkah pemampatan (1-2) dianggap berlangsung secara adiabatik, karena proses tersebut berlangsung sangat cepat sehingga dianggap tidak ada panas yang sempat keluar sistem. 13

3. Proses pembakaran (garis 2-3) dianggap sebagai pemasukan (pengisian) kalor pada volume konstan. 4.

Langkah kerja (3-4) dianggap juga berlangsung adiabatik. Penjelasan sama dengan nomor 2.

5. Proses penurunan tekanan karena pembukaan katup buang (garis 4-1) dianggap sebagai pengeluaran

(pembuangan) kalor pada volume

tetap. 6. Fluida kerja dianggap gas ideal sehingga memenuhi hukum-hukum gas ideal. Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga. 2.4.2

Persamaan Siklus Otto Siklus udara standar Otto adalah siklus ideal yang mengasumsikan penambahan kalor terjadi secara spontan pada kedudukan piston di TMA. Siklus Otto diperlihatkan pada gambar 3. ditunjukkan oleh diagram p - v dan T - s. Siklus terdiri dari 4 proses reversibel internal yang berurutan.

Gambar Diagram p – v dan T – s untuk siklus Otto standar udara. 14

Proses 1 – 2 : adalah kompresi isentropik udara ketika piston bergerak dari TMB ke TMA. Proses 2 – 3 : adalah perpindahan kalor ke udara pada volume konstan yang diambil dari sumber luar ketika piston berada pada TMA. Proses ini dimaksudkan untuk mewakili proses pembakaran campuran udara-bahan bakar. Proses 3 – 4: adalah proses ekspansi isentropik (langkah kerja). Proses 4 – 1 : adalah proses volume konstan dimana kalor dibuang dari udara ketika piston berada pada TMB. Karena siklus standar udara Otto (selanjutnya disebut siklus Otto) terdiri dari proses reversibel, maka luas daerah pada diagram T- S dan P-V masing-masing bisa dinterpretasikan sebagai kalor dan kerja. Pada diagram T-S daerah 2-3-a-b-2 mewakili kalor yang ditambahkan per satuan massa dan daerah 1-4-a-b-1 adalah kalor yang dilepaskan per satuan massa. Pada diagram P-V daerah 1-2-a-b-1 mewakili kerja input per satuan massa selama proses kompresi dan daerah 3-4-b- a-3 adalah kerja yang dihasilkan per satuan massa pada proses ekspansi. Dengan mengabaikan energi kinetik dan potensial, maka siklus Otto yang mempunyai dua langkah kerja dan dua langkah dimana terjadi perpindahan kalor bisa dirumuskan. 𝑊1,2 = 𝑈2 − 𝑈1 𝑚

𝑊3,4 = 𝑈3 − 𝑈4 𝑚

𝑄1,4 = 𝑈4 − 𝑈1 𝑚

𝑄2,3 = 𝑈3 − 𝑈2 𝑚

Dalam menganalisis siklus sering lebih menyenangkan untuk menuliskan semua kerja dan perpindahan kalor sebagai jumlah yang positif (tanda positif) yang karena itu penulisan W1,2 /m adalah positif dan mewakili kerja input selama kompresi dan Q4,1 /m adalah bilangan positif dan mewakili kalor yang dilepaskan pada proses 4-1. 15

Kerja bersih siklus dinyatakan sebagai : 𝑊 𝑆𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑊3,4 𝑊1,2 = − = (𝑈3 − 𝑈4 ) − (𝑈2 − 𝑈1 ) 𝑚 𝑚 𝑚 atau dengan cara lain: 𝑊 𝑆𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑄2,3 𝑄1,4 = − = (𝑈3 − 𝑈2 ) − (𝑈4 − 𝑈1 ) 𝑚 𝑚 𝑚 Efisiensi termal adalah perbandingan kerja bersih siklus terhadap kalor yang ditambahkan yaitu : 𝜂=

(𝑈3 − 𝑈2 ) − (𝑈4 − 𝑈1 ) (𝑈3 − 𝑈2 ) =1− (𝑈3 − 𝑈2 ) (𝑈3 − 𝑈2 )

Harga entalpi spesifik yang diperlukan untuk persamaan diatas bisa dilihat dari tabel udara. Untuk proses isentropik 1-2 dan 3-4 berlaku hubungan :

𝑉2 𝑣𝑟1 𝑣𝑟2 = 𝑣𝑟1 ( ) = 𝑉1 𝑟 𝑉4 𝑣𝑟4 = 𝑣𝑟3 ( ) = 𝑟𝑣𝑟3 𝑉3 dimana :

r = rasio kompresi = V1/ V2=V4/ V3 vr= volume per satuan massa. Hargavrbisa dilihat pada tabel udara.

