SIKLUS OTTO: FASE, KINERJA, APLIKASI, LATIHAN TERSELESAIKAN - FISIK - 2025

The siklus Otto adalah siklus termodinamika yang terdiri dari dua proses isochoric dan dua proses adiabatik. Siklus ini terjadi pada fluida termodinamika yang dapat dimampatkan. Itu dibuat oleh insinyur Jerman Nikolaus Otto pada akhir abad ke-19, yang menyempurnakan mesin pembakaran internal, pendahulu yang ditemukan di mobil modern. Kemudian putranya Gustav Otto mendirikan perusahaan BMW yang terkenal.

Siklus Otto diterapkan pada mesin pembakaran internal yang bekerja dengan campuran udara dan bahan bakar yang mudah menguap seperti bensin, gas, atau alkohol, dan yang pembakarannya dimulai dengan percikan listrik.

Gambar 1. Mobil dalam kompetisi Nascar. Sumber: Pixabay.

Fase siklus Otto

Langkah-langkah siklus Otto adalah:

1. Kompresi adiabatik (tanpa pertukaran panas dengan lingkungan).
2. Penyerapan energi panas dalam bentuk isokorik (tanpa mengubah volume).
3. Ekspansi adiabatik (tanpa pertukaran panas dengan lingkungan).
4. Pengusiran energi panas dalam bentuk isokorik (tanpa mengubah volume).

Gambar 2, yang ditunjukkan di bawah, menunjukkan berbagai fase siklus Otto dalam diagram PV (tekanan-volume).

Gambar 2. Diagram PV siklus Otto. Sumber: buatan sendiri.

Aplikasi

Siklus Otto berlaku sama untuk mesin pembakaran internal empat langkah dan dua langkah.

-Mesin 4 tak

Mesin ini terdiri dari satu atau lebih piston dalam satu silinder, masing-masing dengan satu (atau dua) katup masuk dan satu (atau dua) katup buang.

Disebut seperti ini karena pengoperasiannya tepat empat kali atau tahapan yang ditandai dengan baik yaitu:

1. Pengakuan.
2. Kompresi.
3. Ledakan.
4. Pelarian.

Tahapan atau waktu ini terjadi selama dua putaran poros engkol, karena piston turun dan naik di kali 1 dan 2, dan lagi turun dan naik di kali 3 dan 4.

Di bawah ini kami menjelaskan secara rinci apa yang terjadi selama tahapan ini.

Langkah 1

Menurunkan piston dari titik tertinggi dengan katup masuk terbuka dan katup buang tertutup, sehingga campuran udara-bahan bakar ditarik ke dalam piston saat turun.

Asupan terjadi selama langkah OA dari diagram siklus Otto pada tekanan atmosfer PA. Pada tahap ini campuran udara-bahan bakar telah dimasukkan, yaitu fluida yang dapat dikompresi dimana tahapan AB, BC, CD dan DA dari siklus Otto akan diterapkan.

Langkah 2

Sesaat sebelum piston mencapai titik terendah, kedua katup menutup. Kemudian ia mulai naik sedemikian rupa sehingga memampatkan campuran udara-bahan bakar. Proses kompresi ini terjadi begitu cepat sehingga hampir tidak ada panas di sekitarnya. Dalam siklus Otto ini sesuai dengan proses adiabatik AB.

LANGKAH 3

Pada titik tertinggi piston, dengan campuran yang dikompresi dan katup ditutup, pembakaran campuran yang eksplosif yang dimulai oleh percikan api terjadi. Ledakan ini sangat cepat sehingga piston hampir tidak turun.

Dalam siklus Otto, ini sesuai dengan proses BC isokorik dimana panas diinjeksikan tanpa perubahan volume yang berarti, akibatnya meningkatkan tekanan campuran. Panas disediakan oleh reaksi kimia dari pembakaran oksigen di udara dengan bahan bakar.

