1. Pengertian Energi
Energi dapat diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Energi dan kerja mempunyai satuan yang sama. Sedangkan kerja dapat diartikan sebagai usaha yang dapat dilakukan oleh gaya sebesar F (Newton) untuk memindahkan benda sejauh S (meter).
Hukum Kekekalan Energi menyatakan bahwa energi bersifat kekal, artinya tidak dapat diciptakan maupun di musnahkan, tetapi dapat diubah (dikonversi) kedalam bentuk yang lain dan dapat dimanfaatkan untuk kepentingan manusia. Energi bersifat abstrak yang sukar dibuktikan tetapi dapat dirasakan adanya.
2. Sifat Energi
Ilmu yang mempelajari perubahan energi dari energi satu bentuk ke bentuk lainnya disebut dengan ilmu konversi energi. Adapun tingkat keberhasilan perubahan energi disebut dengan Efisiensi. Sifat-sifat energi secara umum adalah :
- Transformasi energi, artinya energi dapat diubah menjadi bentuk lain, misalkan energi panas pembakaran menjadi energi mekanik mesin Contoh yang lain adalah proses perubahan energi atau konversi energi pada turbin dan pompa.
- Transfer energi, yaitu energi panas (heat) dapat ditransfer dari tempat satu ke tempat lainnya atau dari material satu ke material lainnya.
- Energi dapat pindah ke benda lain melalui suatu gaya yang menyebabkan pergeseran, sering disebut dengan energi mekanik,
- Energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan.
3. Bentuk-bentuk Energi
Meskipun energi bersifat abstrak, namun bentuk-bentuk energi dapat dijelaskan di bawah ini :
- Energi Kinetik: adalah energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan tertentu, sebagai contoh, mobil yang bergerak, benda jatuh dsb.
- Energi potensial adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya di atas permukaan bumi. Sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang dimiliki air karena ketinggiannya dari permukaan bumi. Contohnya air waduk di pegunungan dapat dikonversi menjadi energi mekanik untuk memutar turbin, selanjutnya dikonversi lagi menjadi energi listrik.
- Energi mekanik adalah energi total atau gabungan antara energi kinetik dengan energi potesial. Adapun energi atau kerja mekanik pada mesin-mesin panas, adalah kerja yang dihasilkan dari proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Energi meknik merupakan energi gerak, misal turbin air akan mengubah energi potensial menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik.
- Energi Listrik adalah energi yang berkaitan dengan arus elektron, dinyatakan dalam watt-jam (Wh) atau kilo watt-jam (kWh). Arus listrik akan mengalir bila penghantar listrik dilewatkan pada medan magnet. Bentuk transisinya adalah aliran elektron melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi medan elektrostatis yang merupakan energi yang berkaitan dengan medan listrik yang dihasilkan oleh terakumulasinya muatan elektron pada pelat-pelat kapasitor.
- Energi Elektromagnetik merupakan bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik. Energi radiasi dinyatakan dalam satuan energi yang sangat kecil, yakni elektron volt (eV) atau mega elektron volt (MeV), yang juga digunakan dalam evaluasi energi nuklir.
- Energi Kimia merupakan energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron dimana dua atau lebih atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan, misal pada battery (accumulator). Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis yang dinyatakan dalam kJ, Btu, atau kKal. Bila dalam reaksi kimia energinya terserap maka disebut dengan reaksi endodermis. Sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi manusia adalah reaksi kimia eksotermis yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.
- Energi Nuklir adalah energi dalam bentuk energi tersimpan yang dapat dilepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisiyang lebih stabil. Satuan yang digunakan adalah juta elektron reaksi. Pada reaksi nuklir dapat terjadi peluruhan radioaktif, fisi, dan fusi.
