MESIN DAN SIKLUS CARNOT

Nama   : Nurul Syahputri Sulaiman

NIM    : 1305106010070

Prodi   : Teknik Pertanian

Fakultas : Pertanian, Universitas Syiah kuala

Dosen : Dr. Kiman Siregar, S.TP, M.Si

Mata Kuliah    : Termodinamika dan Pindah panas

MESIN DAN SIKLUS CARNOT



BAB I. PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Dalam kehidupan sehari- hari termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang memusatkan pada energy, terutama energi panas dan perpindahan panas. Bercerita tentang termodinamika, kita sering mendengar istilah siklus carnot atau mesin carnot. Yang dimaksudkan dengan mesin carnot adalah mesin kalor hipotetis  yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut Siklus Carnot.

Contoh mudah mengenai mesin carnot dengan efisiensi mendekati 100% adalah pembangkit listrik tenaga air. Mesin tersebut digerakkan oleh air, menghasilkan listrik untuk menyedot air dan memutar dirinya sendiri. Kelebihan kapasitas dari tenaga yang dihasilkan dapat disalurkan sebagai produk akhirnya. Dengan demikian mesin pembangkit tersebut tidak memerlukan bahan bakar untuk memutar turbin (kecuali untuk  pertama kali). Dengan model ini, defisit tenaga listrik yang sering terjadi semestinya dapat diantisipasi sejak awal.

Mesin Carnot merupakan sebuah mesin ideal (mesin teoritik), bekerja dalam sebuah siklus yang terdiri atas 4 proses, yaitu: 

1.      Ekspansi Isotermik : Mula-mula sejumlah kalor (Q1) diambil dari reservoir panas bersuhu T1, gas dibiarkan berekspansi (memuai) secara isotermik ( suhu dijaga tetap).

2.       Ekspansi Adiabatik : Gas melanjutkan ekspansinya tanpa menyerap maupun melepas kalor, sehingga suhunya turun menjadi T2.

3.      Kompresi Isotermik : Gas dimampatkan (kompresi), dengan menjaga suhunya agar konstan, sambil melepas kalor sejumlah Q2.

4.      Kompresi Adiabatik : Gas melanjutkan proses pemampatan tanpa menyerap maupun melepas kalor sehingga suhunya naik kembali seperti awal siklus, yaitu T2.  Dalam satu siklus mesin melakukan usaha sebesar : w = Q1 = Q2.

B.     Rumusan Masalah

Adapun beberapa rumusan masalah dalam makalah ini, sebagai berikut :

1.      Bagaimana sejarah terbentuk teoritis tentang mesin carnot?

2.      Sebutkan isi teorema mesin carnot?

3.      Jelaskan yang dimaksud dengan efesiensi mesin carnot?

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

           

            Supaya proses – proses dalam siklus Carnot bersifat reversible, proses-proses tersebut harus dilakukan dengan sangat perlahan. Jadi, walaupun mesin Carnot merupakan mesin paling efisien yang mungkin ada, ia tidak memiliki daya keluaran, karena ia memerlukan selang waktu  yang tak hingga untuk menyelesaikan satu siklus. Untuk sebuah mesin yang nyata, selang waktu yang singkat untuk setiap siklus akan menghasilkan zat kerjanya mencapai suhu tinggi yang rendah daripada reservoir yang panas dan suhu rendah yang lebih tinggi dari pada reservoir yang dingin (Jewett, 2010).

            Setiap proses penambahan dan pembuangan kalor, dari pemuaian atau penekanan gas, dianggap di lakukan dengan sebaliknya (reversible). Yaitu, setiap proses dilakukan dengan lambat sehingga proses dapat dianggap sebagai serangkaian keadaan setimbangan, dan seluruh proses bisa dilakukan sebaliknya tanpa perubahan besar kerja yang dilakukan atau kalor yang dipertukarkan (Giancoli, 1998).

            Walaupun mesin-mesin kalor riel tidak dapat beroperasi pada sebuah siklus yang terbalikkan, namun siklus carnot, yang merupakan siklus terbalikkan, member informasi yang berguna mengenai sifat dari setiap mesin kalor. Siklus carnot tersebut khususnya adalah penting karena, seperti yang akan kita lihat, siklus tersebut menetapkan batas atas (upper limit) kepada daya guna mesin-mesin riel dan dengan demikian memberikan kita ke akita untuk bekerjarah tujuan (Resnick, 1985).

