Bagaimana Cara Kerja Kulkas Berdasarkan Termodinamika?

Mengapa kulkas bisa mendinginkan makanan? bagaimana teknologi ini bekerja dan sangat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari manusia. Bahkan hampir setiap orang saat ini setidaknya memiliki kulkas di rumahnya.

Lalu apakah kita mengetahui bagaimana cara kerja kulkas? sebenarnya seberapa peduli kita terhadap barang-barang yang ada di rumah kita. bagaimana kalau tiba-tiba ada orang terdekat kita yang bertanya  cara kerja barang-barang di sekitar kita. Tentu tidak mau kan terlihat tidak mengerti apa-apa, apalagi kalau di tanya sama keluarga kita hhee.

Nah dalam artikel ini akan bahas cara kerja kulkas dalam sudut pandang fisika khususnya termodinamika. penasaran bagaimana cara kerjanya? baca sampai akhir yaa.

1. Apa itu Termodinamika

Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari hukum-hukum dasar yang dipengaruhi oleh kalor dan usaha. Semua pembahasan tentang kalor dan bentuk energinya dipelajari dalam cabang ilmu termodinamika. Termodinamika digunakan sebagai pengetahuan dasar untuk mengetahui hubungan antara kalor dengan energi (Lasmi, N.K, 2021).

Jadi, termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang kalor dan semua bentuk energinya pada sistem. Definisi sistem dalam termodinamika dikaitkan dengan gas di dalam wadah tertutup.

Dalam termodinamika kita akan mempelajari tentang kalor dan usaha, Hukum 1 Termodinamika, Hukum 2 Termodinamika, dan Entropi.

Namun dalam artikel ini kita akan membahas tentang aplikasi hukum 2 termodinamika yang menyatakan bahwa kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak berlaku sebaliknya. 

Konsekuensi dari Hukum 2 Termodinamika, kita tidak bisa memindahkan kalor dari suhu rendah ke suhu yang lebih tinggi. Agar hal tersebut dapat terjadi, maka kita perlu usaha luar untuk melakukannya. Itulah yang terjadi dalam sistem pendingin seperti kulkas.

2. Hukum-Hukum Fisika yang Berlaku Pada Sistem Pendingin Kulkas

Kulkas bekerja berdasarkan Hukum Termodinamika I dan II, serta prinsip-prinsip fisika yang melibatkan sifat gas dan fluida, yang menjadi dasar penting dalam memahami cara kerja sistem pendingin.

Hukum 1 termodinamika berbunyi "kalor yang masuk kedalam sistem sama dengan perubahan energi dalam di tambah Usaha" secara sederhananya Hukum 1 Termodinamika berbicara tentang kekekalan energi. Dalam hal ini energi tidak hilang melainkan hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Selain hukum pertama, dalam mesin pendingin ini kita juga harus mempertimbangkan Hukum II Termodinamika. Dimana kalor secara alami akan akan mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah. Sehingga, ketika kita ingin melakukan kebalikannya, maka perlu adanya usaha luar yang kita berikan ke sistem.

Hukum berikutnya yang bekerja pada mesin pendingin kulkas yaitu Hukum Gay-Lussac yang menyatakan bahwa "pada volume tetap, tekanan sebanding dengan suhu". Artinya ketika tekanan meningkat maka suhu pun akan ikut meningkat, begitu pun sebaliknya. 

Berikutnya adalah Hukum Bernaulli yang menyatakan bahwa kecepatan suatu fluida berbanding terbalik dengan tekanannya. Ketika kecepatan fluida meningkat, maka tekanannya akan menurun sehingga suhunya juga ikut turun. 

3. Prinsip Dasar Cara Kerja Sistem Pendingin

Prinsip dasar dari sistem pendingin yaitu mengangkut panas dari tempat dengan temperatur rendah ke tempat yang memiliki suhu lebih tinggi dengan bantuan usaha dari luar. 

Pada umumnya mesin pendingin menggunakan kompresi uap atau fluida yang disebut sebagai refrigeran (zat pendingin). Refrigeran bekerja dalam sistem tertutup artinya refrigeran bekerja membentuk siklus tanpa ada zat yang keluar atau pun zat yang masuk dari luar ke dalam. Proses dasar dari mesin pendingin ini secara garis besar meliputi tahap kompresi dan ekspansi.

Adapun komponen utama dari sistem pendingin biasanya terdiri dari kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator.

Kompresor: berfungsi untuk menekan refrigeran sehingga memiliki tekanan yang tinggi, tekanan yang tinggi mengakibatkan suhu dari refrigeran menjadi tinggi.

Kondensor: berfungsi untuk melewatkan gas panas ke pipa-pipa untuk membuang kalor ke lingkungan sehingga refrigeran berubah menjadi cair dan dingin

Katup Ekspansi: Berfungsi untuk melepas cairan bertekanan tinggi sehingga tekanannya turun drastis. ketika tekanan turun maka suhu pun akan ikut turun.

Evaporator: proses penyerapan panas pada ruangan oleh refrigeran bersuhu rendah, sehingga refrigeran kembali menjadi uap dan panas. Setelah itu zat pendingin kembali ke kompresor untuk membuat siklus berulang.