LANGKAH 4

Campuran tekanan tinggi mengembang menyebabkan piston turun sementara katup tetap tertutup. Proses ini terjadi begitu cepat sehingga pertukaran panas dengan bagian luar dapat diabaikan.

Pada titik ini pekerjaan positif dilakukan pada piston, yang disalurkan oleh batang penghubung ke poros engkol yang menghasilkan gaya penggerak. Dalam siklus Otto ini sesuai dengan CD proses adiabatik.

LANGKAH 5

Selama bagian bawah langkah, panas dikeluarkan melalui silinder ke dalam refrigeran, tanpa perubahan volume yang berarti. Dalam siklus Otto ini sesuai dengan proses isochoric DA.

LANGKAH 6

Pada bagian akhir langkah piston, campuran yang terbakar dikeluarkan oleh katup buang yang tetap terbuka, sedangkan katup masuk ditutup. Keluarnya gas yang terbakar terjadi selama langkah AO dalam diagram siklus Otto.

Seluruh proses diulangi dengan masuk melalui katup masuk dari campuran udara-bahan bakar baru.

Gambar 3. Mesin empat langkah. Sumber: pixabay

Pekerjaan bersih dilakukan dalam siklus Otto

Siklus Otto bekerja seperti mesin pemanas dan dijalankan searah jarum jam.

Pekerjaan W yang dilakukan oleh gas yang mengembangkan dinding yang menampungnya dihitung dengan rumus berikut:

Dimana Vi adalah volume awal dan Vf adalah volume akhir.

Dalam siklus termodinamika, pekerjaan jaringan sesuai dengan luas yang tertutup dalam siklus diagram P - V.

Dalam kasus siklus Otto, ini sesuai dengan pekerjaan mekanis yang dilakukan dari A ke B ditambah kerja mekanis yang dilakukan dari C ke D. Antara B dan C, pekerjaan yang dilakukan adalah nol karena tidak ada perubahan volume. Demikian pula antara D dan A pekerjaan adalah nol.

Pekerjaan dilakukan dari A ke B

Misalkan kita mulai dari titik A, di mana volume Va, tekanan Pa dan suhunya Ta diketahui.

Dari titik A ke titik B kompresi adiabatik dilakukan. Dalam kondisi kuasi-statis, proses adiabatik sesuai dengan hukum Poisson, yang menyatakan bahwa:

Dimana γ adalah hasil bagi adiabatik yang didefinisikan sebagai hasil bagi antara panas jenis pada tekanan konstan dan panas jenis pada volume konstan.

Jadi pekerjaan yang dilakukan dari A ke B akan dihitung dengan relasi:

Setelah mengambil integral dan menggunakan rasio Poisson untuk proses adiabatik, kita mendapatkan:

Dimana r adalah rasio kompresi r = Va / Vb.

Pekerjaan dilakukan dari C ke D

Demikian pula pekerjaan yang dilakukan dari C ke D akan dihitung dengan integral:

Yang hasilnya

Dimana r = Vd / Vc = Va / Vb adalah rasio kompresi.

Pekerjaan bersih akan menjadi jumlah dari dua pekerjaan:

Panas bersih dalam siklus Otto

Dalam proses dari A ke B dan dari C ke D tidak ada panas yang ditukar karena merupakan proses adiabatik.

Untuk proses dari B ke C, tidak ada pekerjaan yang dilakukan dan panas yang diberikan oleh pembakaran meningkatkan energi internal gas dan oleh karena itu suhunya dari Tb ke Tc.

Demikian pula pada proses dari D ke A terjadi perpindahan kalor yang juga dihitung sebagai:

Panas bersih akan menjadi:

kinerja

Performa atau efisiensi motor siklik dihitung dengan mencari hasil bagi antara kerja bersih yang dilakukan dan panas yang disuplai ke sistem untuk setiap siklus operasi.