Jika siklus Otto dianalisis pada basis standar udara dingin, rumus berikut bisa digunakan :

𝑇2 𝑉1 𝑘−1 =( ) = 𝑟 𝑘−1 𝑇1 𝑉2 𝑇4 𝑉3 𝑘−1 1 =( ) = 𝑘−1 𝑇3 𝑉4 𝑟 dimana : k = rasio kalor spesifik = cp/cv

16

k = Konstanta

k = Konstanta

Pengaruh Rasio Kompresi Terhadap Unjuk Kerja Dari diagram T - S pada gambar sebelumnya. kita bisa mengambil kesimpulan bahwa efisiensi termal siklus Otto naik jika rasio kompresi naik. Kenaikan rasio kompresi merubah siklus dari 1-2-3-4-1 menjadi 12’-3’-4-1. Karena temperatur rata-rata kalor yang ditambahkan lebih besar pada siklus yang kedua dan kedua siklus mempunyai proses pelepasan kalor yang sama, siklus 1-2’-3’-4-1 akan mempunyai efisiensi termal yang lebih besar. Efisiensi termal berbasis standar udara dingin pada cv konstan : 𝜂 =1−

𝑐𝑣 (𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑐𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 )

𝜂 =1−

𝑇1 (𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑐𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 )

atau :

karena T4 / T1 = T3 / T2 maka : 𝜂 = 1−

𝑇1 𝑇2

sehingga akhirnya diperoleh : 𝜂 = 1−

1

𝑟 𝑘−1 Persamaan diatas menunjukkan bahwa efisiensi termal siklus Otto berdasarkan standar udara dingin dipengaruhi oleh rasio kompresi mesin dan rasio kalor spesifik dari fluida kerjanya. Efisiensi siklus akan naik bila rasio kompresi dan rasio kalor spesifik semakin besar seperti pada diagram di bawah ini.

17

2.5 Contoh Soal dan Pembahasan 1. Sebuah siklus Otto mempunyai perbandingan kompresi 8. Pada awal

proses kompresi tekanan dan temperature udara 100 kPa dan 17 oC. Panas yang diberikan selama proses volume konstan 800 kJ/kg udara. Jika harga k = 1,4 dan cv = 718 J/kg K. Hitunglah : a. Temperatur dan tekanan pada setiap siklus b. Kerja bersih c. Efisiensi termal d. Tekanan efektip rata-rata Penyelesaian:

100 kPa

a.

Temperatur dan tekanan pada setiap siklus Pada titik 1: Temperatur , T1 = 290 K Tekanan, p1

= 100 kPa

Pada titik 2: Temperatur, T2 = T1 (

r

V1 k 1 ) V2

V1 V4  8 V2 V3

T2 = 290 (8)1, 41 T2 = 666,2 K

18

Tekanan, p2 = p1 (

V1 k ) V2

p2 = 100 kPa ( (8)1, 4 p2 = 1837,9 kPa Pada titik 3: Temperatur , T3 Panas masuk: qin = cv (T3 – T2) T3 = ( =(

qin )  T2 Cv

800 kJ / kg 0,718 kJ / kg K

)  666,2

= 1780,4 K Tekanan, p3

p2 p3  T2 T3 p3 

p2 x T3 T2

1837,9 x 1780,4 666,2 p3  4911,7 kPa

p3 

Pada titik 4: Temperartur, T4 T4 = T3 (

V2 k 1 ) V1 1 8

T4 = 1780,4 ( )1, 41 T4 = 774,96 K Tekanan, p4 P4 = p3 (

V3 k ) V4

19

1 8

P4 =4911,7 kPa ( )1, 4 P4 = 267,2 kPa b.

Kerja net wnet = qin - qout qout = cv (T4 – T1) = 0,718 kJ/kg K (774,96 – 290) K = 348,2 kJ/kg Maka: Wnet = 800 – 348,2 = 451,8 kJ/kg

c.

Efisiensi termal

t  1 

1 k 1

r  56,47%

 1

1 1, 4 1

8

d. Tekanan efektip rata-rata, MEP

MEP 

v1  v2

v1 

RT1 0,287 J/kg.K x 290 K   0,8323 m 3 /kg p1 100 kPa

v2 

V1 0,8323   0,104 m 3 /kg r 8

MEP 

2.