4. Bagaimana Cara Kerja Kulkas Berdasarkan Termodinamika?

Kita akan membahas cara kerja kulkas dimulai dari jantungnya kulkas yaitu kompresor. Kompresor pada kulkas berperan sangat penting selayaknya jantung pada manusia yang memompa darah. Tanpa adanya kompresor suhu dari dalam kulkas tidak bisa di buang ke lingkungan. Hal ini selaras dengan hukum kedua termodinamika.

Kompresor berfungsi untuk menaikkan tekanan uap yang berasal dari evaporator. Ketika tekanan dinaikkan maka suhu akan naik (ingat Hukum Gay-Lussac di atas). Setelah tekanan dan suhu dinaikkan berikutnya refrigeran akan di teruskan ke kondensor.

Pada kondensor panas akan di buang ke lingkungan karena suhu kondensor lebih panas dari pada suhu lingkungan (sesuai dengan hukum 2 termodinamika). Ketika terjadi pertukaran kalor dari kondensor ke lingkungan maka refrigeran akan berubah fase dari gas menjadi fluida cair. Selanjutnya fluida dengan suhu normal (kisaran 30-40 derajat celcius) akan diteruskan ke alat ekspansi.

Pada alat ekspansi, fluida akan dimasukan ke dalam pipa kapiler kecil sehingga kecepatannya bertambah. Ketika kecepatan bertambah maka suhu akan turun dengan drastis (ingat Hukum Bernaulli bahwa tekanan berbanding terbalik dengan kecepatan). 

Setelah suhu turun dengan drastis, berikutnya refrigeran di alirkan ke evaporator yang berada pada ruang penyimpanan kulkas untuk menyerap panas. Ketika refrigeran menyerap panas dari dalam kulkas, fasenya akan berubah dari cair ke gas. Kemudian gas ini akan kembali di alirkan ke kompresor untuk melakukan siklus berikutnya.

5. Tantangan dan Efisiensi Energi

Penggunaan kulkas dalam rumah tangga memiliki peranan yang penting. Namun kulkas termasuk barang elektronik yang menggunakan banyak daya listrik dalam penggunaannya. Sehingga penting untuk menggunakan kulkas yang hemat energi karena terus menyala sepanjang waktu.

Salah satu pengurangan efisiensi kulkas timbulnya bunga es di bagian evaporator. Hal tersebut menyebabkan proses pendinginan kurang maksimal. Namun, teknologi kulkas terus di tingkatkan sehingga bisa tercapai efisiensi yang tinggi atau hemat daya.

Kulkas modern biasanya kita kenal sebagai kulkas inverter yaitu kulkas yang menggunakan kompresor inverter untuk kompresi uapnya. Kompresi inverter akan menyesuaikan kecepatan kompresinya sesuai dengan kebutuhan pendinginan di dalam kulkas. Jadi kompresor tidak perlu nyala mati untuk menghemat daya.

Beda halnya dengan kulkas non-inverter dimana kompresor akan mati saat suhu di dalam kulkas sudah mencapai batas yang di inginkan. Kulkas inverter hanya akan mengurangi kecepatan kompresinya saja tanpa mematikan kompresor.

6. Kesimpulan

Kulkas bekerja dengan cara memindahkan kalor dari suhu rendah ke suhu yang lebih tinggi. Kondisi ini berkebalikan dengan hukum kedua termodinamika, sehingga perlu adanya usaha luar yang digunakan. Dalam kulkas usaha luar tersebut dilakukan oleh kompresor.

Kulkas menerapkan beberapa hukum dalam fisika, seperti hukum gay-lussac (tekanan sebanding dengan suhu) terjadi pada bagian kompresor (tekanan tinggi, suhu tinggi). Berikutnya ada juga Hukum Bernaulli pada bagian pipa kapiler yang dibuat kecil sehingga kecepatan aliran fluida tinggi (kecepatan tinggi => tekanan rendah =>suhu rendah).

Itulah penjelasan mengenai cara kerja kulkas berdasarkan termodinamika, dengan kamu memahami cara kerja peralatan di rumah mu. Kamu diharapkan makin peduli terhadap alat-alat tersebut. Bahkan kamu juga bisa ikut berperang dalam upaya penghematan energi dengan mengetahui bagaimana cara kerja kulkas dan kulkas apa yang paling hemat energi.

Sekarang coba kamu cek kulkas di rumah mu, apakah sudah termasuk kulkas inverter atau non-inverter. Jika masih non-inverter semoga suatu hari kita bisa pindah ke kulkas yang lebih hemat energi.

7. FAQ

Apa itu refrigeran dan mengapa penting?

Refrigeran adalah zat yang digunakan dalam sistem pendingin (seperti kulkas, AC, dan heat pump) untuk menyerap panas dari suatu area dan melepaskannya ke area lain, sehingga tercipta efek pendinginan. Refrigeran bekerja dengan berubah-ubah antara bentuk cair dan gas melalui proses kompresi dan ekspansi di dalam sistem tertutup.

Apa yang menyebabkan kulkas tidak dingin?

Kulkas yang tidak dingin bisa disebabkan oleh berbagai hal, seperti aliran listrik yang tidak stabil atau terputus, kipas atau ventilasi yang tersumbat, isi kulkas yang terlalu penuh hingga menghambat sirkulasi udara, penumpukan bunga es di evaporator, atau kerusakan pada kompresor yang merupakan komponen utama pendingin. Selain itu, kekurangan atau kebocoran refrigeran juga bisa membuat kulkas tidak mampu mendinginkan, begitu pula dengan thermostat yang rusak sehingga suhu tidak bisa diatur dengan benar.

Share this post