MESIN KONVERSI ENERGI

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.