Proyek UAS

A.  Tujuan

Mengetahui prinsip termodinamika yang terdapat pada mesin stirling.

B.  Alat dan bahan:

1.      Bahan

·         Kaleng minuman 3 buah

·         Spon

·         Dawai/kawat

·         Bilah kipas

·         Lilin

·         Stik es krim 

·         CD lama

2.      Alat

·         Lem tembak

·         Tang

·         Gunting

·         Cutter

·         Pinset

C.  Prosedur kerja

1.    Buang bagian atas kaleng 1,dan 2 kaleng lainnya buang bagian bawahnya.

2.    Potong spons dengan diameter seukuran kaleng, susun spons pada kawat dengan urutan bagian bawah sisa pemotongan kaleng - spons- dan bagian bawah kaleng lagi.

3.    Masukkan spons tersebut ke dalam kaleng, dan tutup bagian atasnya menggunakan ¼ kaleng kemudian selotip.

4.    Pasang sisi kanan dan kiri kaleng dengan stik eskrim yang bagian atasnya dilubangi.

5.    Masukkan kawat ke dalam lubang stik es krim tersebut dan masukkan juga kawat untuk spons tadi, sehingga terhubung antara kawat tersebut dengan kawat pada spons.

6.    Pasang cd lama di sisi kiri kawat dan bilah kapas pada sisi kanannya.

7.    Untuk bagian bawah kaleng, pasang kaleng lainnya yang dilubangi bagian atas, bawah, dan tengahnya. Kemudian letakkan kaleng tersebut di bagian bawah kaleng pertama.

8.    Letakkan lilin pada bagian bawah kalengnya, putar cd dan nantinya kawat akan berputar sehingga spons naik turun dan bilah kipas berputar.

D.  Teori Dasar

Mesin stirling didefinisikan sebagai mesin regenerasi udara panas tertutup. Siklus siklus tertutup berarti bahwa fluida bekerja secara permanen terkurung di dalam sistem. Mesin stirling adalah mesin panas yang unik karena efisiensi teoretisnya mendekati efisiensi teoretis maksimum, yang lebih dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin stirling bekerja memanfaatkan perubahan tekanan dan volume pada gas dalam sistem tertutup. Gas pada sistem dikontakan pada reservoir panas sehingga sistem menyerap panas. Panas yang dihasilkan disimpan di dalam sebuah regenerator.

Akibat adanya panas ini menyebabkan volume gas bertambah. Karena sistem dalam keadaan tertutup maka tidak ada gas yang keluar sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan menimbulkan perubahan tekanan yang cukup besar. Tekanan yang dihasilkan ini kemudian digunakan untuk menggerakan piston. Sementara itu gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dengan melepas panas pada saat bersamaan. Karena penurunan suhu ini volume gas berkurang dan sistem menerima kerja kompresi yang menyebabkan volume gas kembali ke keadaan awal.

Keadaan tersebut terjadi berulang secara periodik sehingga terjadi gerakan piston yang dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik dengan menghubungkannya ke turbin. Siklus mesin stirling terdiri atas empat tahap termodinamika, yaitu perluasan : isotermal, isokhorik, kompresi isotermal dan isokhorik.

Dalilnya terdapat dalam QS. Ar-Rahman ayat 9

وَاَقِيْمُوا الْوَزْنَ بِالْقِسْطِ وَلَا تُخْسِرُوا الْمِيْزَانَ

“dan tegakkanlah keseimbangan itu dengan adil dan janganlah kamu mengurangi keseimbangan itu”.

Keterkaitan ayat ini dengan proses pada mesin stirling yaitu sama-sama terdapat kata kesetimbangan. Dimana dalam ayat ini Allah memerintahkan manusia untuk menegakkan timbangan dengan adil dan jangan berlaku curang. Sedangkan pada materi ini, terdapat adanya proses reversible yang selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dengan lingkungannya.

E.   Pembahasan

Mesin stirling adalah salah satu aplikasi dari prinsip termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. Mesin stirling lebih sering dikenal dengan efisiensi mesin carnot. Mesin camot yang ideal ialah yang dapat bekerja bolak-balik (reversible) yang terdiri dari empat proses yaitu dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Proses reversible selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dengan lingkungannya.

Dalam siklus reversible grafik p-V mengalami perubahan dari keadaan A ke B. kurva p-V yang dibentuk oleh perubahan keadaan sistem dari A ke B dan dari B ke A adalah sama.

