Call Us:+1-888-888-888

Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap

Home  /  Pendidikan  /  Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap

20.Mar, 2019 Comments Off on Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap Pendidikan

Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap

Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap

Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap

Mesin Kalor, Siklus Carnot dan Siklus Rankine Lengkap

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan1860an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.

Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

         Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot berjudul Pemikiran tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu), diilustrasikan ada dua benda A danB, yang temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A memiliki temperatur lebih tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan kalor pada atau dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai dua reservoir kalor. Carnot menyebut benda A “tungku” dan benda B“kulkas”. Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bias memperoleh daya penggerak (usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.

Diagram modern

Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam pembahasan modern

Diagram mesin Carnot (modern) – kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi TH melalui “fluida kerja”, menuju reservoir dingin TC, dan menyebabkan fluida kerja memberikan usaha mekanis kepada lingkungan, melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian (ekspansi).

Dalam diagram tersebut, sistem (“fluida kerja”), dapat berupa benda fluida atau uap apapun yang dapat menerima dan memancarkankalor Q, untuk menghasilkan usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat berupa zat apapun yang dapat mengalami ekspansi, seperti uap air, uap alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahun-tahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi khusus, yaitu QH disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku, QC biasanya adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang terletak di berbagai bagian mesin. Usaha keluaran W biasanya adalah gerakan piston yang digunakan untuk memutar sebuah engkol, yang selanjutnya digunakan untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot sendiri mendefinisikan “usaha” sebagai “berat yang diangkat melalui sebuah ketinggian”.

Teorema Carnot

Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur   and   tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.

Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur. Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan (misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.

Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimumyang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh efisiensi mesin Carnot,

Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang beroperasi antara dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang sama pula.

Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat diperoleh jika dan hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus tersebut. Jika ada, maka karena entropi adalah fungsi keadaan, untuk membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke keadaan semula akan melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan proses irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di atas hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin kalor reversibel.

Siklus Carnot

Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien. Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

” Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur Th (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor Th dari reservoir dan melakukan usaha Wab menggerakkan piston.

Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari Th ke Tc  (temperatur rendah) dan melakukan usaha Wab .

”  Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur Tc (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Qc dari reservoir dan mendapat usaha dari luar Wcd.

”  Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari Tc ke Th  dan mendapat usaha Wda .

Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :

h = W/Q= 1 – Qc /Qh

karena Qc /Q= Tc /Th (buktikan)

maka

h =  1 – Tc /Th

Siklus Rankine

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus Rankine merupakan model operasi dari mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya.  Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan.

Siklus Rankin Ideal miliki tahapan proses sebagai berikut:

1-2 Isentropic Compression

2-3 Constant pressure heat addition in boiler

3-4 Isentropic expansion in turbine

4-1 Constant pressure heat rejection in condenser

Mesin kalor

Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi panasmenjadi energi mekanik Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil pembakaranbahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluarangas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu-sudu sebuah turbin, membuat sudu-sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik.

Salah satu jenis penggerak mula yang banyak dipakai saat ini adalah mesin kalor, yaitu mesin yang menggunakan energi thermal untuk melakukan kerja mekanik, atau yang mengubah energi thermal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses pembakaran, proses fisi bahan bakar nuklir, atau proses lainnya.

Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal ini, mesin kalor dapat dibagi menjadi dua golongan, yaitu:

  1. Mesin pembakaran luar (external combustion engine),dan;
  2. Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine).

Pada mesin pembakaran luar, proses pembakaran terjadi diluar mesin; energi thermal dari gas hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah. Contohnya mesin uap. Semua energi yang diperlukan oleh mesin itu mula mula meninggalkan gas hasil pembakaran yang tinggi temperaturnya. Melalui dinding pemisah kalor, atau ketel uap, energi itu kemudian masuk kedalam fluida kerja yang kebanyakan terdiri dari air atau uap. Dalam proses ini temperatur uap dan dinding ketel harus jauh lebih rendah dari pada temperatur gas hasil pembakaran itu untuk mencegah kerusakan material ketel. Dengan sendirinya tinggi temperatur fluida kerja, jadi efisiensinya juga, sangat dibatasi oleh kekuatan material yang dipakai.

