Pada halaman ini akan dibahas mengenai Siklus Carnot. Semua informasi ini kami rangkum dari berbagai sumber. Semoga memberikan faedah bagi kita semua.
SIKLUS CARNOT
Menurut hukum kedua termodinamika, tidak ada mesin kalor yang dapat memiliki efisiensi 100%. Berapakah efisiensi yang dapat dimiliki mesin? Jika diberikan dua reservoir panas yaitu T1 dan T2? Pernyataan ini pertama kali dijawab pada tahun 1824 oleh insinyur Perancis, Sadi Carnot (1796-1832), yang mengembangkan sebuah mesin kalor ideal hipotesis, yang memiliki efisiensi maksimum yang masih sesuai dengan hukum kedua termodinamika. Siklus pada mesin ini disebut Siklus Carnot (Carnot cycle).
Sebelumnya kita telah mempelajari proses reversibilitas dan hubungannya dengan proses termodinamik. Perubahan kerja menjadi panas adalah sebuah proses ireversibel. Tujuan dari mesin kalor adalah pembalikan dari sebagian proses ini, yaitu perubahan panas menjadi kerja dengan efisiensi sebesar mungkin. Untuk efisiensi mesin kalor maksimum, berarti kita harus menghindari sebuah proses ireversibel. Syarat ini selanjutnya cukup untuk menentukan rangkaian langkah dasar dari siklus Carnot.
Aliran panas melalui sebuah penurunan suhu yang kecil adalah proses ireversibel. Maka selama perpindahan panas dalam siklus Carnot tidak boleh ada perbedaan suhu yang cukup besar. Ketika mesin mengambil panas dari reservoir panas pada suhu T1, bahan kerja dalam mesin juga harus berada pada T1, jika tidak maka aliran panas akan menjadi irevresibel. Begitu pula, ketika mesin membuang panas ke reservoir dingin T2, mesin juga harus berada pada suhu T2. Jadi, setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal baik pada T1 maupun T2.
Sebaliknya, dalam setiap proses di mana suhu bahan kerja pada mesin ada di antara T1 dan T2, tidak boleh ada perpindahan panas antara mesin dan kedua reservoir karena perpindahan panas tidak akan mungkin reversibel. Karena itu, setiap proses di mana suhu bahan kerja T berubah, harus berlangsung secara adiabatik. Yang menjadi pedoman adalah bahwa setiap proses dalam siklus ideal ini haruslah isotermal atau adiabatik. Selain itu, kesetimbangan termal dan mekanis harus dijaga setiap saat sehingga setiap proses reversibel sempurna.
SIKLUS CARNOT
Siklus Carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel. Gambar 1 menunjukkan sebuah siklus Carnot menggunakan gas ideal sebagai bahan kerja dalam silinder dengan sebuah piston. Langkah yang terjadi adalah sebagai berikut:
- Gas berekspansi secara isotermal pada suhu T1, menyerap panas Q1 (ab)
- Ekspansi terjadi secara adiabatik sampai suhu turun ke T2 (bc)
- Kompresi terjadi secara isotermal pada T2, mengeluarkan panas Q2 (cd)
- Kompresi secara adiabatik kembali ke keadaan semula pada suhu T1 (da)
Kita akan menghitung efisiensi termal η dari mesin Carnot pada kasus khusus di mana bahan kerja adalah gas ideal. Untuk melakukan perhitungan ini, pertama-tama harus dicari perbandingan Q2/Q1 dari kalor yang dipindahkan dalam sebuah proses isotermal.
Untuk gas ideal, energi dalam U hanya bergantung pada suhu, sehingga akan konstan pada proses isotermal manapun. Untuk ekspansi isotermal ab, ∆Uab = 0. Dan Q1 setara dengan kerja Wab yang dilakukan oleh gas selama ekspansi isotermal pada suhu T1. Sehingga,
Serupa dengan itu,
Karena Vd lebih kecil daripada Vc, Q2 adalah negatif (Q2 = – │Q2│), panas mengalir keluar dari gas selama kompresi isotermal pada suhu T2.
Perbandingan kedua besar kalor tersebut adalah
Hal ini dapat disederhanakan lebih jauh dengan menggunakan hubungan suhu-volume untuk proses adiabatik. Kita peroleh untuk kedua proses adiabatik:
Dengan membagi kedua persamaan ini kita peroleh,
Maka,
Persamaan (6), perpindahan panas pada mesin Carnot.
Perbandingan panas yang terbuang pada T2 terhadap panas yang terserap pada T1 adalah setara dengan perbandingan T2/T1. Maka efisiensi mesin Carnot adalah
Persamaan (7), efisiensi mesin Carnot!
Hasil sederhana ini menunjukkan bahwa efisiensi mesin Carnot hanya bergantung pada suhu kedua reservoir. Efisiensi akan besar jika perbedaan suhu besar, dan akan sangat kecil jika kedua suhu hampir setara. Efisiensi tidak akan tepat sama dengan satu, kecuali T2 = 0 dan hal ini akan mustahil terjadi.
PERHATIAN: dalam semua perhitungan yang melibatkan siklus Carnot, pastika bahwa hanya digunakan suhu mutlak (Kelvin).
Tidak ada komentar:
Posting Komentar