Prinsip Kerja Air Conditioner (AC) - Riki Ardoni.pdf

Prinsip kerja Air conditioner (AC) sangat dipengaruhi dari pemahaman kita terkait sifat Fisika sitem AC dan sifat kimia dari refrigerant. dengan demikian, pada tulisan kali ini saya akan menjelaskan dari kedua sudut pandang tersebut disamping pemahaman kita terhadap sifat mekanis mesin atau bagian part alat yang digunakan dalam AC.

1. PRINSIP KERJA

AC (Air Conditioner)

By RIKI ARDONI


 Kompresor
 Kondensor
 Katup Ekspansi
 Evaporator

2. PRINSIP KERJA AC

Air conditioner (AC) berfungsi untuk mendinginkan ruangan dengan mengeluarkan
panas dari dalam ruangan ke luar. Proses pendinginan ini melibatkan beberapa
komponen utama: kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Berikut
adalah langkah-langkah prinsip kerja AC:
1. Kompresor: Refrigeran dalam bentuk gas ditekan oleh kompresor, menaikkan
tekanannya. Peningkatan tekanan ini juga menyebabkan suhu refrigeran naik.
2. Kondensor: Gas bertekanan tinggi yang panas ini mengalir ke kondensor. Di
sini, gas melepaskan panas ke lingkungan luar dan berubah menjadi cairan
karena pendinginan.
3. Katup Ekspansi: Refrigeran cair bertekanan tinggi mengalir melalui katup
ekspansi. Saat melalui katup ini, tekanannya turun drastis, menyebabkan
sebagian cairan menguap dan suhunya turun.
4. Evaporator: Refrigeran bertekanan rendah dan bersuhu rendah ini mengalir
melalui evaporator. Di sini, refrigeran menyerap panas dari udara dalam
ruangan sehingga refrigeran kembali berubah menjadi gas. Udara dingin yang
dihasilkan oleh evaporator kemudian disirkulasikan ke dalam ruangan.

3. 5. Kembali ke Kompresor: Siklus ini berulang saat refrigeran dalam bentuk gas
kembali ke kompresor untuk dipadatkan lagi.

Hubungan dengan Hukum Volume dan Tekanan Fluida
AC bekerja berdasarkan prinsip-prinsip termodinamika dan hukum gas ideal.
Hubungan antara volume, tekanan, dan suhu fluida diatur oleh hukum-hukum fisika
berikut:
1. Hukum Lavoisier: hukum Lavoisier atau hukum kekekalan massa merupakan
hukum dasar kimia yang dicetuskan oleh ilmuwan asal Perancis bernama
Antonie Laurent Lavoisier. Adapun bunyi hukum kekekalan massa tersebut ialah
“Dalam suatu reaksi kimia, massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah
sama”. Hukum ini dapat dinyatakan dengan rumus: Σ massa reaktan =Σ
massa produk.
Hukum Lavoisier atau hukum kekekalan massa terjadi pada sistem AC (Air
Conditioning). Inti dari Hukum Lavoisier adalah:
 Dalam sistem tertutup, massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah
sama (tetap/konstan).
 Massa sistem tertutup adalah konstan, bahkan jika proses yang
berbeda terjadi dalam sistem.
Pada sistem AC, refrigeran (gas pendingin) mengalami perubahan fase dari gas
menjadi cairan saat melewati kompressor. Namun, massa refrigeran di dalam
sistem AC tetap konstan, sesuai dengan hukum Lavoisier. Meskipun volume
refrigeran berubah saat melewati kompressor, massa refrigeran tidak berubah.
Hal ini karena massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya berubah
bentuk. Rumus massa adalah m = ρ x V. dikarenakan massa konstan, ρ x V =
k. maka: ρ₁V₁ = ρ₂V₂ Dimana:
 ρ₁ adalah massa jenis refrigeran pada volume awal (V₁)
 ρ₂ adalah massa jenis refrigeran pada volume akhir (V₂)
 V₁ adalah volume awal refrigeran
 V₂ adalah volume akhir refrigeran
Prinsipnya adalah, meskipun volume berubah, massa refrigeran tetap konstan.
Sehingga, perkalian antara massa jenis dan volume pada kondisi awal sama
dengan perkalian antara massa jenis dan volume pada kondisi akhir.
2. Hukum Boyle: Menyatakan bahwa untuk jumlah gas tertentu pada suhu
konstan, volume gas berbanding terbalik dengan tekanannya. P x V =
konstan atau P1V1 = P2V2. Kondisi: Suhu (T) dan jumlah mol (n) gas tetap
konstan. Kompressor AC berfungsi untuk mengompresikan gas refrigeran