Mesin pembakaran dalam pada umumnya dikenal dengan nama motor bakar. Mesin pembakaran dalam dapat dikelompokan menjadi:

  1. Motor bakar piston,
  2. Sistem turbin gas dan
  3. Propulsi pancar gas.

Proses pembakaran berlangsung didalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja.

Motor bakar piston mempergunakan beberapa silinder yang didalamnya terdapat piston yang bergerak translasi (bolak-balik). Didalam silinder itulah terjadi pembakaran antara bahan bakar dengan oksigen dari udara. Gas pembakaran yang dihasilkan oleh proses tersebut mampu menggerakkan piston yang oleh batang penghubung (connectingrod) dihubungkan dengan poros engkol (crankshaft). Gerak translasi piston tadi menyebabkan gerak rotasi (berputar) pada poros engkol dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol menimbulkan gerak translasi pada piston.

Mesin Panas

Dalam termodinamika , mesin panas adalah sistem yang melakukan konversipanas atau energi termal untuk pekerjaan mekanik . Hal ini dilakukan dengan membawa suatu zat yang bekerja dari tinggi temperatur negara ke keadaan suhu yang lebih rendah. Sebuah panas “sumber” menghasilkan energi panas yang membawa zat bekerja untuk negara suhu tinggi. Substansi bekerja menghasilkan karya dalam “tubuh bekerja” dari mesin saat mentransfer panas ke “dingin tenggelam” sampai mencapai keadaan suhu rendah. Selama proses ini beberapa energi panas diubah menjadi kerja dengan memanfaatkan sifat-sifat substansi bekerja. Substansi kerja yang dapat berupa sistem dengan non-nol kapasitas panas, tapi biasanya adalah gas atau cairan.

Secara umum sebuah mesin mengubah energi mekanik untuk bekerja . Mesin panas membedakan diri dari jenis lain mesin oleh fakta bahwa efisiensi mereka secara fundamental dibatasi oleh teorema Carnot. Meskipun keterbatasan ini efisiensi bisa menjadi kelemahan, keuntungan dari mesin panas adalah bahwa sebagian besar bentuk energi yang dapat dengan mudah dikonversi ke panas oleh proses seperti reaksi eksotermik (seperti pembakaran), penyerapan partikel cahaya atau energik, gesekan,disipasi dan resistensi. Karena sumber panas yang memasok energi panas ke mesin sehingga dapat didukung oleh hampir semua jenis energi, mesin panas sangat fleksibel dan memiliki berbagai penerapan.

Mesin panas sering bingung dengan siklus mereka mencoba untuk meniru. Biasanya ketika menggambarkan perangkat fisik ‘mesin’ istilah yang digunakan. Ketika menggambarkan model ‘siklus’ istilah yang digunakan.

Gambar 1: Diagram mesin Panas

Dalam termodinamika , mesin panas sering dimodelkan menggunakan model rekayasa standar seperti siklus Otto. Model teoritis dapat disempurnakan dan ditambah dengan data aktual dari mesin operasi, menggunakan alat-alat seperti diagram indikator . Karena implementasi yang sebenarnya sangat sedikit panas mesin sama persis dengan siklus termodinamika yang mendasari mereka, orang bisa mengatakan bahwa siklus termodinamika merupakan kasus ideal mesin mekanik. Dalam kasus apapun, sepenuhnya memahami mesin dan efisiensi yang memerlukan memperoleh pemahaman yang baik tentang (mungkin disederhanakan atau ideal) model teoritis, nuansa praktis mesin mekanik yang sebenarnya, dan perbedaan antara keduanya.

