1. ⚙️ Analisis Siklus Daya (Power Cycles)

Siklus daya adalah rangkaian proses termodinamika di mana fluida kerja (zat yang mengalir) kembali ke keadaan awal, dengan tujuan utama menghasilkan usaha bersih ($W_{\text{net}}$) dari input panas ($Q_{in}$). Kinerja diukur dengan Efisiensi Termal ($\eta_{th}$).

A. Siklus Rankine (Siklus Uap)

Siklus dasar yang digunakan di sebagian besar pembangkit listrik tenaga uap (termasuk nuklir dan batu bara). Fluida kerjanya adalah air yang bertransformasi menjadi uap.

Shutterstock

Komponen dan Proses Kunci:

1. Pompa (1-2): Fluida cair dikompresi secara isentropik (ideal). Memerlukan usaha minimal ($W_{pompa}$).
2. Boiler (2-3): Fluida menyerap panas ($Q_{in}$) secara isobarik (tekanan konstan), menghasilkan uap superpanas.
3. Turbin (3-4): Uap berekspansi secara isentropik (ideal), menghasilkan usaha ($W_{turbin}$).
4. Kondensor (4-1): Uap membuang panas ($Q_{out}$) secara isobarik hingga kembali menjadi cair jenuh.

Kinerja: Efisiensi Termal

Efisiensi mengukur seberapa baik sistem mengubah panas yang dimasukkan menjadi kerja bersih.

$$\eta_{\text{th}} = \frac{W_{\text{net}}}{Q_{\text{in}}} = \frac{W_{\text{turbin}} – W_{\text{pompa}}}{Q_{\text{boiler}}}$$

B. Siklus Brayton (Siklus Turbin Gas)

Siklus dasar yang digunakan pada mesin jet dan pembangkit listrik turbin gas. Fluida kerjanya adalah gas (biasanya udara).

Komponen dan Proses Kunci:

1. Kompresor (1-2): Udara dikompresi secara isentropik (ideal), memerlukan $W_{in}$.
2. Ruang Bakar (2-3): Penambahan panas ($Q_{in}$) melalui pembakaran pada tekanan konstan (isobarik).
3. Turbin (3-4): Gas panas berekspansi secara isentropik (ideal), menghasilkan $W_{out}$.
4. Pembuangan (4-1): Pembuangan panas ($Q_{out}$) pada tekanan konstan ke atmosfer.

Kinerja: Efisiensi Termal

Untuk Siklus Brayton ideal (fluida kerja dianggap gas ideal), efisiensi hanya bergantung pada rasio tekanan ($r_p = P_2/P_1$) dan rasio panas spesifik ($\gamma$):

$$\eta_{\text{th}} = 1 – \frac{1}{(r_{p})^{(\gamma – 1) / \gamma}}$$

---

2. ❄️ Analisis Siklus Pendingin dan Pompa Kalor (Refrigeration Cycles)

Siklus ini beroperasi berkebalikan dari siklus daya, yaitu memindahkan panas ($Q_L$) dari suhu rendah ke suhu tinggi ($Q_H$) dengan memasukkan usaha ($W_{in}$). Kinerja diukur dengan Koefisien Kinerja (COP).

Siklus Pendingin Kompresi Uap (Vapor-Compression Cycle)

Siklus yang digunakan oleh kulkas dan pendingin udara (AC).

Komponen dan Proses Kunci:

1. Kompresor (1-2): Refrigeran (uap) dikompresi (isentropik ideal), memerlukan $W_{in}$. Tekanan dan suhu naik.
2. Kondensor (2-3): Refrigeran membuang panas ($Q_H$) ke lingkungan luar dan berkondensasi menjadi cair.
3. Katup Ekspansi (3-4): Refrigeran cair bertekanan tinggi mengalami ekspansi isentalpik ($h=\text{konstan}$), menyebabkan penurunan tekanan dan suhu yang drastis.
4. Evaporator (4-1): Refrigeran menyerap panas ($Q_L$) dari ruang dingin dan menguap menjadi uap.

Kinerja: Koefisien Kinerja (COP)

COP adalah rasio antara manfaat yang diinginkan dan input yang dibutuhkan.

• Untuk Pendingin (Kulkas/AC): Manfaat yang diinginkan adalah pendinginan ($Q_L$).$$\text{COP}_{R} = \frac{\text{Efek Pendinginan}}{\text{Input Kerja Bersih}} = \frac{Q_{L}}{W_{\text{in}}}$$
• Untuk Pompa Kalor (Pemanas Ruangan): Manfaat yang diinginkan adalah pemanasan ($Q_H$).$$\text{COP}_{\text{HP}} = \frac{\text{Efek Pemanasan}}{\text{Input Kerja Bersih}} = \frac{Q_{H}}{W_{\text{in}}}$$

---

Topik Lanjutan Selanjutnya

Setelah menguasai siklus daya dan pendingin ideal, pembahasan lanjutan dapat mencakup:

• Peningkatan Siklus: Modifikasi Siklus Rankine (pemanasan ulang, regenerasi) dan Siklus Brayton (regenerasi, intercooling).
• Termodinamika Campuran dan Reaksi: Penerapan termodinamika pada campuran gas, humidifikasi, dan reaksi kimia (termodinamika kimia).
• Eksergi (Exergy) Analysis: Sebuah analisis Hukum Kedua yang lebih dalam, mengukur potensi kerja maksimum dari suatu aliran energi (kualitas energi) alih-alih hanya kuantitas energi.