Wnet

451,8 kJ / kg (0,8323  0,104) m3 / kg

 620,35 kPa

Diketahui suatu mesin mengikuti siklus otto dengan data-data sebagai berikut:  Perbandingan Kompresi (r) = 8

20

 Tekanan awal (P1) = 1 atm  Suhu awal (T1) = 333oK  Kalor hasil pembakaran (bb + udara) = 550cal.K  Massa fluida kerja (m) = 1 kg Hitung : a) Kalor yang dibuang (Qk) b) Efisiensi thermal () c) Suhu disetiap proses (T2, T3, T4) Penyelesaian : Jika kita ingin mencari Qk kita harus mengetahui T4 terlebih dahulu, padahal T4 belum diketahui, maka kita coba mencari  terlebih dahulu dengan menggunakan rumus : 𝜂 =1− 𝜂 = 1−

1 𝑟 𝑘−1 1

81,4−1

𝜂 = 0,567 𝜂 = 56,7% Mencari T2 kita lihat prosses 1-2 (adibatis) yang berlaku : 𝑇𝑣 𝑘−1 = 𝑐 𝑇1 𝑣1 𝑘−1 = 𝑇2 𝑣2 𝑘−1 𝑇1 𝑣2 𝑘−1 =( ) 𝑇2 𝑣1 Dimana : 𝑣1 = 𝑟, 𝑣2

𝑣2 1 = 𝑣1 𝑟

Maka 𝑇1 1 = 𝑘−1 𝑇2 𝑟 𝑇2 = 𝑇1 𝑟 𝑘−1 𝑇2 = 333𝑜 𝐾. 81,4−1 𝑇2 = 333𝑜 𝐾. 2,297 𝑇2 = 765𝑜 𝐾

21

Mencari T3 kita lihat proses 2-3 (isokhoris) dengan menggunakan rumus kalor masuk 𝑄𝑚 = 𝑚𝑐𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 ) 𝑄𝑚 = 𝑚𝑐𝑣 𝑇3 − 𝑚𝑐𝑣 𝑇2 𝑄𝑚 + 𝑚𝑐𝑣 𝑇2 = 𝑚𝑐𝑣 𝑇3 𝑇3 =

𝑄𝑚 + 𝑚𝑐𝑣 𝑇2 𝑚𝑐𝑣

0,171𝑘𝑐𝑎 . 765𝑜 𝐾 𝑘𝑔𝑜 𝐾 0,171𝑘𝑐𝑎 1𝑘𝑔. 𝑘𝑔𝑜 𝐾

550𝑘𝑐𝑎𝑙 + 1𝑘𝑔. 𝑇3 =

𝑇3 = 3981,4𝑜 𝐾 Mencari T4, kita lihat proses 3-4 (adiabatis) yang berlaku 𝑇𝑣 𝑘−1 = 𝑐 𝑇3 𝑣3 𝑘−1 = 𝑇4 𝑣4 𝑘−1 𝑇4 𝑣3 𝑘−1 =( ) 𝑇3 𝑣4 Dimana : v3 = v2, v4 = v1 𝑣4 = 𝑟, 𝑣3

𝑣3 1 = 𝑣4 𝑟

Maka 𝑇4 1 = 𝑘−1 𝑇3 𝑟 𝑇4 =

𝑇3

𝑟 𝑘−1 3981,4𝑜 𝐾 𝑇4 = 81,4−1 𝑇4 = 9145,3𝑜 𝐾 Mencari kalor buang dengan rumus 𝑄𝑚 = 𝑚𝑐𝑝 (𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑄𝑚 = 1𝑘𝑔.