Secara umum, semakin besar perbedaan suhu antara sumber panas dan wastafel dingin, semakin besar adalah potensi efisiensi termal dari siklus. Di Bumi, sisi dingin dari setiap mesin panas terbatas untuk menjadi dekat dengan suhu sekitar lingkungan, atau tidak lebih rendah dari 300 Kelvin , sehingga sebagian besar upaya untuk meningkatkan efisiensi termodinamika berbagai fokus panas mesin pada peningkatan suhu sumber, dalam batas-batas materi. Efisiensi teoritis maksimum mesin panas (yang mesin tidak pernah mencapai) adalah sama dengan perbedaan suhu antara ujung panas dan dingin dibagi oleh suhu pada akhir panas, semuanya dinyatakan dalam temperatur absolut ataukelvin.

Efisiensi mesin panas yang berbeda diusulkan atau digunakan berkisar hari ini dari 3 persen (97 persen limbah panas) untuk OTEC usulan daya laut melalui 25 persen untuk mesin otomotif kebanyakan sampai 45 persen untuk superkritis batubara- dipecat pembangkit listrik, menjadi sekitar 60 persen untuk uap-cooled siklus gabungan turbin gas. Semua proses mendapatkan efisiensi mereka (atau ketiadaan) karena penurunan suhu di antara mereka.

Kekuatan

Mesin panas dapat dicirikan oleh mereka kekuatan tertentu, yang biasanya diberikan dalam kilowatt per liter dari kapasitas mesin (di AS juga tenaga kuda per inci kubik). Hasilnya menawarkan perkiraan output puncak-kekuatan mesin. Hal ini tidak menjadi bingung dengan efisiensi bahan bakar, karena efisiensi tinggi sering membutuhkan rasio udara-bahan bakar ramping, dan kepadatan daya sehingga lebih rendah. Sebuah mesin kinerja tinggi mobil modern membuat lebih dari 75 kW / l (1,65 hp / di ³).

Contoh Sehari-hari

Contoh mesin panas sehari-hari termasuk mesin uap, yang mesin diesel, danbensin (bensin) mesin dalam mobil. Sebuah mainan umum yang juga merupakan mesin panas adalah burung minum. Juga mesin stirling adalah mesin panas. Semua mesin panas familiar yang didukung oleh ekspansi gas dipanaskan. Lingkungan umum adalah heat sink, menyediakan gas relatif dingin yang, ketika dipanaskan, berkembang cepat untuk mendorong gerakan mekanis mesin.

Contoh mesin panas

Penting untuk dicatat bahwa meskipun beberapa siklus memiliki lokasi pembakaran yang khas (internal atau eksternal), mereka sering dapat diimplementasikan dengan lainnya. Misalnya, John Ericsson mengembangkan mesin dipanaskan eksternal berjalan pada siklus sangat mirip dengan awal siklus Diesel. Selain itu, mesin eksternal dipanaskan sering dapat diimplementasikan dalam siklus terbuka atau tertutup. Apa ini intinya adalah bahwa ada siklus termodinamika dan sejumlah besar cara untuk menerapkannya.

Tahap siklus perubahan

Dalam siklus dan mesin, cairan bekerja adalah gas dan cairan. Mesin mengubah fluida kerja dari gas ke cairan, dari cair ke gas, atau keduanya bekerja, menghasilkan cairan dari ekspansi atau kompresi.

  • Rankine siklus (klasik mesin uap )
  • Regenerative siklus ( steam engine lebih efisien daripada siklus Rankine )
  • Organic Rankine siklus (Coolant fase perubahan dalam rentang suhu es dan air cair panas)
  • Uap untuk siklus cair ( burung Minum , Injector , Minto roda )
  • Cair ke siklus padat ( Frost naik-turun -. air berubah dari es menjadi cair dan kembali lagi dapat mengangkat batu hingga 60 cm)
  • Solid untuk siklus gas ( es meriam Kering -. menyublim es kering ke gas)

siklus Gas satunya

Dalam siklus dan mesin fluida kerja selalu gas (yaitu, tidak ada perubahan fase):

