Aplikasi Hukum termodinamika pertama: Motor Bensin dan Motor Diesel

MOTOR BENSIN

Motor bensin yang umum ialah motor empat langkah (empat “tak”); disebut empat langkah karena terjadi empat proses dalam satu daur. Misalkan pada suatu saat piston berada pada puncak geraknya; lalu pada waktu piston itu bergerak turun, suatu campuran yang terdiri atas udara dan uap bensin terhisap masuk ke dalam silinder karena katup masuk terbuka dan katup pembuangan tertutup. Gerak turun ini disebut langkah menghisap. Pada akhir langkah ini, katup masuk menutup dan piston bergerak naik memampatkan campuran udara-bensin tadi hamper adiabat. Gerak ini disebut langkah kompresi. Pada atau dekat puncak ini sebuah bunga api menyalakan campuran udara-bensin, sehingga terjadi pembakaran yang sangat cepat. Tekanan dan suhu naik pada volum konstan.

Piston kini bergerak ke bawah akibat gas yang hampir secara adiabat memuai. Gerak ke bawah yang ini disebut langkah daya atau langkah usaha. Pada akhir langkah daya katup pembuangan membuka. Tekanan dalam silinder turun dengan sangat cepat sampai mencapai tekanan atmosfer dan piston yang lalu bergerak naik mendesak ke luar hamper semua gas yang tersisa. Katup pembuangan kini menutup, katup masuk terbuka, dan daur mulai kembali.

Untuk keperluan menghitung, daur motor bensin dianggap seperti daur Otto yang dilukiskan dalam gambar 19-10. Pada titik a, udara dalam silinder bertekanan atmosfer dikompresi secara adiabat sampai ke titik b, lantas dipanaskan sampai ke titik c pada volum konstan, lalu dibiarkan memuai secara adiabat ke titik d, kemudian didinginkan pada volum konstan sampai titik a, sesudah itu daur berulang lagi. Garis ab bersesuaian dengan langkah kompresi, bc dengan eksplosi, cd dengan langkah daya, dan da dengan pembuangan motor bensin. V₁ dalam Gambar 19-10 ialah volum maksimum dan V₂ volum minimum udara di dalam silinder. Perbandingan V₁/V₂ disebut perbandingan kompresi, dan untuk motor-bakar-dalam (internal combustion engine) yang modern harganya kira-kira 10.

Usaha yang dihasilkan pada Gambar tersebut digambarkan oleh luas yang dibatasi bingkai abcd. Pemasukan panas ialah panas yang diberikan pada volum konstan sepanjang garis bc. Panas pembuangan dikeluarkan sepanjang da. Dalam proses adiabat ab dan cd tidak ada panas yang masuk atau keluar.

Pemasukkan panas dan usaha yang dihasilkan dapat dihitung dalam artian perbandingan kompresi, dengan mengandaikan udara sama sifatnya dengan sifat gas sempurna. Hasilnya ialah

disini γ ialah perbandingan kapasitas panas jenis pada tekanan konstan terhadap kapasitas panas jenis pada volum konstan Cp/Cv. Untuk perbandingan kompresi harga 10 dan harga γ = 1,4, efisiensi kira-kira 60%. Maka makin besar perbandinngan kompresi, makin tinggi efisiensi. Efek gesekan, turbulensi, terserapnya panas oleh dinding silinder, dan sebagainya, dalam perhitungan ini diabaikan. Semua efek ini mengurangi efisiensi mesin sesungguhnya menjadi di bawah prosentase yang diberikan di atas.

Pustaka:

Sears, S. W. And Mark W. Zemansky. 1991. Fisika Untuk Universitas 1. Jakarta. Binacipta

 

MOTOR DIESEL

Dalam daur motor diesel, udara masuk ke dalam silinder pada langkah menghisap, dan dimampatkan secara adiabat pada waktu langkah kompresi sampai suhu naik cukup tinggi sehingga minyak bakar yang diinjeksikan pada akhir langkah ini akan terbakar di dalam silinder tanpa memerlukan bunga api. Pembakaran tidak secepat pembakaran motor bensin, dan bagian pertama langkah daya akan berlangsung dengan tekanan yang pokoknya konstan. Bagian selebihnya langkah daya ialah pemuaian adiabat. Kemudian terjadi langkah membuang, dan selesailah satu daur.

Daur diesel-udara sempurna diperlihatkan dalam gambar tersebut. Mulai titik a, udara dikompresi secara adiabat sampai titik b, menjadi panas pada tekanan konstan sampai titik c, memuai secara adiabat sampai titik d, dan menjadi dingin pada volum sampai titik a.

Karena pada langkah kompresi di dalam silinder mesin diesel tidak terdapat bahan bakar, penyalaan dini tidak terjadi, dan angka perbandingan kompresi V₁/V₂ dapat jauh lebih tinggi daripada angka perbandingan kompresi motor bakar. Angka perbandingan 15 adalah biasa. Perbandingan pemuaian V₁/V₃ bisa kira-kira 5. Dengan mengambil harga-harga ini dan dengan mengambil γ = 1,4, efisiensi daur-diesel-udara ada kira-kira 56%.