- Energi Termal merupakan bentuk energi dasar di mana dalam kata lain adalah semua energi yang dapat dikonversikan secara penuh menjadi energi panas. Sebaliknya, pengonversian dari energi termal ke energi lain dibatasi oleh hukum Termodinamika II. Bentuk energi transisi dan energi termal adalah energi panas, dapat pula dalam bentuk energi tersimpan sebagai kalor “laten” atau kalor “sensible” yang berupa entalpi.
- Energi Angin merupakan energi yang tidak akan habis, material utama berupa angin dengan kecepatan tertentu yang mengenai turbin angin sehingga menjadi gerak mekanik dan listrik.
4. Definisi dan Macam-macam Mesin Konversi Energi
Mesin Konversi Energi adalah suatu peralatan/pesawat yang berfungsi untuk mengubah suatu energi menjadi energi yang lain sehingga menghasilkan sebuah kerja/usaha yang dimanfaatkan untuk kepentingan manusia. Adapun macam – macam Mesin Konversi Energi sangat banyak, antara lain:
A. Motor bakar
Motor bakar, merupakan suatu pesawat kerja yang mengubah energi kimia dari campuran bahan bakar dengan udara menjadi energi mekanik berputarnya poros engkol. Jika ditinjau dari cara memperoleh energi termal ini (proses pembakaran bahan bakar), maka motor bakar dapat dibagi menjadi 2 (dua) golongan yaitu: motor pembakaran luar dan motor pembakaran dalam.
1) Motor pembakaran luar
Pada motor pembakaran luar ini, proses pembakaran bahan bakar terjadi di luar mesin itu, sehingga untuk melaksanakan pembakaran digunakan mesin tersendiri. Panas dari hasil pembakaran bahan bakar tidak langsung diubah menjadi tenaga gerak, tetapi terlebih dulu melalui media penghantar, baru kemudian diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya pada ketel uap dan turbin uap.
2) Motor pembakaran dalam
Pada motor pembakaran dalam, proses pembakaran bahan bakar dan udara terjadi di dalam mesin itu sendiri, sehingga panas dari hasil pembakaran langsung bisa diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya: motor bakar torak, turbin gas, dan mesin propulasi pancar gas. Contoh alat transportasi yang menggunakan prinsip kerja motor pembakaran dalam: Turbin pada pesawat terbang, sepeda motor, dan mobil. Beberapa motor penbakaran dalam, yaitu :
- Motor Bensin
Motor bensin adalah motor pembakaran dalam yang bahan bakarnya menggunakan bensin. Pada motor bensin, campuran bensin dengan udara dibakar untuk memperoleh energi termal. Energi ini selanjutnya digunakan untuk melakukan gerakan mekanik. Prinsip kerja motor bensin, secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut: campuran udara dan bensin dari karburator diisap masuk ke dalam silinder, dimampatkan oleh gerak naik torak, dibakar oleh percikan bunga api dari busi untuk memperoleh tenaga panas, yang mana dengan terbakarnya gas-gas akan mempertinggi suhu dan tekanan didalam ruang siliinder, sehingga torak bergerak turun naik di dalam silinder akibat tekanan tinggi pembakaran, Gerak naik turun piston kemudian diubah melalui batang torak menjadi gerak putar poros engkol. Melalui mekanisme katup yang terhubung ke poros engkol untuk pengaturan pembukaan/penutupan katup masuk bahan bakar dan katup buang sisa-sisa pembakaran dilakukan secara periodik.
- Motor Diesel
Motor diesel adalah motor pembakaran dalam yang menggunakan bahan bakar minyak diesel (solar). Motor ini sering disebut dengan motor penyalaan kompresi (compression ignition engine) karena penyalaan bahan bakarnya diakibatkan oleh suhu kompresi udara dalam ruang bakar yang sangat tinggi. Cara pembakaran dan pengatomisasian (atomizing) bahan bakar pada motor diesel tidak sama dengan motor bensin. Pada motor diesel yang diisap oleh torak dan dimasukkan ke dalam ruang bakar hanya udara, yang selanjutnya udara tersebut dikompresikan sampai mencapai suhu dan tekanan yang tinggi. Beberapa saat sebelum torak mencapai titik mati atas (TMA) bahan bakar solar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Dengan suhu dan tekanan udara dalam silinder yang cukup tinggi maka partikel-partikel bahan bakar akan menyala dengan sendirinya sehingga membentuk proses pembakaran. Agar bahan bakar solar dapat terbakar sendiri, maka diperlukan rasio kompresi 15-22 dan suhu udara kompresi kira-kira 600ºC.