  • Carnot siklus (Carnot mesin panas)
  • Ericsson Cycle (kalori Kapal John Ericsson)
  • Stirling siklus (Stirling engine , thermoacoustic perangkat)
  • Mesin pembakaran internal (ICE) :
    • Siklus Otto (misalnya Bensin/Bensin mesin , kecepatan tinggi mesin diesel)
    • Diesel siklus (misalnya kecepatan rendah mesin diesel)
    • Atkinson Cycle (Atkinson Mesin)
    • Brayton siklus atau siklus Joule awalnya Ericsson Cycle (turbin gas)
    • Lenoir siklus (misalnya, pulsa jet engine)
    • Miller siklus

Dalam siklus dan mesin fluida kerja selalu seperti cairan:

  • Stirling Cycle (Malone engine)
  • Panas Regenerative Topan

Siklus Elektron

  • Johnson termoelektrik energi converter
  • Thermoelectric (Efek Peltier-Seebeck)
  • Emisi termionik
  • Thermotunnel pendinginan

Siklus Magnetik

  • Termo-magnetik motor (Tesla)

Siklus digunakan untuk pendinginan

Sebuah negeri kulkas adalah contoh dari sebuah pompa panas : mesin panas secara terbalik. Pekerjaan digunakan untuk membuat diferensial panas. Banyak siklus dapat berjalan secara terbalik untuk memindahkan panas dari sisi dingin ke sisi panas, membuat pendingin sisi dingin dan sisi panas panas. Versi mesin pembakaran internal siklus ini, secara alami mereka, tidak reversibel.

Siklus refrigerasi termasuk:

  • Uap-refrigerasi kompresi
  • Stirling cryocoolers
  • Gas-penyerapan kulkas
  • Air siklus mesin
  • Vuilleumier pendinginan
  • Magnetic pendinginan

Menguapkan Mesin Panas

Mesin penguapan Barton adalah mesin panas didasarkan pada kekuatan siklus memproduksi dan udara lembab didinginkan dari penguapan air ke udara kering panas.

Mesoscopic Engine Panas

Mesin panas mesoscopic adalah perangkat nano yang dapat melayani tujuan fluks panas pengolahan dan melakukan pekerjaan yang berguna pada skala kecil. Potensi aplikasi termasuk perangkat misalnya pendingin listrik. Dalam mesin panas mesoscopic tersebut, bekerja per siklus operasi berfluktuasi karena noise termal. Ada kesetaraan yang tepat yang berkaitan rata-rata eksponen pekerjaan yang dilakukan oleh setiap mesin panas dan perpindahan panas dari mandi panas yang lebih panas. Hubungan ini mengubah ketidaksamaan Carnot ke dalam kesetaraan yang tepat.

Efisiensi

Efisiensi mesin panas berhubungan berapa banyak pekerjaan yang berguna adalah output untuk jumlah tertentu masukan energi panas.

Dari hukum termodinamika :

dimana

adalah pekerjaan diambil dari mesin. (Ini adalah negatif karena pekerjaan yang dilakukan oleh mesin.)

adalah energi panas yang diambil dari sistem suhu tinggi. (Ini adalah negatif karena panas diekstraksi dari sumber, maka adalah positif.)

adalah energi panas disampaikan ke sistem suhu dingin. (Hal ini positif karena panas ditambahkan ke wastafel.)

Dengan kata lain, mesin panas menyerap energi panas dari sumber panas suhu tinggi, mengubah bagian dari itu untuk pekerjaan yang berguna dan memberikan sisanya untuk heat sink suhu dingin.

Secara umum, efisiensi proses perpindahan panas yang diberikan (apakah itu kulkas, pompa panas atau mesin) didefinisikan secara informal oleh rasio “apa yang keluar” untuk “apa yang Anda meletakkan masuk”

Dalam kasus mesin, satu keinginan untuk mengekstrak dan menempatkan pekerjaan dalam transfer panas.