BAB III. PEMBAHASAN

A.    Sejarah Mesin Carnot

Pada tahun 1824, seorang insinyur Prancis bernama Sadi Carnot menjelaskan sebuah mesin teoretis, yang sekarang disebut mesin carnot, yang sangat penting baik dari sudut pandang praktis maupun teoretis. Sadi Carnot (1796-1832) merupakan orang pertama yang menunjukkan hubungan kuantitatif antara usaha dan kalor. Ia menunjukkan bahwa sebuah mesin kalor yang bekerja pada suatu siklus ideal yang reversibel yang disebut siklus Carnot di antara dua reservoir energi merupakan mesin paling efisien yang mungkin ada. Sebuah mesin yang se-ideal itu menetukan batas atas untuk efisiensi bagi mesin-mesin lainnya. Artinya, usaha netto yang dilakukan oleh suatu zat kerja yang melalui siklus Carnot merupakan jumlah usaha terbesar yang mungkin untuk jumlah energi yang diberikan kepada zat tersebut pada suhu yang lebih tinggi.

B.     Pengertian Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu  siklus-reversible yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model me-sin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Emile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.

Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan‑ keadaan yang berbeda, dan akhir-nya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakuk-an usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

C.    Teorema, Siklus dan Efesiansi Mesin Carnot

Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur  T_H  dan T_L  tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot. Teorema mesin Carnot adalah tidak ada mesin kalor lain yang bekerja diantara dua reservoir energi yang lebih efisien daripada mesin carnot yang bekerja di antara dua reservoir yang sama. Untuk membuktikan kebenaran teorema ini, bayangkan dua buah mesin kalor yang bekerja diantara reservoir energi yang sama. Salah satunya adalah mesin Carnot dengan efisiensi e_c, dan yang lainnya adalah sebuah mesin dengan efisiensi e, dimana kita anggap bahwa e > e_c. Mesin yang lebih efisien digunakan untuk menggerakkan mesin Carnot sebagai suatu mesin pendingin Carnot. Keluaran berupa usaha dari mesin yang lebih efisien sebanding dengan masukan berupa usaha dari mesin pendingin Carnot. Untuk gabungan mesin dan mesin pendingin, tidak terjadi pertukaran usaha dengan sekelilingnya. Oleh karena itu, kita telah menganggap bahwa mesin ini lebih efisien daripada mesin pendingin, hasil netto dari gabungan ini adalah perpindahan energi dari reservoir yang dingin ke reservoir yang panas tanpa adanya usaha yang diberikan pada gabungan tersebut. Berdasarkan pernyataan Clausius tentang hukum kedua, hal ini tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, anggapan bahwa e > e_c pasti salah. Semua mesin yang nyata efisiensinya lebih kecil daripada mesin Carnot karena tidak bekerja melalui siklus reversibel. Efesiensi dari sebuah mesin yang nyata semakin berkurang oleh kendala-kendala praktis, seperti gesekan dan energi yang hilang karena konduksi.

Untuk menjelaskan siklus Carnot yang terjadi antara suhu T_L dan T_H, kita anggap bahwa zat kerjanya adalah gas ideal yang tersimpan dalam sebuah silinder dengan piston yang dapat digerakkan pada salah satu ujungnya. Dinding silinder dan piston tidak mengalami konduksi termal.

                                         Sumber:www.wikipedia.com        

Empat tahap dari siklus Carnot ditunjukkan pada gambar diatas, mesin kalor bekerja dalam suatu siklus, dan siklus untuk mesin Carnot dimulai pada titik a di diagram PV ini.

1.      Pertama gas dimuaikan secara isotermal, dengan tambahan kalor Q_H, sepanjang lintasan ab pada temperatur T_H.

2.      Selanjutnya gas memuai secara adiabatik dari b ke c tidak ada kalor yang dipertukarkan, tetapi temperatur turun sampai T_L.

3.      Gas kemudian ditekan pada temperatur konstan T_L, lintasan c dan d, dan kalor Q_L keluar.

4.      Akhirnya, gas ditekan secara adiabatik, lintasan da, kembali ke keadaan awalnya. Mesin Carnot tidak benar-benar ada, tetapi sebagai mesin teoretis, ia berperan penting pada pengembangan termodinamika.

                                    

Hasil ini menunjukkan bahwa semua mesin Carnot yang bekerja di antara dua suhu yang sama akan memiliki efisiensi yang sama.