0,171 𝑘𝑐𝑎𝑙 (9145,3 − 3981,4)𝑜 𝐾 𝑘𝑔𝑜 𝐾 𝑄𝑚 = 883 𝑘𝑐𝑎𝑙

22

3. Siklus Otto (seperti pada gambar 1) bekerja pada p1 = 1 bar, T1 = 290 K, V1 = 400 cm3. Temperatur maksimum siklus T3 = 2200 K dan rasio kompresinya 8. Tentukan: a. Panas masuk (Qin) dalamkJ b. Panas yang dibuang dalamkJ c. Kerja netto siklus dalamkJ d. Efisiensi thermalsiklus e. Mean effective pressure (MEP) dalam bar

Gambar 1.P – v Diagram Siklus Otto Diketahui : T1 = 290 K P1 = 1 bar T3 = 2200 K r

=8

V1 = 400 cm3 Penyelesaian : Dari lintasan proses siklus, diperoleh besaran sebagai berikut : Proses 1-2 : 𝑇2 = 𝑇1 𝑥𝑟 𝑘−1 = 290 𝐾𝑥81,4−1 = 666,24 𝐾 Proses 2-3 : T3 = 2200 K Proses 3-4 : 1 𝑘−1 1 1,4−1 𝑇4 = 𝑇3 𝑥 ( ) = 2200𝐾𝑥 ( ) = 957,61 𝐾 𝑟 8

23

Kemudian dari persamaan gas perfek, diperoleh harga : 𝑝𝑉 = 𝑚𝑅𝑇atau 𝑝𝑉 = 𝑅𝑇 Maka : 𝑚=

𝑃1 𝑥𝑉1 𝑅𝑥𝑇1

=

1 𝑏𝑎𝑟𝑥400𝑐𝑚3 (

0,287𝑘𝐽 )(290𝐾) 𝑘𝑔.𝐾

105 𝑁/𝑚2

𝑥|

1 𝑏𝑎𝑟

1𝑘𝐽

1𝑚3

| 𝑥 |103 𝑁𝑚| 𝑥 |106 𝑐𝑚3 |

𝑚 = 0,000481 𝑘𝑔 Sehingga : a.

Panas masuk (Qin) dalam kJ 𝑚 = 𝑚𝑥𝐶𝑣𝑥(𝑇3 − 𝑇2 ) 𝑚 = 0,000481𝑘𝑔𝑥0,718𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐾𝑥(2200 − 666,24)𝐾 𝑚 = 0,529 𝑘𝐽

b. Panas yang dibuang (Qout) dalam Kj 𝑚 = 𝑚𝑥𝐶𝑣𝑥(𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑚 = 0,000481𝑘𝑔𝑥0,718𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐾𝑥(957,61 − 290)𝐾 𝑚 = 0,2306 𝑘𝐽 c. Kerja Netto Siklus (Wsiklus) dalam kJ 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 = 𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 = (0,529 − 0,2306)𝑘𝐽 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 = 0,2984 𝑘𝐽 d. Efisiensi Thermal Siklus 𝜂=

𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑄𝑖𝑛

𝜂 = (1 −

𝑥100% = (1 −

𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑄𝑖𝑛

) 𝑥100%

0,2306 0,529

) 𝑥100%

𝜂 = 56,41% Atau berdasarkan kompresinya 𝜂 =1−

𝜂 =1−

24

1 𝑘 𝑟−1 1

81,4−1

𝜂 = 0,5647 𝜂 = 56,47% e. Mean Effective Pressure (MEP) 𝑀𝐸𝑃 =

𝑀𝐸𝑃 =

𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑣1 − 𝑣2

𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 1 𝑣1 − (1 − 𝑟 )

103 𝑁𝑚 1 𝑏𝑎𝑟 106 𝑚3 𝑀𝐸𝑃 = 𝑥| |𝑥| 5 |𝑥| | 1 1𝑘𝐽 10 𝑁/𝑚2 1𝑐𝑚3 (400𝑐𝑚3 ) (1 − ) 8 0,2984𝑘𝐽

𝑀𝐸𝑃 = 8,526 𝑏𝑎𝑟 4. Siklus Otto (seperti gambar 1) bekerja pada rasio kompresi 7,5, tekanan awal (P1) = 85kPa dan temperature awal (T1) = 32𝑜 𝐶. Jika massa udaranya 2 gram dan temperature maksimum (T3), tentukan: a. Panas masuk dalam kJ b. Panas keluar dalam kJ c. Kerja netto siklus dalam kJ d. Efisiensi Thermal e. Mean Effective Pressure dalam kPa

Gambar 1.P – v Diagram Siklus Otto Diketahui : T1 = 32 + 273 = 305 K

25

P1 = 100 kPa T3 = 960 K r

= 7,5

m = 2 gram = 0,002 kg Penyelesaian : Dari lintasan proses siklus, diperoleh besaran sebagai berikut : Proses 1-2 : 𝑇2 = 𝑇1 𝑥𝑟 𝑘−1 = 305 𝐾𝑥7,51,4−1 = 682,85 𝐾 Proses 2-3 : T3 = 960 K Proses 3-4 : 1 𝑘−1 1 1,4−1 𝑇4 = 𝑇3 𝑥 ( ) = 960𝐾𝑥 ( ) = 428,79 𝐾 𝑟 7,5 Sehingga : a. Panas masuk (Qin) dalam kJ 𝑚 = 𝑚𝑥𝐶𝑣𝑥(𝑇3 − 𝑇2 ) 𝑚 = 0,002𝑘𝑔𝑥0,718𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐾𝑥(960 − 682,85)𝐾 𝑚 = 0,3979 𝑘𝐽 b. Panas keluar (Qout) dalam kJ 𝑚 = 𝑚𝑥𝐶𝑣𝑥(𝑇4 − 𝑇1 ) 𝑚 = 0,002𝑘𝑔𝑥0,718𝑘𝐽/𝑘𝑔. 𝐾𝑥(482,79 − 305)𝐾 𝑚 = 0,1778 𝑘𝐽 c. Kerja Netto Siklus (Wsiklus) dalam kJ 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 = 𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 = (0,3979 − 0,1778)𝑘𝐽 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 = 0,2201 𝑘𝐽 d. Efisiensi Thermal Siklus 𝜂=

𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑥100% = (1 − ) 𝑥100% 𝑄𝑖𝑛 𝑄𝑖𝑛 𝜂 = (1 −

0,1778 ) 𝑥100% 0,3979

𝜂 = 55,32%

26

e. Mean Effective Pressure (MEP) dalam kPa 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑣1 − 𝑣2 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑀𝐸𝑃 = 1 𝑣1 − (1 − 𝑟 ) 𝑀𝐸𝑃 =

Dari persamaan gas perfek, diperoleh harga untuk V1: 𝑝𝑉 = 𝑚𝑅𝑇atau 𝑝𝑉 = 𝑅𝑇 Maka : 𝑉1 =

0,002𝑘𝑔𝑥0,287𝑘𝑃𝑎. 𝑉1 =

𝑚𝑅𝑇1 𝑝

𝑚3 𝑥305𝐾 𝑘𝑔. 𝐾

85𝑘𝑃𝑎

𝑥|

1𝑘𝑃𝑎 103 𝑁𝑚 | 𝑥 | | 103 𝑁/𝑚3 1 𝑘𝐽

𝑉1 = 0,00206𝑚3 Sehingga : 103 𝑁𝑚 1 𝑘𝑃𝑎 𝑀𝐸𝑃 = 𝑥| |𝑥| 3 | 1 1𝑘𝐽 10 𝑁/𝑚2 (0,00206𝑚3 ) (1 − ) 7,5 0,2201𝑘𝐽

𝑀𝐸𝑃 = 123,282 𝑘𝑃𝑎

27

BAB III. PENUTUP 3.1 Kesimpulan Motor bakar adalah jenis mesin kalor yang termasuk Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine). Internal Combustion Engine (I.C. Engine) adalah mesin kalor yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi kerja mekanis, yaitu dalam bentuk putaran poros.Siklus Otto pada mesin bensin disebut juga dengan siklus volume konstan, dimana pembakaran terjadi pada saat volume konstan.Pada mesin bensin dengan siklus Otto dikenal dua jenis mesin, yaitu mesin 4 langkah (four stroke) dan 2 langkah (two stroke). Siklus Otto adalah siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian-nyala bunga api pada mesin pembakaran dengan sistem pengapiannyala ini, campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga api dari busi. Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.Siklus udara volume konstan atau siklus otto adalah proses yang ideal. Dalam kenyataannya baik siklus volume konstan, siklus tekanan konstan dan siklus gabungan tidak mungkin dilaksanakan. 3.2 Saran Kami menyarankan bahwa untuk pembaca lebih meningkatkan akan minat membaca atau menggali informasi mengenai materi siklus otto. Makalah ini belum sempurna oleh karna itu kami minta partisipasi pembaca untuk menyempurnakan makalah ini, sekian dan terima kasih.

28

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. Termodinamika Siklus Otto, (17racing.wordpress.com, diakses pada 26 Mei 2018). Kamajaya.2007.Cerdas Belajar Fisika.Bandung:Grafindo. Marpaung, iqum. 2014. Makalah Fisika Tentang Mesin Otto, (http://iqummarpaung.blogspot.co.id,

29

diakses

pada

26

Mei

2018).