4. (freon) sehingga tekanannya meningkat. Saat gas refrigeran masuk ke dalam
kompressor, volume gas akan berkurang karena adanya proses kompresi (gas
ditekan).
Proses perubahan volume ini terjadi di dalam silinder kompressor, di mana
piston akan bergerak naik-turun untuk menekan gas refrigeran. Saat piston
bergerak turun, volume di dalam silinder akan membesar sehingga gas
refrigeran dapat masuk. Kemudian saat piston bergerak naik, volume di dalam
silinder akan mengecil sehingga gas refrigeran akan terkompresi.
3. Hukum Charles: Menyatakan bahwa untuk gas pada tekanan konstan,
volume gas berbanding lurus dengan suhu absolutnya. V ∝ T. Dalam AC,
refrigeran memanas saat tekanan meningkat di kompresor dan mendingin saat
tekanan menurun di katup ekspansi.
4. Hukum Gay-Lussac: Menyatakan bahwa untuk volume gas konstan, tekanan
gas berbanding lurus dengan suhu absolutnya. P ∝ T atau P1/T1 = P2/T2.
Kondisi: Volume (V) dan jumlah mol (n) gas tetap konstan. Saat refrigeran
dipanaskan di kondensor, tekanannya meningkat meskipun volumenya tetap
konstan.
5. Persamaan Kontinuitas: Dalam sistem tertutup seperti AC, aliran massa
fluida tetap konstan. Ini berarti bahwa perubahan tekanan dan volume harus
memenuhi persamaan kontinuitas A1V1 = A2V2. di mana A adalah luas
penampang dan V adalah kecepatan aliran. Jadi, jika luas penampang
mengecil, kecepatan fluida meningkat, dan jika luas penampang membesar,
kecepatan fluida menurun.
6. Hukum Termodinamika : Proses pendinginan melibatkan perubahan energi
internal dan kerja yang dilakukan oleh sistem. Siklus kompresi dan ekspansi
refrigeran sesuai dengan siklus Carnot yang ideal.
Dengan memahami prinsip-prinsip ini, kita bisa melihat bagaimana AC bekerja untuk
mengubah tekanan dan volume refrigeran untuk menghasilkan pendinginan yang
efisien.
Agar lebih jelas, mari kita bahas cara kerja AC berdasarkan Hukum Fisika dan Kimia
yang terjadi dalam setiap siklus kerja AC tersebut. Berikut saya akan menjelaskan
prinsip kerja AC secara detail mulai dari kompresor disertai dengan hukum fisika dan
rumusnya satu persatu

5. PRINSIP KERJA AC DISERTAI DENGAN
HUKUM FISIKA

Sistem AC (Air Conditioner) bekerja berdasarkan prinsip siklus refrigerasi, yang
melibatkan kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Prinsip dasar dari
kerja AC adalah memindahkan panas dari dalam ruangan ke luar ruangan,
menggunakan refrigeran sebagai media pengantar panas. Berikut adalah penjelasan
detail tentang prinsip kerja AC:
1. KOMPRESOR
Kompresor adalah komponen pertama dalam siklus AC. Kompresor bertanggung
jawab untuk mengompresi refrigeran dalam bentuk gas sehingga tekanan dan
temperaturnya naik.
a) Proses
o Refrigeran gas bertekanan rendah dan bersuhu rendah memasuki
kompresor.
o Kompresor memampatkan gas refrigeran, yang meningkatkan
tekanannya dan suhu gas tersebut.

b) Hukum Fisika yang Berlaku:
 Hukum Gas Ideal: PV = nRT

6. o P : Tekanan
o V : Volume
o n : Jumlah mol gas
o R : Konstanta gas ideal
o T : Temperatur
Efek: Ketika gas refrigeran dikompresi, volumenya menurun dan tekanannya
meningkat, yang juga menyebabkan kenaikan suhu.
 Hukum Boyle: P x V = konstan atau P1V1 = P2V2.
o Dimana tekanan (P) dan volume (V) gas berbanding terbalik pada
suhu konstan.
Efek: Dalam kasus ini, volume gas berkurang saat tekanan meningkat.