- Motor Wankel
Motor Wankel, atau sering dikenal juga dengan nama mesin rotari (rotary engine), yaitu tipe mesin pembakaran dalam yang terdiri atas rotor berbentuk segitiga sama sisi yang berputar dalam stator. Dibandingkan motor torak, getaran motor Wankel lebih halus, karena tidak banyak bagian yang bergerak. Selain itu lebih ringan dan lebih kecil ukurannya. Untuk ukuran yang sama besar, mesin wankel dapat menghasilkan tenaga gerak dua kali lebih besar daripada mesin torak konvensional. Secara umum, bagian utama dari mesin ini adalah rotor segitiga sama sisi dengan ruang pembakaran berbentuk epitrokoida. Rotor bergerak sedemikian rupa sehingga ujungnya senantiasa menyentuh dinding ruang pembakaran yang terbagi atas 3 bidang. Dalam tiga bidang tersebut terjadi tiga proses utama operasi sebuah mesin, yaitu, pemampatan bahan bakar, pembakaran bahan bakar, dan pembuangan bahan bakar.
- Turbin Gas
Turbin Gas adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin gas. Prinsip Kerja Sistem Turbin Gas (Gas-Turbine Engine) adalah Udara masuk ke dalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara bertekanan ini masuk ke dalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara bertekanan dengan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
B. Motor Listrik
Motor Listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dan sebagainya. Motor listrik biasanya juga digunakan pada peralatan listrik rumah tangga (seperti: mixer, mobil listrik, speda motor listrik, pompa air dsb.).
C. Kompresor
Kompresor adalah alat pemampat atau pengkompresi udara dengan kata lain kompresor adalah penghasil udara mampat (udara bertekanan). Karena proses pemampatan, udara mempunyai tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan udara lingkungan.
D. Mesin Refrigerasi (PengkondisiI Udara)
Mesin refrigerasi secara umum digunakan untuk pengkondisian udara suatu ruangan, rumah atau industri, sehingga setiap orang yang berada pada ruangan tersebut akan merasa nyaman. Alat ini biasa disebut dengan Air Conditioning (AC).
F. Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)
Fuel Cell pada dasarnya mirip dengan baterai yaitu sumber daya yang menggunakan reaksi kimia untuk menghasilkan arus listrik. Perbedaannya terletak pada sumber energi yang didapat, jika baterai memanfaatkan reaksi kimia dan membutuhkan pengisian daya untuk mendapatkan arus listrik maka fuel cell tidak membutuhkan pengisian daya melainkan pengisian bahan bakar. Jadi fuel cell memanfaatkan bahan bakar untuk direaksikan secara elektrolisis untuk menghasilkan elektron dan mengalirkan arus listrik. Salah satu bahan bakar yang sering digunakan untuk fuel cell adalah hidrogen.
G. Solar Cell (Energi Surya)
Solar cell adalah suatu alat yang mampu mengubah energi panas matahari menjadi energi listrik. Dalam perkembangan energi listrik mampu dimanfaatkan menjadi berbagai macam energi lainnya, salah satu contohnya energi gerak. Secara sederhana solar cell terdiri dari persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika terkena sinar matahari maka akan terjadi aliran electron, dan aliran electron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik.
Sumber:
Zainal Arifin, Dr., MT. dan Martubi, Drs., M.Pd., MT.: 2018. MODUL DASAR TEKNOLOGI OTOMOTIF. Direktorat Pembelajaran, Dit Belmawa, Kemenristekdikti RI.