Analisis Eksergi (Exergy Analysis)

1.Definisi dan Konsep Dasar

Eksergi ($E$ atau $\Psi$) didefinisikan sebagai potensi kerja maksimum yang berguna (useful work) yang dapat diperoleh dari suatu sistem, aliran massa, atau transfer energi ketika sistem tersebut berinteraksi dan mencapai kesetimbangan termodinamika dengan lingkungannya.

Secara fundamental, Analisis Eksergi adalah analisis Hukum Kedua Termodinamika karena fokus pada kualitas energi, bukan hanya kuantitasnya.

A. Perbedaan Kunci Eksergi dan Energi

Fitur	Eksergi (Hukum II)	Energi (Hukum I)
Kualitas	Mengukur kualitas atau nilai kerja (ketersediaan).	Mengukur kuantitas.
Hukum Kekekalan	Tidak Kekal (Selalu musnah/destructed dalam proses nyata).	Kekal (Tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan).
Nilai Referensi	Potensi kerja diukur relatif terhadap Lingkungan Mati ($T_0, P_0$).	Nilai absolut (terlepas dari lingkungan).
Nilai Minimum	Nol pada kondisi Lingkungan Mati.	Dapat bernilai positif, nol, atau negatif (relatif terhadap sistem).

B. Lingkungan Mati (Dead State)

Agar suatu sistem dapat menghasilkan kerja, harus ada ketidakseimbangan (perbedaan) antara sistem dan lingkungannya. Lingkungan Mati (Dead State) adalah kondisi di mana sistem telah mencapai kesetimbangan sempurna dengan lingkungannya.

Kondisi Lingkungan Mati ($0$): Suhu ($T_0$), Tekanan ($P_0$), dan Komposisi Kimia dari lingkungan sekitar.
Implikasi: Ketika sistem mencapai kondisi ini, ia tidak lagi memiliki potensi untuk melakukan usaha. Dengan kata lain, Eksergi sistem = 0 pada $T_0$ dan $P_0$.

2. Komponen Eksergi

Eksergi total suatu sistem atau aliran massa terdiri dari empat komponen utama:

$$E_{\text{total}} = E_{\text{kinetik}} + E_{\text{potensial}} + E_{\text{fisik}} + E_{\text{kimia}}$$

A. Eksergi Kinetik ($E_{\text{kinetik}}$)

Eksergi yang terkait dengan gerak sistem relatif terhadap lingkungan mati.

$$E_{\text{kinetik}} = \frac{1}{2} m V^2$$

B. Eksergi Potensial ($E_{\text{potensial}}$)

Eksergi yang terkait dengan posisi sistem relatif terhadap bidang referensi lingkungan mati.

$$E_{\text{potensial}} = m g z$$

C. Eksergi Fisik ($E_{\text{fisik}}$)

Eksergi yang diakibatkan oleh perbedaan suhu ($T$) dan tekanan ($P$) antara sistem dan lingkungan mati. Ini adalah komponen yang paling umum dianalisis dalam termodinamika terapan.

$$E_{\text{fisik}} = m \cdot \left[ (h – h_0) – T_0 (s – s_0) \right]$$

$h$ dan $s$: Entalpi dan Entropi sistem pada kondisi aktual.
$h_0$ dan $s_0$: Entalpi dan Entropi pada kondisi lingkungan mati ($T_0, P_0$).

D. Eksergi Kimia ($E_{\text{kimia}}$)

Eksergi yang terkait dengan perbedaan komposisi kimia antara sistem dan lingkungan mati. Ini penting dalam analisis reaksi kimia atau pembakaran.

3. Musnahnya Eksergi (Exergy Destruction) 💔

Musnahnya Eksergi ($I$) adalah ukuran kuantitatif dari ireversibilitas (ketidaksempurnaan) suatu proses dan merupakan jantung dari Analisis Eksergi.

