Efisiensi termal

Dalam termodinamika, efisiensi termal adalah ukuran tanpa dimensi yang menunjukkan performa peralatan termal seperti mesin pembakaran dalam dan sebagainya. Panas yang masuk adalah energi yang didapatkan dari sumber energi. Output yang diinginkan dapat berupa panas atau kerja, atau mungkin keduanya. Jadi, termal efisiensi dapat dirumuskan dengan

$\eta _{th}\equiv {\frac {\text{Berapa yang didapatkan}}{\text{Berapa yang dimasukan}}}.$

Berdasarkan hukum pertama termodinamika, output tidak bisa melebihi input, sehingga

$0\leq \eta _{th}\leq 1$

Ketika ditulis dalam persentase, efisiensi termal harus berada di antara 0% dan 100%. Karena inefisiensi seperti gesekan, hilangnya panas, dan faktor lainnya, efisiensi termal mesin tidak pernah mencapai 100%. Seperti contoh, mesin mobil bensin memiliki efisiensi 25%, dan mesin pembangkit listrik tenaga batu bara yang besar memiliki efisiensi maksimum 46%. Mesin diesel terbesar di dunia memiliki efisiensi maksimum 51,7%.

Mesin kalor

Ketika mengubah energi termal menjadi energi mekanik (kerja), efisiensi termal dari mesin kalor adalah persentase dari energi panas yang ditransformasikan menjadi kerja. Efisiensi mekanik dapat didefinisikan dengan

$\eta _{th}\equiv {\frac {W_{keluar}}{Q_{masuk}}}=1-{\frac {Q_{keluar}}{Q_{masuk}}}$

Efisiensi Carnot

Hukum kedua termodinamika menaruh batas fundamental pada efisiensi termal dari mesin kalor. Dan secara mengejutkan, bahkan mesin ideal yang tak memiliki gesekan tidak bisa mengubah seluruhnya panas yang masuk menjadi kerja. Faktor yang membatasi diantaranya temperatur panas yang masuk ke mesin, $T_{H}\,$, dan temperatur pembuangan, $T_{C}\,$, yang diukur dengan suhu mutlak Kelvin.

$\eta _{th}\leq 1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}\,$

Batas nilai ini dinamakan efisiensi siklus Carnot karena siklus yang menggerakannya dinamakan siklus Carnot. Di dunia ini belum ada mesin kalor yang bisa melebihi efisiensi ini, bagaimanapun desainnya.

Contoh dari $T_{H}\,$ adalah temperatur dari uap panas yang menggerakkan turbin pembangkit listrik, atau temperatur bahan bakar yang dibakar di mesin pembakaran dalam. $T_{C}\,$ biasanya adalah temperatur di mana mesin itu berada, atau temperatur air danau / laut di mana panas dari pembangkit listrik dibuang.

Dalam kenyataannya, tidak ada mesin yang mampu mengoperasikan siklus yang menyamai efisiensi mesin Carnot. Mesin Carnot hanya berlaku pada mesin yang menggunakan kalor sebagai inputnya. Mesin yang tidak membakar bahan bakar untuk menjadikannya kerja seperti fuel cell, memiliki efisiensi yang melebihi efisiensi Carnot.

Karena $T_{C}\,$ bergantung pada temperatur di mana mesin berada, peran pendingin mesin sangat berguna untuk meningkatkan efisiensi mesin.

Konversi energi

Untuk alat konversi seperti pemanas ruangan, boiler, atau pembakar, efisiensi termalnya dirumuskan dengan

$\eta _{th}\equiv {\frac {Q_{keluar}}{Q_{masuk}}}$.

Sehingga untuk boiler yang memproduksi 210 kW panas dengan input 300 kW bahan bakar memiliki efisiensi sebesar 210/300=0,70, atau 70%. Ini berarti, 30% energi terbuang ke lingkungan.

Pompa kalor

Pompa kalor, pendingin ruangan, dan lemari es menggunakan kerja untuk memindahkan panas dari area yang lebih dingin ke area yang lebih panas, sehingga fungsi kerjanya berlawanan dengan mesin kalor. Efisiensi mereka diukur dengan koefisien performa (COP). Karena pompa kalor pada dasarnya adalah konsep mesin kalor yang dibalik, efisiensi mereka juga dibatasi oleh efisiensi siklus Carnot. Namun karena pompa kalor memindahkan kalor dengan menggunakan kerja, bukan menggunakan kalor untuk menghasilkan kerja, maka efisiensi mereka dapat melebihi 100%.

$\mathrm {COP} _{\mathrm {pendinginan} }\leq {\frac {T_{C}}{T_{H}-T_{C}}}\,$

Referensi

• Howell John R and Buckius Richard O. 1987. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. New York: McGraw-Hill