Efisiensi maksimum teoritis dari setiap mesin panas hanya bergantung pada suhu beroperasi antara. Efisiensi ini biasanya diturunkan menggunakan mesin panas yang ideal imajiner seperti mesin panas Carnot , meskipun mesin lain yang menggunakan siklus yang berbeda juga dapat mencapai efisiensi maksimum. Secara matematis, hal ini karena direversibel proses, perubahan entropi dari reservoir dingin adalah negatif itu dari reservoir panas (yaitu, ), Menjaga perubahan keseluruhan entropi nol. Dengan demikian:

dimana adalah temperatur absolut dari sumber panas dan bahwa dari wastafel dingin, biasanya diukur dalam kelvin . Perhatikan bahwa  adalah positif sementara  adalah negatif, dalam setiap proses kerja-extracting reversibel, entropi keseluruhan tidak meningkat, melainkan dipindahkan dari suatu sistem panas (tinggi entropi) ke dingin (low-entropi satu), mengurangi entropi dari sumber panas dan meningkat bahwa dari heat sink.

Alasan di balik ini menjadi efisiensi maksimal berjalan sebagai berikut. Hal ini pertama diasumsikan bahwa jika mesin panas lebih efisien daripada mesin Carnot adalah mungkin, maka bisa didorong secara terbalik sebagai pompa panas. Analisis matematis dapat digunakan untuk menunjukkan bahwa kombinasi diasumsikan akan menghasilkan penurunan bersih dalam entropi . Karena, dengan hukum kedua termodinamika , ini secara statistik tidak mungkin ke titik pengecualian, efisiensi Carnot adalah atas teoritis terikat pada efisiensi yang handal dari setiap proses.

Secara empiris, tidak ada mesin panas yang pernah ditunjukkan untuk dijalankan pada efisiensi yang lebih besar daripada mesin panas siklus Carnot.

Gambar 2 dan Gambar menunjukkan variasi 3 pada efisiensi siklus Carnot. Gambar 2 menunjukkan bagaimana perubahan efisiensi dengan peningkatan suhu selain panas untuk suhu inlet kompresor konstan. Gambar 3 menunjukkan bagaimana perubahan efisiensi dengan peningkatan suhu penolakan panas untuk suhu inlet turbin konstan.

Gambar 2: Carnot siklus efisiensi dengan mengubah suhu panas penambahan. Gambar 3: Siklus Carnot efisiensi dengan mengubah suhu panas penolakan.

Mesin Panas Endoreversible

Efisiensi yang paling Carnot sebagai kriteria kinerja panas mesin adalah kenyataan bahwa dengan sifatnya, setiap siklus Carnot maksimal efisien harus beroperasi pada gradien suhu sangat kecil. Hal ini karena adanya transfer panas antara dua benda pada suhu yang berbeda tidak dapat diubah, dan karena ekspresi efisiensi Carnot hanya berlaku dalam batas sangat kecil. Masalah utama dengan itu adalah bahwa obyek mesin panas yang paling adalah untuk output semacam kekuasaan, dan kekuasaan sangat kecil biasanya tidak apa yang sedang dicari.

Sebuah ukuran yang berbeda efisiensi mesin panas yang ideal diberikan oleh pertimbangan termodinamika endoreversible , di mana siklus identik dengan siklus Carnot kecuali dalam bahwa dua proses perpindahan panas yang tidak reversibel (Callen 1985):

(Catatan: Unit K atau ° R )

Model ini melakukan pekerjaan yang lebih baik memprediksi seberapa baik dunia nyata mesin panas dapat lakukan (Callen 1985, lihat juga termodinamika endoreversible ):

Efisiensi pembangkit listrik
Pembangkit tenaga listrik  (° C) (° C) (Carnot)  (Endoreversible)  (Observed) 
West Thurrock ( Inggris ) batubara pembangkit listrik  25 565 0.64 0.40 0.36
CANDU ( Canada ) nuklir pembangkit listrik  25 300 0.48 0.28 0.30
Larderello ( Italia ) stasiun panas bumi listrik  80 250 0.33 0.178 0.16

Seperti ditunjukkan, efisiensi endoreversible lebih erat model data yang diamati.

Sejarah

Artikel utama: Timeline teknologi panas mesin

Lihat juga: Sejarah mesin pembakaran internal dan Sejarah termodinamika

Mesin panas telah dikenal sejak jaman dahulu, tetapi hanya dibuat menjadi perangkat yang berguna pada saat revolusi industri pada abad kedelapan belas. Mereka terus dikembangkan saat ini.

