Efisiensi Mesin Carnot

Transkripsi

1 Efisiensi Mesin Carnot Efisiensi mesin carnot akan dibahasa pada artikel ini. Sebelumnya apakah yang dimaksud dengan siklus carnot? siklus carnot adalah salah satu lingkup dari ilmu thermodinamika, yang termasuk dalam mesin kalor atau panas. Prinsip kerjanya adalah sejumlah kalor diserap dari sumber kalor pada suhu tinggi, sebagian diubah menjadi kerja dan sisanya dilepas ke penerima kalor dengan suhu yang lebih rendah. Suatu mesin yang menjalani siklus carnot disebut mesin carnot. Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan 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. Di dalam siklus carnot ini terdapat 4 proses kalor, yaitu: - Ekspansi isothermal - Ekspansi adiabatis - Kompresi isothermal - Kompresi adiabatic Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Efisiensi mesin carnot Keeadaan suatu sistem dalam termodinamika dapat berubah-ubah, berdasarkan percobaan besaran-besaran keadaan sistem tersebut. Namun, besaran-besaran keadaan tersebut hanya berarti jika sistem berada dalam keadaan setimbang. Dan suatu proses dalam sistem di mana sistem hampir selalu berada dalam keadaan setimbang dinamakan Proses reversible. Sebuah proses reversible adalah sebuah proses yang berlangsung sedemikian sehingga pada akhir proses, system dapat dikembalikan ke keadaan mula-mula, tanpa meninggalkan suatu perubahan pada sisa. Rumus efisiensi mesin carnot :

2 Keterangan: η : efisiensi mesin Carnot T1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K) T2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K) contoh soal: 1. Sebuah mesin Carnot mempunyai reservoir suhu tinggi 300 o C dan reservoir suhu rendah 80 o C. efisiensi mesin carnot adalah? Pembahasan : Diketahui : TL = 80 o C = ( ) K = 353 K TH = 300 o C = ( ) K = 573 K Jika suhu diketahui dalam satuan Celcius maka harus diubah ke satuan Kelvin (Kelvin adalah satuan Sistem Internasional besaran suhu). Ditanya : Efisiensi mesin Carnot? Jawab : e = 1-Tl/Th = 1 353K/573K = 1-0,62 = 0,38 = 38% Jadi efisiensi mesin carnot adalah sebesar 38% Itulah pengertian efisiensi mesin carnot dan contoh soal tentang mesin carnot. Putri Fatma Nur Sholeha (K )

3 SIKLUS CARNOT DAN EFISIENSI Siklus carnot erat kaitannya dengan kalor dan sebelumnya telah disinggung pada mata kuliah termodinamika. Siklus carnot merupakan sebuah siklus yang fungsinya untuk menganalisis suatu kerja mesin panas. Siklus ini ditemukan oleh Sadi Carnot, Seorang insinyur Perancis pada tahun Siklus carnot merupakan salah satu siklus yang reversibel, artinya bahwa di dalam suatu sistem hampir selalu berada dalam keadaan setimbang. Siklus carnot sendiri terdiri dari 4 proses. 2 proses merupakan proses isotermal ( proses pada temperatur konstant ), 2 proses lain merupakan proses adiabatik ( proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa ). 4 proses tersebut adalah sbb : Sumber : chemwiki.ucdavis.edu 11. Ekspansi Isothermal Reversible Proses Isothermal pertama pada siklus carnot ini terjadi pada temperatur tinggi, zat akan mengalami ekspansi dan penyerapan kalor. Dimana kalor Q1 diserap dari reservoir kalor ( tempat kalor ) pada temperatur T1 dan sistem bekerja. Reservoir dengan suhu yang tinggi akan menyentuh dasar silinder dan jumlah