2. KONDENSOR
Refrigeran yang bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi kemudian dialirkan ke
kondensor. Di sini, refrigeran melepaskan panas ke lingkungan luar, biasanya
menggunakan kipas untuk membantu pendinginan. Saat refrigeran melepaskan
panas, ia berubah dari bentuk gas menjadi cairan.
a) Proses
o Gas refrigeran bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi mengalir melalui
kondensor.
o Di kondensor, refrigeran melepaskan panas ke lingkungan luar dan
berubah menjadi cairan.

b) Hukum Fisika yang Berlaku:
 Hukum Perpindahan Panas:
Energi panas ditransfer dari refrigeran ke lingkungan luar. Dengan
melepaskan panas, refrigeran berubah dari gas ke cairan.
Q = mcΔT
o Q : Kalor

7. o m : Massa
o c : Kapasitas panas
o ΔT : Perubahan temperatur
Efek: Refrigeran melepaskan kalor ke udara luar, menyebabkan temperatur
refrigeran turun dan refrigeran berubah dari gas bertekanan tinggi
menjadi cairan bertekanan tinggi.

3. KATUP EKSPANSI
Refrigeran cair bertekanan tinggi kemudian melewati katup ekspansi. Di sini, tekanan
refrigeran turun secara tiba-tiba, menyebabkan sebagian refrigeran menguap dan
mendinginkan sisa cairan.
a) Proses
o Refrigeran cair bertekanan tinggi melewati katup ekspansi (atau
perangkat ekspansi lainnya).
o Tekanan refrigeran menurun secara drastis, yang menyebabkan suhu
refrigeran juga turun.
b) Hukum Fisika yang Berlaku:
 Hukum Charles: V∝T pada tekanan konstan. Penurunan tekanan
menyebabkan penurunan suhu dan volume refrigeran.
 Hukum Boyle: Penurunan tekanan menyebabkan peningkatan volume
jika suhu tetap konstan.
 Hukum Termodinamika: Penurunan tekanan dan suhu terjadi pada
proses ini. Refrigeran menjadi cairan dingin dan bertekanan rendah.
Efek: Refrigeran menjadi dingin dan bertekanan rendah, siap untuk memasuki
evaporator.

8. 4. EVAPORATOR
Refrigeran yang telah bertekanan rendah dan dingin kemudian mengalir ke
evaporator. Di evaporator, refrigeran menyerap panas dari udara dalam ruangan,
menyebabkan refrigeran berubah kembali menjadi gas. Proses ini mendinginkan udara
yang kemudian disirkulasikan ke seluruh ruangan.
a) Proses
o Refrigeran cair bertekanan rendah dan bersuhu rendah mengalir ke
evaporator.
o Refrigeran menyerap panas dari udara dalam ruangan dan menguap
menjadi gas.

b) Hukum Fisika yang Berlaku:
1. Hukum Perpindahan Panas:
Q = mcΔT
 Q: Kalor yang diserap atau dilepaskan
 m: Massa refrigeran
 c: Kapasitas panas spesifik
 ΔT: Perubahan suhu
2. Hukum Termodinamika I:
Hukum ini menyatakan bahwa energi total dalam sistem tertutup tetap
konstan. “Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat
berubah bentuk”. Dalam konteks evaporator, energi panas dari udara dalam
ruangan diserap oleh refrigeran, mengubah refrigeran dari cair menjadi gas.
ΔU = Q - W
 ΔU: Perubahan energi dalam sistem
 Q: Kalor yang diserap oleh sistem
 W: Kerja yang dilakukan oleh sistem
Jadi, dalam evaporator, refrigeran menyerap kalor (Q) dari udara dalam
ruangan, yang menyebabkan peningkatan energi dalam (ΔU) refrigeran,
mengubahnya dari cair menjadi gas tanpa melakukan kerja eksternal (W)
dalam proses tersebut.
Efek: Refrigeran menyerap panas dari udara dalam ruangan, menyebabkan
temperatur udara turun dan udara menjadi lebih dingin. Refrigeran
berubah dari cairan menjadi gas kembali.