Jika hasil sebelumnya diganti dengan ekspresi sebelumnya dan dibuat asumsi bahwa campuran udara bahan bakar berperilaku sebagai gas ideal, maka efisiensi teoritis siklus tercapai, yang hanya bergantung pada rasio kompresi:

Latihan siklus Otto dipecahkan

-Latihan 1

Mesin bensin empat langkah 1.500 cc dengan rasio kompresi 7,5 bekerja di lingkungan dengan tekanan atmosfer 100 kPa dan 20 derajat Celcius. Tentukan pekerjaan bersih yang dilakukan per siklus. Asumsikan bahwa pembakaran menghasilkan 850 Joule untuk setiap gram campuran udara-bahan bakar.

Larutan

Ekspresi kerja bersih telah dihitung sebelumnya:

Kita perlu menentukan volume dan tekanan pada titik B dan C dari siklus untuk menentukan kerja bersih yang dilakukan.

Volume pada titik A dimana silinder telah terisi campuran udara-bensin adalah perpindahan 1500 cc. Pada titik B volumenya adalah Vb = Va / r = 200 cc.

Volume di titik C juga 200 cc.

Perhitungan tekanan pada A, B dan C

Tekanan di titik A adalah tekanan atmosfer. Tekanan pada titik B dapat dihitung menggunakan rasio Poisson untuk proses adiabatik:

Mempertimbangkan bahwa campuran sebagian besar adalah udara yang dapat diperlakukan sebagai gas ideal diatomik, koefisien adiabatik gamma mengambil nilai 1,4. Maka tekanan di titik B akan menjadi 1837,9 kPa.

Volume titik C sama dengan volume titik B yaitu 200 cc.

Tekanan di titik C lebih tinggi daripada di titik B karena kenaikan suhu akibat pembakaran. Untuk menghitungnya kita perlu mengetahui seberapa besar kontribusi panas dari pembakaran.

Panas yang dihasilkan dari pembakaran sebanding dengan jumlah campuran yang dibakar.

Menggunakan persamaan gas ideal:

Jadi kalor yang disumbangkan oleh pembakaran adalah 1,78 gram x 850 Joule / gram = 1513 Joule. Hal ini menyebabkan kenaikan suhu yang dapat dihitung dari

Tb dapat dihitung dari persamaan state yang menghasilkan 718 K, jadi untuk data kita nilai Tc yang dihasilkan adalah 1902 K.

Tekanan pada titik C diberikan oleh persamaan keadaan yang diterapkan pada titik tersebut menghasilkan 4868,6 kPa.

Pekerjaan bersih per siklus kemudian 838,5 Joule.

-Latihan 2

Tentukan efisiensi atau kinerja motor dari Latihan 1. Dengan asumsi motor berjalan pada 3000 rpm, tentukan dayanya.

Larutan

Membagi kerja bersih dengan panas yang disuplai memberikan efisiensi 55,4%. Hasil ini sesuai dengan yang diperoleh dengan penerapan langsung rumus efisiensi sebagai fungsi rasio kompresi.

Tenaga adalah pekerjaan yang dilakukan per satuan waktu. 3000 rpm sama dengan 50 putaran per detik. Tetapi siklus Otto diselesaikan untuk setiap dua putaran mesin karena ini adalah mesin empat langkah, seperti yang kami jelaskan sebelumnya.

Artinya dalam satu detik siklus Otto diulang sebanyak 25 kali sehingga usaha yang dilakukan adalah 25 x 838,5 Joule dalam satu detik.

Ini sesuai dengan daya 20,9 kilowatt yang setara dengan 28 tenaga kuda.

Referensi

1. Siklus termodinamika. Diperoleh dari: fis.puc.cl
2. Martín, T. dan Serrano, siklus A. Otto. Diperoleh dari: 2.montes.upm.es.
3. Universitas Sevilla. Wiki dari Departemen Fisika Terapan studi kasus siklus Otto. Diperoleh dari: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Siklus Otto. Diperoleh dari: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Mesin Otto. Diperoleh dari: es.wikipedia.com