Panas tambahan mesin

Insinyur telah mempelajari siklus panas mesin berbagai luas dalam upaya untuk meningkatkan jumlah pekerjaan yang dapat digunakan mereka bisa mengambil dari sumber daya yang diberikan. Batas Siklus Carnot tidak dapat dicapai dengan siklus gas-based, tapi insinyur telah bekerja setidaknya dua cara untuk mungkin pergi sekitar batas itu, dan salah satu cara untuk mendapatkan efisiensi yang lebih baik tanpa menekuk aturan.

  1. Meningkatkan suhu perbedaan dalam mesin panas. Cara termudah untuk melakukan ini adalah untuk meningkatkan temperatur sisi panas, yang merupakan pendekatan yang digunakan dalam modern gabungan-siklus turbin gas . Sayangnya, batas-batas fisik (seperti titik leleh bahan dari mana mesin dibangun) dan keprihatinan lingkungan mengenai NO x produksi membatasi suhu maksimum pada mesin panas bisa diterapkan. Turbin gas modern dijalankan pada suhu setinggi mungkin dalam kisaran suhu yang diperlukan untuk mempertahankan diterima NO keluaran x [rujukan? ]. Cara lain meningkatkan efisiensi adalah untuk menurunkan suhu output. Salah satu metode baru untuk melakukannya adalah dengan menggunakan cairan kimia campuran kerja, dan kemudian memanfaatkan perubahan perilaku dari campuran. Salah satu yang paling terkenal adalah apa yang disebut siklus Kalina , yang menggunakan campuran 70/30 dari amonia dan air sebagai fluida kerjanya. Campuran ini memungkinkan siklus untuk menghasilkan tenaga yang berguna pada suhu jauh lebih rendah daripada proses yang lain.
  2. Mengeksploitasi sifat fisik fluida kerja. Eksploitasi tersebut yang paling umum adalah penggunaan air di atas titik yang disebut kritis, atau uap superkritis disebut. Perilaku cairan atas perubahan kritis mereka titik radikal, dan dengan bahan seperti air dan karbon dioksida adalah mungkin untuk mengeksploitasi perubahan perilaku untuk mengekstrak efisiensi termodinamika yang lebih besar dari mesin panas, bahkan jika menggunakan Brayton cukup konvensional atau Rankine siklus. Sebuah materi baru dan sangat menjanjikan untuk aplikasi tersebut adalah CO 2 .SO 2 dan xenon juga telah dipertimbangkan untuk aplikasi seperti, meskipun SO 2adalah sedikit beracun untuk sebagian.

Mengeksploitasi sifat kimia dari fluida kerja. Sebuah mengeksploitasi cukup baru dan novel adalah dengan menggunakan cairan bekerja eksotis dengan sifat kimia menguntungkan. Salah satunya adalah nitrogen dioksida (NO 2), komponen beracun dariasap , yang memiliki alam dimer sebagai di-nitrogen tetraoxide (N 2 O 4). Pada suhu rendah, N 2 O 4 dikompresi dan kemudian dipanaskan. Meningkatnya suhu menyebabkan setiap N 2 O 4 untuk pecah menjadi dua molekul NO 2. Hal ini akan menurunkan berat molekul dari fluida kerja, yang secara drastis meningkatkan efisiensi siklus. Setelah 2 NO telah diperluas melalui turbin, didinginkan oleh heat sink , yang menyebabkan untuk bergabung kembali ke N 2 O 4. Hal ini kemudian makan kembali oleh kompresor untuk siklus lain. Spesies seperti aluminium bromida (Al 2 Br 6), NOCl, dan Ga 2 I 6 semuanya telah diselidiki untuk penggunaan tersebut. Sampai saat ini, kelemahan mereka belum dibenarkan penggunaannya, meskipun peningkatan efisiensi yang bisa diwujudkan.

 

Baca Artikel Lainnya:


Comments are closed.