Persamaan e_C dapat diterapkan pada zat kerja dalam suatu siklus Carnot diantara dua reservoir energi. Menurut persamaan ini, efiensinya adalah nol jika T_L = T_H, seperti yang telah kita perkirakan. Efisiensinya meningkat saat T_L diturunkan dan saat T_H dinaikkan. Meskipun demikian, efisiensinya dapat mencapai suhu (100%) hanya jika T_L=0 K. Reservoir yang seperti itu tidak mungkin ada di alam. Jadi, efisiensi maksimumnya selalu lebih kecil dari 100%. Pada kasus-kasus praktis, T_L mendekati suhu kamar, yaitu kira-kira 300 K. Oleh karena itu, seseorang biasanya berusaha meningkatkan efisiensi dengan menaikkan T_H. Secara teoretis, sebuah mesin kalor siklus Carnot yang bekerja terbalik adalah pompa kalor paling efisien yang mungkin ada, dan menetukan COP maksimum untuk suatu gabungan reservoir panas dan reservoir dingin. Dengan menggunakan persamaan usaha dan mode pemanasan, kita lihat bahwa COP maksimum untuk sebuah pompa kalor dalam mode pemanasan adalah

COP_C (mode pemanasan) =

            =

COP Carnot untuk sebuah pompa kalor dengan mode pendinginan adalah

COP_C (mode pendingin)=

Pada persamaan ini, saat perbedaan suhu kedua reservoir tersebut mendekati nol, COP teoretisnya mendekati tak hingga. Pada kenyataannya, suhu rendah dari gulungan pendingin dan suhu tinggi dari kompresor akan membatasi nilai COP di bawah 10.

D.    Contoh soal

1.      Mesin sebauh mobil mempunyai efesiensi 20% dan menghasilkan rata-rata 23.000 joule kerja mekanik per detik selama operasinya. Berapa besar kalor yang di buang dari mesin tersebut perdetiknya ?

Penyelesaian:

kalor keluar adalah Q_L. kita mengetahui e = 0,20 , sehingga dari persamaan :

           

                         

Kita juga tahu dengan definisi bahwa e = sehingga dalam satu detik (s)

Dengan demikian,

           

Mesin membuang 

2.      Sebuah mesin uap bekerja antara 500^oC dan 270^oC. Berapa efesiensi maksimum yang mungkin dari mesin tersebut ?

Penyelesaian :

Pertama kita harus mengubah temperature menjadi Kelvin. Dengan demikian,

T_H  = 773 K dan T_L= 534 K. sehingga :

           

Untuk mendapatkan efesiensi dalam persen, kita kalikan dengan 100. Dengan demikian, efesiensi maksimum (carnot) adalah 30%.

3.      Efesiensi teoritis paling tinggi dari sebuah mesin adalah 30%. Jika mesin ini menggunakan atmosfer, yang memiliki suhu 300K, sebagai reservoirnya yang dinginnya, berapa suhu resevoirnya yang panas?

Penyelesaian :

Untuk mencari nilai T_h kita gunakan efesiensi carnot, sehingga:

           

           

4.      Sebuah mesin uap memiliki ketel yang bekerja pada suhu 500K. Energi dari bahan bakar mengubah air menjadi uap, dan uap ini kemudian mengerakkan piston. Suhu resovoir yang dingin adalah udara luar kira-kira 300K. berapa efesiensi termal maksimum dari mesin uap tersebut ?

Penyelesain : Dengan menggunakan persamaan e_C, kita temukan bahwa efesiensi termal maksimum untuk mesin yang bekerja diantara kedua suhu ini adalah:

BAB IV. PENUTUP

KESIMPULAN

Adapun beberapa kesimpulan yang ditarik dlam makalah ini, berikut sebagai berikut :

1.      Menjelaskan siklus Carnot yang terjadi antara suhu T_L dan T_H, kita anggap bahwa zat kerjanya adalah gas ideal yang tersimpan dalam sebuah silinder dengan piston yang dapat digerakkan pada salah satu ujungnya. Dinding silinder dan piston tidak mengalami konduksi termal.

2.      Persamaan e_C dapat diterapkan pada zat kerja dalam suatu siklus Carnot diantara dua reservoir energi. Menurut persamaan ini, efiensinya adalah nol jika T_L = T_H, seperti yang telah kita perkirakan. Efisiensinya meningkat saat T_L diturunkan dan saat T_H dinaikkan.

3.      Efiensinya adalah nol jika T_L = T_H, maka Efisiensinya meningkat saat T_L diturunkan walaupun T_H dinaikkan. Meskipun demikian, efisiensinya dapat mencapai suhu (100%) hanya jika T_L= 0 K.