Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin Kalor

SIKLUS CARNOT

Siklus adalah suatu rangkaian proses yang membuat keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya . Contohnya siklus termodinamika seperti proses isotermal, isobarik dan isokhorik.

Gambar 1: Siklus Termodinamika

Pada gambar diatas dari keadaan A sampai B sistem menjalani proses isotermal kemudian pada keadaan B ke C, sistem menjalani proses isobarik, proses isokhorik membuat sistem kembali kekeadaan awalnya. Dinyatakan satu siklus pada gambar diatas yakni pada proses keadaan A sampai B dan kembali keadaan A. Sedangkan usaha W yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah yang diarsis pada diagram P-V diatas.

Mesin Carnot merupakan mesin yang dapat mengubah energi panas menjadi energi mekanik (mesin panas). Selain itu, mesin panas lainnya adalah mesin uap, mesin diesel dan mesin jet. Secara umum, proses penting mesin panas adalah:

1. Proses penyerapan panas dari sumber panas yang disebut pula tandon panas (reservoir panas).
2. Kerja yang dilakukan oleh mesin.
3. Proses pembuangan panas pada tempat yang bersuhu rendah (tempat ini seringkali disebut tandon dingin ataupun reservoir dingin).

Pada tahun 1824 Carnot memiliki ide membuat suatu mesin ideal yang mampu melakukan kerja seefisien/semaksimal mungkin atau dengan kata lain mesin ideal adalah mesin  yang tiap proses yang terjadi adalah reversible (dapat balik) tanpa kehilangan energi. Dalam prakteknya mesin seperti ini tidak akan pernah ada karena selalu ada energi yang hilang akibat gesekan dan konduksi kalor ke lingkungan sekitarnya. Contoh mesin kalor ideal yakni mesin Carnot Imajiner. Menurut Carnot, tidak ada mesin yang lebih efisien dari mesin Carnot. Mesin ideal Carnot yang digagasnya bekerja berdasarkan suatu siklus yang dinamakan siklus Carnot. Siklus ini terjadi pada sebuah silinder berisi gas ideal dan suatu pengisap yang dapat bergerak. Dinding silinder terisolasi secara termal (panas tidak akan mampu menembus dinding).  Siklus Carnot terdiri atas empat proses yakni dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.

Gambar 2: Empat Langkah Operasi Carnot

Gambar diatas menunjukkan empat langkah dalam operasi sebuah mesin Carnot.

1.  Dari a ke b, gas mengalami proses pemuaian isotermal, menyerap kalor Q₁ dari reservoir suhu tinggi T₁ dan melakukan usaha.
2. Dari b ke c gas mengalami proses pemuaian adiabatik dan gas melakukan usaha.
3. Dari c ke d, gas mengalami proses penuyusutan isotermal membuang kalor Q₂ ke reservoir suhu rendah T₂, usaha dilakukan pada gas.
4. Akhirnya dari d ke a (kembali ke kedudukan awal), gas mengalami proses penyusutan adiabatik dan usaha dilakukan pada gas.

Akibat proses yang dialami disini adalah suatu siklus yang mengembalikan gas ke keadaan awalnya. maka tidak ada perubahan energi dalam (∆u = 0). Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas W adalah:

Q =  ∆u + W

+Q₁ – Q₂ = 0 + W

     W = Q₁ – Q₂

dimana Q₁ = kalor yang diserap dari reservoir suhu tinggi T₁ dan Q₂ = kalor yang dibuang ke resvoir suhu rendah T₂.

EFISIENSI MESIN KALOR

Mesin Carnot sebagai mesin yang paling efisien dan dapat beroperasi diantara suhu T₁ dan T₂. Efisiensi mesin kalor diartikan sebagai perbandingan kerja yang dilakukan oleh mesin itu dengan kalor yang diserap selama siklus.

Karena Q₁/Q₂ = T₁/T₂, sehingga η = W/Q₁ = (Q₁ – Q₂)/(Q₁) = 1-(Q₂/Q₁)

Efisiensi panas pada mesin bisa diartikan berapa bagian energi panas yang diterima dapat dimanfaatkan. Suatu mesin panas akan mempunyai efisiensi panas 100 persen jika Q₂ = 0 yakni ketika tidak ada panas yang terbuang, seluruh panas yang diterimanya diubah menjadi kerja mekanik. Namun, hal ini tak mungkin terjadi dikarenakan telah dibuktikan oleh Carnot bahwa mesin yang sangat efisien  (mempunyai efisien paling tinggi) adalah mesin Carnot yang memiliki efisiensi: η = 1 - -(Q₂/Q₁) = 1 – (T₂/T₁).

Perlu diketahui bahwa efisiensi mesin selalu lebih kecil 100 persen . Pada umumnya efisiensi mesin diantara 20-40 persen. Hal ini dikarenakan apabila kita ingin membuat efisiensi panas 100 persen maka T2 harus sama  dengan nol. Hal ini tidak mungkin dikarenakan tidak ada tandon yang suhunya 0 K. Umumnya tandon berada pada suhu kamar.

Demikian uraian mengenai Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin Kalor , semoga bermanfaat. Terimakasih telah berkunjung ke portal kami.