A. Kaitan dengan Entropi

Musnahnya Eksergi berbanding lurus dengan generasi entropi ($\dot{S}_{\text{gen}}$), seperti yang ditetapkan oleh Hukum Kedua:

$$\dot{I} = T_0 \cdot \dot{S}_{\text{gen}}$$

$\dot{I}$: Laju musnahnya Eksergi (Eksergi yang hilang per satuan waktu).
$T_0$: Suhu lingkungan mati (harus dalam Kelvin).

Setiap proses nyata (irreversible) pasti memiliki $\dot{S}_{\text{gen}} > 0$, dan oleh karena itu, $\dot{I} > 0$. Potensi kerja selalu berkurang dalam proses nyata.

B. Faktor Penyebab Musnahnya Eksergi:

Transfer Panas pada Beda Suhu Terbatas: Ini adalah penyebab terbesar, misalnya perpindahan panas dari tungku 1000 K ke air 300 K.
Gesekan: Dalam aliran fluida atau bagian bergerak.
Ekspansi Tak Terkendali (Uncontrolled Expansion): Misalnya pada katup throttling.
Pencampuran Fluida: Pencampuran dua fluida dengan suhu atau komposisi yang berbeda.

4. Analisis Eksergi untuk Sistem Terbuka (Volume Kontrol)

Sama seperti Hukum Pertama, Eksergi dapat dianalisis untuk sistem aliran stabil:

A. Persamaan Eksergi Aliran Stabil

Persamaan ini menyatakan bahwa laju transfer Eksergi bersih ke dalam volume kontrol sama dengan laju musnahnya Eksergi di dalam volume kontrol:

$$\dot{E}_{\text{transfer, in}} – \dot{E}_{\text{transfer, out}} = \dot{I}$$

Di mana Eksergi ditransfer melalui panas, kerja, dan aliran massa:

$$\sum_{j} \left( 1 – \frac{T_0}{T_{j}} \right) \dot{Q}_{j} – \dot{W}_{\text{net}} + \sum_{\text{masuk}} \dot{m} e – \sum_{\text{keluar}} \dot{m} e = \dot{I}$$

$e$: Eksergi spesifik (Eksergi per satuan massa, $e = E/m$).
$\left( 1 – \frac{T_0}{T_{j}} \right) \dot{Q}_{j}$: Faktor Eksergi dari transfer panas. Perhatikan bahwa transfer panas hanya membawa Eksergi jika $T_j \ne T_0$.

5. Efisiensi Hukum Kedua ($\eta_{\text{II}}$)

Efisiensi termal ($\eta_{\text{th}}$) dari Hukum Pertama hanya mengukur kuantitas. Efisiensi Hukum Kedua ($\eta_{\text{II}}$) mengukur kualitas dan memberikan tolok ukur kinerja yang lebih jujur.

A. Definisi Efisiensi Hukum Kedua

$$\eta_{\text{II}} = \frac{\text{Eksergi yang diperoleh (produk)}}{\text{Eksergi yang diinvestasikan (input)}} = 1 – \frac{\text{Eksergi yang musnah}}{\text{Eksergi yang diinvestasikan}}$$

Nilai $\eta_{\text{II}}$ selalu $0 \le \eta_{\text{II}} \le 1$.
$\eta_{\text{II}}$ menunjukkan seberapa dekat kinerja sistem ke batas ideal reversibel.

B. Aplikasi dalam Siklus Daya (Contoh)

Dalam Siklus Rankine, efisiensi Hukum Kedua untuk turbin adalah:

$$\eta_{\text{II, turbin}} = \frac{W_{\text{aktual}}}{E_{\text{masuk}} – E_{\text{keluar}}} = \frac{W_{\text{aktual}}}{\dot{m} \cdot (e_{in} – e_{out})}$$

Dengan menganalisis Eksergi pada setiap komponen (pompa, boiler, turbin, kondensor), kita dapat menemukan bahwa kerugian Eksergi terbesar seringkali terjadi di Boiler/Ruang Bakar karena transfer panas pada beda suhu yang sangat besar. Analisis ini mendorong insinyur untuk memfokuskan upaya perbaikan pada komponen yang paling boros.