Mesin Carnot Dari Sejarah sampe Contoh Soal

Mengenal Sejarah, Cara Kerja, Rumus dan Contoh Soal  – Untuk dapat memahami definisi dari siklus carnot maka terlebih dahulu kita harus mengenal yang namanya termodinamika. Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari tentang hubungan antara energi panas dan kerja.

Sebagaimana yang diketahui bahwa energi yang ada di alam semesta bersifat kekal dan tidak dapat dipindahkan serta dimusnahkan. Akan tetapi energi tersebut bisa berubah ke bentuk yang lain melalui rekayasa teknologi ataupun secara alami.

Dengan adanya perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan, prinsip alamiah pada berbagai proses termodinamika ikut berkembang secara tidak langsung.  hal ini ditandai dengan rekayasa pada berbagai bentuk mekanisme yang dapat membantu manusia agar dapat menjalankan berbagai kegiatan. Penerapan atau aplikasi dari ilmu termodinamika ini banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari salah satunya pada carnot.

Apa itu Mesin Carnot?

Mesin yang satu ini merupakan sebuah mesin panas atau kalor yang cara kerjanya adalah mentransfer energi dari daerah panas menuju daerah yang dingin. Dalam proses ini mesin akan mengubah energi menjadi sebuah usaha mekanis dengan kata lain carnot mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau kerja.

Sejarah Mesin Carnot

Siklus carnot merupakan suatu siklus reversibel dan dikemukakan pertama kali pada tahun 1824 oleh Sadi Carnot yang merupakan seorang insinyur. Mesin kalor carnot merupakan mesin teoritis yang penggunaannya menerapkan siklus carnot. Siklus carnot terbalik merupakan siklus carnot yang di balik. Mesin refrigerasi carnot merupakan mesin yang menggunakan siklus terbalik tersebut.

Cara Kerja Mesin Carnot

Proses termodinamika yang pada zat kerja atau working substance di mesin  dinamakan siklus carnot. Siklus yang satu ini terdiri dari dua proses adiabatik dan juga dua proses isotermal. Pada proses isotermal yang pertama terjadi temperatur lebih tinggi karena lezat mengalami ekspansi serta menyerap kalor.

Pada proses yang kedua umumnya terjadi saat temperatur sedang rendah. Zat melepas kalor karena mengalami kompresi. Dua proses adiabatic menghubungkan garis isotermal yang pertama dan kedua. Adiabatik yang pertama mengalami ekspansi pada zat dan pada yang kedua mengalami kompresi.

Siklus carnot umumnya terdiri dari empat proses atau tahapan, yaitu:

Ekspansi isothermal reversible, material menyerap kalor Q1 dari reservoir kalor dengan temperatur T1 dan sistem yang bekerja.

Ekspansi Adiabatic Reversible, working substance temperaturnya berkurang menjadi T2 yang awalnya T1.

Kompresi Isothermal Reversible , dengan menggunakan temperatur T2 working substance melepas suatu panas atau kalor Q2 menuju reservoir yang dingin dan kerja pada sistemnya.

Kompresi Adiabatic Reversible, terjadi jika working substance kembali ke semula. Sistem temperatur pun berubah ke T1 dari T2 serta kerja terhadap sistem.

Empat proses yang disebutkan di atas kemudian biasa dilukiskan dalam bentuk diagram. Perubahan besaran termodinamika atau besaran keadaan adalah 0 karena sistem tersebut dikembalikan pada keadaan semula misalnya seperti energi dalam maupun entalpi.

Rumus Mesin Carnot

Berikut adalah rumus efisiensi mesin carnot:

 

η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %η = ( W / Q1 ) x 100%W = Q1 − Q2

 

Keterangan :

η = efisiensi mesin Carnot (%)

Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin)

Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)

W = usaha (joule)

Q1 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)

Q2 = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Selama siklus mesin carnot terjadi maka dapat menghasilkan suatu usaha dan berlaku persamaan berikut:

Q = ΔU + W

Q1 – Q2 = 0 + W

W = Q1 – Q2

Q = Kalor yang dimiliki sistem

W = Usaha Dilakukan pada Sistem

ΔU = energi dalam sistem

Efisiensi pada mesin kalor didefinisikan sebagai berikut:

η= W/Q1 x 100%

W = Q1 – Q2 substitusikan, sehingga persamaan efisiensi menjadi

η = [(Q1 – Q2)/Q1] x 100%

η = [1 – (Q2/ Q1)] x 100%

 

Pada siklus Carnot berlaku Q2 /Q1 = T2/ T1 sehingga efisiensi pada mesin Carnot dapat diformulasikan dengan persamaan;

η = [1 – (T2/ T1)] x 100%

 

Keterangan:

η = efisiensi mesin Carnot

T1 = suhu reservoir bersuhu tinggi (K)

T2 = Suhu Reservoir bersuhu rendah (K)

Efisiensi mesin Carnot adalah efisiensi yang tinggi. Hal ini karena mesin ini termasuk dalam mesin ideal dan hanya ada di dalam suatu teori. Artinya, mesin yang memiliki efisien lebih dari efisiensi dari mesin kalor memang tidak ada.

Mesin kalor Carnot ini hanya tergantung suhu kedua reservoir atau disebut tandon. Agar bisa mendapatkan efisiensi 100%, maka suhu tandon T2 harus sama dengan 0 K. Pada praktiknya hal ini tidak bisa terjadi. Maka dari itu mesin kalor carnot memang sangat ideal dan prosesnya merupakan proses reversibel. Sedangkan mayoritas mesin umumnya mengalami proses tak terbalikkan atau irreversible.

Rumus efisiensi pada mesin kalor carnot adalah:

n = (1 – T2/T1)

 

Keterangan :

η =  efisiensi mesin carnot

T₁ = Suhu tinggi

T₂ =  Suhu rendah

Efisiensi mesin carnot umumnya menggambarkan besarnya tingkat keefektifan suatu system yang menghasilkan usaha dari panas yang diserap. Rumus Efisiensi mesin carnot dirumuskan dengan:

ƞ= (1 – )x 100%

atau

ƞ= (1 – )x 100%

Keterangan:

T2 = Suhu reservoir rendah

T1 = Suhu reservoir tinggi

Q2 = kalor yang dilepas sistem

Q1 = kalor yang diterima sistem

Untuk dapat mengerjakan soal mengenai efisiensi mesin carnot, maka suhu harus dalam satuan kelvin.

Contoh Soal untuk Siklus Carnot

  1. Pada iklan yang ditawarkan, suatu mesin yang bekerja dengan menggunakan reservoir bersuhu 500 K dan 400 K. Kemudian membutuhkan usaha sebesar 107 joule serta energi sebesar 4 x 104 joule. Jika berdasarkan pada hukum kedua Thermodinamika, bisakah iklan tersebut dapat dipercaya?

Penyelesaian:

η carnot = 1-Q2Q1=1-T2T1=1-400500=15×100%=20%

W = 104 Joule dan Q1 = 4. 104 joule

W = Q1-Q2

104=4. 104-Q2

Q2=4. 104-104=3. 104

η=1-3. 1044. 104=1-34100%=25%

η mesin > η carnot

Jadi iklan tidak dapat dipercaya.

  1. Terdapat iklan yang menawarkan mesin yang bekerja dengan menggunakan reservoir 400 K dan juga 900 Kdengan efisiensi 30%

Penyelesaian:

η carnot =1-Q2Q1=1-T2T1 =1-400.900100%=55%

η carnot=30%

η mesin < η carnot

Jadi iklan tersebut bisa dipercaya.

  1. Buktikan kurva adiabatic gas ideal memang lebih tegak jika dibandingkan dengan kurva isotermik!

Penyelesaian:

Proses isotermik maka PV=C

Proses adiabatic maka PVγ =CI

Diketahui P = CV = CV-I

DPdV = -CV-2= -CV2= -PV

P = C’VγC’V-γ

Maka dPdV= -γC’V-γ-I= -γC’Vγ+1 = -γPV

Karena γ = CpCV selalu lebih besar dari 1 maka kurva adiabatic gas ideal lebih tegak jika dibandingkan dengan kurva isotermik gas ideal.

Demikianlah pembahasan tentang siklus mesin carnot, sejarah serta penyelesaian soalnya. Semoga ulasan di atas dapat menambah waawasan dan informasi bagi Anda yang ingin mengetahui tentang siklus Carnot.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *