Pompa Kalor dan Lemari Es

22,2 Pompa Kalor dan Lemari Es 

  

Dalam sebuah mesin kalor, arah transfer energi dari reservoir panas ke reservoir dingin, yang merupakan arah alami. Peran mesin kalor untuk memproses energi dari reservoir panas sehingga dapat melakukan usaha yang berguna. Bagaimana jika kita ingin mentransfer energi dari reservoir dingin ke reservoir panas? Karena itu bukan arah alam transfer energi, kita harus memberikan beberapa energi ke dalam perangkat agar berhasil. Perangkat yang melakukan tugas ini disebut pompa kalor dan lemari es. Sebagai contoh, rumah-rumah di musim panas didinginkan menggunakan pompa kalor yang disebut Air Conditioners (AC). AC mentransfer energi dari ruangan dingin di dalam rumah ke udara hangat di luar.

Dalam lemari es atau pompa kalor, mesin membutuhkan energi |Q_c| dari reservoir dingin dan membuang energi |Q_h| ke reservoir panas (Gambar 22.4.), Yang dapat dicapai hanya jika usaha dilakukan pada mesin. Dari hukum pertama, kita tahu bahwa energi yang diberikan sampai ke reservoir panas harus sama dengan jumlah usaha yang dilakukan dan energi yang diambil dari reservoir dingin. Oleh karena itu, lemari es atau pompa kalor memindahkan energi dari tubuh dingin (misalnya, isi lemari es dapur atau udara dingin di luar gedung) kepada tubuh yang lebih panas (udara di dapur atau ruang dalam bangunan). Dalam prakteknya, hal ini diinginkan untuk melaksanakan proses ini dengan minimum usaha. Jika proses dapat dicapai tanpa melakukan usaha apapun, kulkas atau pompa kalor akan menjadi "sempurna" (Gambar 22.5). Sekali lagi, keberadaan alat tersebut akan melanggar hukum kedua termodinamika, yang dalam bentuk Clausius statement menyatakan:
Tidak mungkin untuk membangun sebuah mesin siklus yang dampak utamanya adalah untuk mentransfer energi secara terus menerus oleh kalor dari satu objek ke objek lain pada suhu tinggi tanpa masukan energi oleh usaha.

Dalam istilah sederhana, energi tidak mengalihkan secara spontan oleh kalor dari benda dingin ke benda panas. Masukan usaha diperlukan untuk menlintasankan kulkas. 

Pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck dari hukum kedua termodinamika muncul pada pandangan pertama menjadi tidak berhubungan, tetapi sebenarnya mereka setara dalam segala hal. Meskipun kita tidak membuktikannya di sini, jika pernyataan yang satu salah, begitu juga yang lain.

Dalam prakteknya, sebuah pompa kalor termasuk cairan yang beredar yang melewati dua set kumparan logam yang dapat bertukar energi dengan lingkungan. Fluida dingin dan pada tekanan rendah bila dalam kumparan yang terletak di lingkungan yang dingin, di mana ia menyerap energi oleh kalor. Yang dihasilkan cairan hangat kemudian dimampatkan dan memasuki kumparan lain ketika cairan bertekanan tinggi dan panas. Ia melepaskan energi yang disimpan ke lingkungan yang hangat. Dalam sebuah AC, energi diserap ke dalam cairan dalam gulungan yang terletak di interior bangunan, setelah cairan dimampatkan, energi meninggalkan cairan melalui kumparan yang terletak di luar ruangan. Dalam kulkas, kumparan eksternal berada di belakang atau di bawah unit (Gambar 22.6). Kumparan internal di dinding lemari es dan menyerap energi dari makanan.

Efektivitas pompa kalor dijelaskan dalam bentuk bilangan yang disebut koefisien kinerja (coefficient of performance/COP). COP ini mirip dengan efisiensi termal untuk mesin kalor bahwa itu adalah rasio dari apa yang Anda dapatkan (energi yang ditransfer ke atau dari reservoir) terhadap apa yang Anda berikan (usaha input). Untuk pompa kalor beroperasi dalam modus pendinginan, "apa yang Anda dapatkan" adalah energi yang dibuang dari reservoir dingin. Kulkas yang paling efektif atau AC adalah salah satu yang menghilangkan jumlah terbesar energi dari reservoir dingin dalam pertukaran untuk sedikit usaha. Oleh karena itu, untuk perangkat ini yang beroperasi dalam modus pendinginan, kita mendefinisikan COP dalam bentuk |Q_c|:

                            (22.3)

Sebuah lemari es yang baik harus memiliki COP yang tinggi, biasanya 5 atau 6.

Selain aplikasi pendinginan, pompa kalor menjadi semakin populer untuk tujuan pemanasan. Kumparan menyerap energi untuk pompa kalor yang terletak di luar bangunan, kontak dengan udara atau terkubur di dalam tanah. Set yang lain dari kumparan terletak dalam interior bangunan. Sirkulasi fluida yang mengalir melalui kumparan menyerap energi dari luar dan dilepaskan ke interior bangunan dari kumparan interior.

Dalam modus pemanasan, COP dari pompa kalor didefinisikan sebagai rasio energi yang ditransfer ke reservoir kalor terhadap usaha yang diperlukan untuk mentransfer energi itu:

                            (22.4)

Jika suhu di luar adalah 25 ⁰F (-4 ⁰C) atau lebih tinggi, nilai khas dari COP untuk pompa kalor adalah sekitar 4. Artinya, jumlah energi yang ditransfer ke bangunan sekitar empat kali lebih besar dari usaha yang dilakukan oleh motor di pompa kalor. Ketika suhu di luar turun, namun, menjadi lebih sulit untuk pompa kalor untuk mengekstrak energi yang cukup dari udara sehingga COP menurun. Oleh karena itu, penggunaan pompa kalor yang mengekstrak energi dari udara, meskipun memuaskan di iklim sedang, tidak tepat di daerah di mana musim dingin yang suhunya sangat rendah. Hal ini dimungkinkan untuk menggunakan pompa kalor di daerah dingin dengan cara mengubur kumparan eksternal dalam tanah. Dalam hal ini, energi yang diekstraksi dari tanah, yang cenderung lebih hangat dari udara di musim dingin (Serway, 2010: 628-630).