4 beban di atas piston berkurang. Temperatur sistem tetap, namun volume sistem bertambah selama proses berlangsung. 22. Ekspansi Adiabatic Reversible Proses Adiabatik pertama ini terjadi zat akan mengalami ekspansi. Dimana zat akan mengalami penurunan temperatur dari T1 menjadi T2 dan sistem bekerja. Tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem saat proses berlangsung. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah. 3. Kompresi Isothermal Reversible Proses Isothermal kedua ini terjadi pada temperatur rendah, zat akan mengalami kompresi dan kalor akan dilepaskan. Dimana zat melepaskan kalor Q2 ke reservoir dingin dengan temperatur T2 dan sistem dikenai kerja. reservoir dengan suhu 200 K menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Tekanan pada sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tetap. 43. Kompresi Adiabatic Reversible Proses Adiabatik kedua zat akan mengalami kompresi. Dimana zat akan dikembalikan ke keadaan semula, temperatur sistem akan berubah dari T2 menjadi T1 dan sistem dikenai kerja. Jumlah beban di atas piston bertambah. Tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem selama proses berlangsung, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang. Dari keempat proses tadi akan terlihat di diagram PV sbb :

5 Sumber : chemwiki.ucdavis.edu Dapat disimpulkan dari keempat proses tadi temperatur dan volume akan berubah berdasarkan urutan proses. Proses Temperatur Sistem Volume Sistem Ekspansi Isothermal Reversible Tetap Bertambah Ekspansi Adiabatic Reversible Turun Bertambah Kompresi Isothermal Reversible Tetap Berkurang Kompresi Adiabatic Reversible Naik Berkurang Siklus carnot bekerja lalu kembali ke awal, dari penjelasan tersebut maka besaran termodinamika seperti energi dalam dan entalpi sistem proses adalah 0. ΔUsiklus = 0 Kalor dan kerja pada siklus carnot di atas dapat di hitung dengan : Keterangan : Q1 = kalor yang diserap sistem Q2 = kalor yang dilepaskan sistem. W siklus = ΔQ siklus = (Q 1 Q 2 ) Pada siklus carnot saat terjadi perubahan energi kalor menjadi energi mekanik ( usaha ) maka akan dapat iperoleh efisiensi mesin dengan melihat perbandingan besar usaha yang dilakukan (W) terhadap kalor yang diserap (Q1). Rumus dasar efisiensi : η = efisiensi mesin. Untuk menghitung usaha yang dilakukan selama siklus carnot W = Q1 Q2 maka diperoleh persamaan :

6 Dalam mesin carnot, kalor Q1 yang diserap besarnya sama dengan reservoir temperatur T1, demikian juga dengan Q2. Dari persamaan tersebut dapat di buat rumus sbb : η : efisiensi mesin Carnot T1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K) T2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K) Maka dapat diambil kesimpulan Efisiensi mesin carnot dapat ditingkatkan dengan menaikkan temperatur saat reservoir bertemperatur tinggi, atau menurunkan temperatur saat reservoir bertemperatur rendah. Contoh soal Menentukan dan Mengubah Efisiensi Mesin Carnot Bagaimana menentukan efisiensi maksimum dari suatu mesin Carnot? Bagaimana pula untuk mengubah efisiensi suatu mesin Carnot dengan menaikkan atau menurunkan suhu salah satu reservoir yang ada? Jika Tt adalah suhu dari reservoir tinggi mesin Carnot dan Tr adalah suhu rendahnya, maka efisiensi mesin η dapat ditentukan dengan rumusan:

7 Suhu rendah Tr dan suhu tinggi Tt dalam perhitungan perlu diubah menjadi satuan kelvin (K) jika masih dalam satuan celcius (C). Perubahan efisiensi η suatu mesin dapat dilakukan dengan menaikkan atau menurunkan suhu dari reservoir mesin. Berikut beberapa ini penyelesaian contoh soal sesuai rumusan di atas. 1. Sebuah mesin Carnot menyerap panas dari tandon bertemperatur 127 C dan membuang sebagian panasnya ke tandon dingin bertemperatur 27. Efisiensi terbesar yang dapat dicapai oleh mesin Carnot tersebut adalah.(snmptn 2010) A. 20,5% B. 25% C. 70,25% D. 90,7% E. 100% Penyelesaian Suhu rendah Tr = 27 C = = 300 K Suhu tinggi Tt = 127 C = = 400 K Efisiensi maksimum mesin dengan demikian adalah 2. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, maka suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi.(umptn 1990) A. 900 K B. 960 K C K D K E K Penyelesaian

8 Kondisi awal mesin Tr = 800 K η = 40% = 4/10 Suhu tinggi mesin dapat ditentukan terlebih dahulu: Diinginkan η = 50% = ½ dengan suhu rendah 480K, suhu tinggi dapat ditentukan: