⚙MechLearning

Termodinamika Dasar: Energi, Siklus & Efisiensi

Turbin dan kompresor adalah mesin termo-fluida: hukum pertama mengatur dayanya, hukum kedua membatasi efisiensinya. Modul ini memberi bekal siklus Rankine dan Brayton plus efisiensi isentropik — cukup untuk membaca datasheet turbin tanpa tenggelam.

◈ Fondasi⏱ 3-4 jam

Mengapa termo untuk rotating engineer

Setiap turbin mengubah entalpi menjadi putaran, setiap kompresor mengubah putaran menjadi entalpi. Hukum pertama memberi angkanya, hukum kedua memberi batasnya. Teknisi yang paham keduanya tidak akan meminta turbin 1 MW dari uap yang hanya membawa 800 kW.

Hukum pertama: energi kekal

Sistem tertutup (piston-silinder):

ΔU = Q − W

Volume kontrol tunak (turbin, kompresor, nozzle — aliran masuk = keluar):

Q̇ − Ẇ = ṁ·Δ(h + V²/2 + g·z)

Praktisnya: daya turbin ≈ ṁ·(h_in − h_out). Suku kinetik dan potensial kecil dibanding entalpi, kecuali di nozzle.

Hukum kedua: ada batasnya

η ≤ 1 − Tc/Th   (Carnot, suhu absolut)

Konsekuensinya: kondensor PLTU membuang ~60% energi bukan karena desain jelek, melainkan karena fisika. Menaikkan Th (superheater) atau menurunkan Tc (vakum kondensor) adalah dua tuas efisiensi.

Siklus Rankine (uap) dalam 1 menit

Pompa → boiler → turbin → kondensor → kembali. Fluida berubah fase, jadi daya besar dengan peralatan kompak. Rankine adalah rumah bagi turbin uap.

Siklus Brayton (gas) dalam 1 menit

Kompresor → combustor → turbin gas → buang. Fluida tetap gas. Brayton adalah rumah bagi turbin gas dan kompresor aksial. Gabungkan keduanya (gas + uap) = combined cycle, η hingga 0,6.

Efisiensi isentropik: nilai rapor mesin

Turbin:     η_t = (h1 − h2a)/(h1 − h2s)   (nyata dibagi ideal)
Kompresor:  η_c = (h2s − h1)/(h2a − h1)   (ideal dibagi nyata)

Turbin bagus 0,85–0,92; kompresor sentrifugal 0,75–0,85. Angka di bawah itu = fouling, erosi, atau clearance melebar — sinyal maintenance.

Langkah penyelesaian soal daya

  1. Dapatkan entalpi dari tabel/diagram (uap) atau cp·T (gas ideal).
  2. Hitung kerja ideal isentropik dulu.
  3. Koreksi dengan efisiensi isentropik (arahnya jangan tertukar).
  4. Kali laju alir → daya. Cek orde: turbin plant MW, bukan kW.

Ringkasan rumus

Konsep Rumus Keterangan
HK-1 tertutup ΔU = Q − W konvensi tanda diperhatikan
HK-1 volume kontrol Q̇−Ẇ = ṁ·Δ(h+V²/2+gz) daya turbomachinery
Efisiensi termal η = W_net/Q_in PLTU 0,35–0,42
Isentropik turbin (h1−h2a)/(h1−h2s) 0,85–0,92
Carnot 1 − Tc/Th batas atas, kelvin