Mesin stirling bekerja karena adanya perluasan gas ketika dipanaskan dan diikuti penyempitan gas ketika didinginkan. Prinsip kerja mesin stirling adalah memanfaatkan perubahan tekanan dan volume gas dalam sistem tertutup. Adapun bagian-bagian dari mesin stirling ini adalah sebuah tabung vertikal tertutup yang di dalamnya terdapat sebuh piston. Penampang piston yang ada di dalam. tabung luas permukaanya hampir sama dengan permukaan tabung sehingga tabung tertutup tersebut seperti terbagi menjadi dua ruang tabung tertutup. Salah. satu ruang tertutup terletak di bawah. piston (ruang 1) dan satu ruang tertutup. lainnya ada di atas piston (ruang II) dan terdapat tangkai piston yang menghubungkan piston dengan keping DVD di luar tabung. Piston diatur. sedemikian rupa agar piston dapat bergerak (naik-turun) dengan licin. meskipun luas penampangnya hampir sama dengan luas permukaan tabung sehingga meminimalisir gesekan antara piston dan dinding tabung.

Pada saat bagian bawah mesin stirling yakni ruang tertutup di bawah piston dipanaskan maka gas yang ada dalam tabung tersebut suhunya akan naik. Semakin lama dipanaskan maka suhu gas akan semkin tinggi dan menyebabkan volume gas di dalam tabung bertambah karena mengalami pemuaian. Karena sistem dalam tabung yang dipanaskan adalah sistem tertutup maka tidak ada gas yang keluar dari tabung (jumlah gas dalam tabung tetap) sehingga pertambahan volume gas karena pemanasan ini akan menghasilkan perubahan tekanan dalam tabung tersebut sehingga mampu mendorong piston bergerak ke atas.

Gas memiliki sifat bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah, sehingga gas dari ruang I berusaha menyusup ke ruang II yang tekanannya jauh lebih rendah dari ruang I dengan melepas panas . Pada saat yang bersamaan volume gas menyusut. Dengan menyusutnya volume piston akan turun kembali seperti keadaan awal.

Pergerakan piston memindahkan gas antara dua sisi. Piston yang berpindah sebagai regenerator. Regenerator itu dapat membangkitkan kembali udara. Jika piston bergerak ke atas, regenerator dialirkan melalui udara hangat dan mengambil sebagian energi dari udara dan menyimpannya. Jika piston bergerak ke bawah, dialirkan melalui udara dingin dan mengeluarkan energi yang disimpan. Dengan regenerator, mesin stirling mencapai efisiensi sangat baik.

Jika pemanasan terus dilakukan maka keadaan ini akan terjadi berulang-ulang secara periodik. Dengan demikian piston juga akan secara periodik bergerak naik turun. piston yang bergerak naik turun ini akan membuat keping DVD yang telah terhubung dengan piston ikut bergerak. Pergerakan piston yang secara berulang dan periodik naik-turun akan memutar keping DVD tersebut.

Berikut ini adalah siklus pada mesin stirling saat piston bergerak naik dan kemudian turun lagi:

1.    Titik 1-2 udara mengalami perluasan isotermal. Udara mengalami perluasan isotermal, pada temperatur konstan , dari v₁ ke v₂. Panas yang diberikan oleh sumber dari luar diserap selama proses pemanasan.

2.    Titik 2-3 mengalami proses isokhorik. Udara lewat melalui regenerator dan didinginkan pada volume konstan ke temperatur . Pada proses ini kalor dibuang ke generator.

3.    Titik 3-4 mengalami kompresi isotermal. Udara dikompresi secara isotermal di dalam tabung dari  ke . Panas kembali dibuang oleh udara.

4.    Titik 4-1 mengalami isokhorik. Udara dipanaskan pada volume konstan ke temperatur  dengan melewatkan udara ke regenerator dalam arah yang berlawanan dengan proses 2-3. Pada proses ini panas diserap oleh udara dari regenerator.

F.   Kesimpulan

Mesin stirling bekerja dengan pembakaran eksternal pada sistem tertutup sehingga gas hanya mengalami perluasan dan penyempitan volume. Dimana proses kerjanya bersifat bolak-balik ketika dipanaskan terus-menerus secara periodik. Dalam termodinamika, mesin stirling ini menggunakan proses isothermal dan isokhorik secara bergantian.

G.  Daftar Pustaka

Iqbal, Harry. Analisis Pembangkit Listrik dengan Generator Stirling. Pontianak: Program Studi Teknik Elektro, Universitas Tanjungpura.

Michael J. Moran & HN. Saphiro. 1993. Fundamental of Engineering Thermodynamics. 2th John Wiiley and son.