9. Ringkasan Tahapan Siklus AC

1. Kompresi (Kompresor): Gas refrigeran dikompresi, tekanan dan temperatur
meningkat.
2. Kondensasi (Kondensor): Di dalam kondensor, refrigeran melepaskan panas
yang telah diserap saat menguap dan berubah kembali menjadi cair. Proses ini
melepaskan energi dalam bentuk panas ke lingkungan, yang biasanya
dilakukan oleh kipas atau air pendingin.
3. Ekspansi (Katup Ekspansi): Tekanan refrigeran turun, sebagian menguap,
suhu turun.
4. Evaporasi/Penguapan (Evaporator): Di dalam evaporator, refrigeran
menyerap panas dari lingkungan sekitarnya dan berubah dari cair menjadi gas.
Proses ini membutuhkan banyak energi dalam bentuk panas, yang diambil dari
lingkungan sekitarnya, sehingga menyebabkan pendinginan.
Dengan memahami prinsip-prinsip ini, kita dapat melihat bagaimana AC
memanfaatkan perubahan fasa dan hukum-hukum fisika untuk memindahkan panas
dan mendinginkan ruangan secara efektif.

10. PROSES KIMIA DALAM CARA KERJA AC
Dalam sistem AC (Air Conditioner), proses yang dominan adalah proses fisika,
terutama yang berkaitan dengan perpindahan panas dan perubahan fasa refrigeran.
Namun, ada beberapa aspek kimia yang juga berperan, terutama dalam pemilihan
dan penggunaan refrigeran. Berikut adalah beberapa proses kimia yang mungkin
terlibat:
AC (air conditioner) menggunakan refrigeran untuk mendinginkan suhu ruangan
karena refrigeran memiliki sifat termodinamika yang memungkinkan proses
pendinginan berlangsung secara efisien.
Salah satu alasan utama refrigeran digunakan dalam sistem AC adalah karena titik
didihnya yang rendah. Titik didih rendah ini memungkinkan refrigeran untuk menyerap
panas dari lingkungan pada suhu yang lebih rendah. Berikut penjelasan lebih detail:
 Penyerap Panas pada Suhu Rendah : Karena refrigeran memiliki titik didih
yang rendah, ia dapat menguap pada suhu yang lebih rendah. Ketika refrigeran
cair menguap di dalam evaporator, ia menyerap panas dari udara di dalam
ruangan. Proses ini menurunkan suhu udara dalam ruangan, membuatnya lebih
sejuk.
 Efisiensi Termal: Titik didih rendah memungkinkan refrigeran untuk menguap
dan menyerap sejumlah besar panas dengan perubahan fase dari cair ke gas.
Proses ini sangat efisien dalam mentransfer energi panas, yang merupakan inti
dari operasi pendinginan.
 Perpindahan Panas yang Efektif: Setelah refrigeran menyerap panas dan
berubah menjadi gas, ia kemudian dikompresi dan dikondensasikan
kembali menjadi cair di kondensor. Proses kondensasi ini melepaskan panas
yang telah diserap, yang kemudian dibuang ke udara luar. Karena refrigeran
memiliki titik didih yang rendah, ia dapat melepaskan panas ini dengan efisien
pada suhu yang relatif rendah juga.
 Kontrol dan Keamanan: Titik didih yang rendah juga memudahkan kontrol
tekanan dalam sistem pendingin. Sistem pendingin dapat didesain untuk
beroperasi pada tekanan yang relatif rendah, yang bisa meningkatkan
keamanan dan kehandalan sistem.
Jadi, titik didih yang rendah adalah salah satu karakteristik penting dari refrigeran
yang membuatnya efektif dalam sistem pendingin seperti AC.

11. TITIK DIDIH REFRIGERAN
Titik didih refrigeran bervariasi tergantung pada jenis refrigeran yang digunakan.
Berikut beberapa contoh titik didih dari beberapa refrigeran yang umum:
1. R-22 (Chlorodifluoromethane): Titik didih sekitar -40,8°C (-41,4°F) pada
tekanan atmosfer.
2. R-134a (1,1,1,2-Tetrafluoroethane): Titik didih sekitar -26,3°C (-15,3°F)
pada tekanan atmosfer.
3. R-410A (Campuran dari R-32 dan R-125) : Titik didih sekitar -48,5°C (-
55,3°F) pada tekanan atmosfer.
4. R-32 (Difluorometana): Titik didih sekitar -51,7°C (-61,1°F) pada tekanan
atmosfer.
5. R-290 (Propane): Titik didih sekitar -42°C (-43,6°F) pada tekanan atmosfer.

Titik didih yang rendah ini memungkinkan refrigeran untuk menguap pada suhu yang
lebih rendah, sehingga dapat menyerap panas dari udara di dalam ruangan dengan
efisien. Dalam sistem AC, refrigeran menguap pada suhu yang cukup rendah untuk
menyerap panas dari udara di ruangan dan kemudian melepaskan panas tersebut di
luar ruangan.