MESIN CARNOT

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu

siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini

dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer

Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan

secara grafis oleh Émile 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 akhirnya kembali ke keadaan

semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan

usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Mesin carnot merupakan mesin kalor yang dapat mengubah energi (kalor)

menjadi bentuklainnya (usaha mekanik). Disamping mesin carnot,

terdapat pula mesin-mesin lain yangdigolongkan dalam mesin kalor sperti

mesin uap, mesin diesel dan bensin, mesin jet dan reactoratom. Pada

prinsipnya cara kerja mesin kalor ada tiga proses penting yaitu:

1. Proses penyerapan kalor dari sumber panas yang sering disebut

sebagai reservoir (tandon) panas.

2. Usaha yang dilakukan oleh mesin.

3. Proses pembuangan kalor pada tempat yang bersuhu rendah,

tempat ini sering disebut reservoir (tandon) dingin.

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.

Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya

dimodelkan dalam pembahasan modern

Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu

tinggi TH melalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin TC, dan

menyebabkan fluida kerja memberikan usaha mekanis kepada

lingkungan, melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian

(ekspansi).

Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), dapat berupa benda fluida

atau uap apapun yang dapat menerima dan memancarkan kalor Q, untuk

menghasilkan usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat berupa

zat apapun yang dapat mengalami ekspansi, seperti uap air, uap alkohol,

uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahun-tahun

awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi khusus,

yaitu QH disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku,

QC biasanya adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang terletak di

berbagai bagian mesin. Usaha keluaran W biasanya adalah gerakan

piston yang digunakan untuk memutar sebuah engkol, yang selanjutnya

digunakan untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya biasanya untuk

mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot sendiri

mendefinisikan "usaha" sebagai "berat yang diangkat melalui sebuah

ketinggian".

Teorema Carnot

Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada

temperatur TH and TC tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.

Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan).

Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur.

Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar

ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus

Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan

(misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak

dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.

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. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan

untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan

oleh efisiensi mesin Carnot,

Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang

beroperasi antara dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang

sama pula.

Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat

diperoleh jika dan hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam

siklus tersebut. Jika ada, maka karena entropi adalah fungsi keadaan,

untuk membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke keadaan

semula akan melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang

merupakan proses irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi.

Jadi persamaan di atas hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin

kalor reversibel.

Mengapa dihitung efisiensi ? Berdasarkan pernyataan Clausius, bahwa

tidak ada mesin yang menyerap energi seluruhnya kemudian mampu

mengubah seluruh energi yang diserap sepenuhnya menjadi kerja/ usaha

nah, berdasar pernyataan tersebut maka muncul efisiensi mesin (atau nilai

kinerja mesin) yang dinyatakan dengan koefisien yang dibaca “eta”

pertanyaannya mengapa dikurangi ? Karena adalah energi yang

diserap mesin pada tandon (reservoir energi) bersuhu tinggi yang akan

melepaskan kalor (energi) secara spontan kepada (reservoir atau

tandon energi bersuhu rendah) yang berfungsi menyerap energi tersebut.

Mesin carnot dapat dianggap memiliki piston yang bergerak dalam

silinder, dan memiliki karakteristik sebagai berikut:

Sebuah rekatan yang sempurna, sehingga tidak ada atom yang

melarikan diri dari cairan yang bekerja karena piston bergerak

untuk memperluas atau menekannya.

pelumasan sempurna, sehingga tidak ada gesekan.

Sebuah gas ideal untuk fluida kerja.

koneksi sempurna termal pada setiap waktu, baik untuk satu atau

tidak ada dua reservoir, yang berada pada dua temperatur yang

berbeda, dengan isolasi termal sempurna mengisolasi dari semua

transfer panas lainnya.

piston bergerak bolak-balik berulang kali, dalam siklus bolak

ekspansi "isotermal" dan "adiabatik" dan penekanan, menurut

diagram PV ditunjukkan di bawah ini:

1. Proses AB (Ekspansi isotermal reversibel)

Pada proses ini, gas dikontakkan dengan reservoir panas bersuhu

T1 melalui dasar silinder. Kemudian beban sedikit demi sedikit dikurangi

sehingga piston (penghisap)terangkat dan gas akan memuai

(berekspansi) secara isothermal pada suhu T1. Selama proses ini gas

menyerap kalor sejumlah Q1 dan melakukan usaha (WAB) dengan

menaikkan piston keatas.

2. Proses BC (Ekspansi adiabatik reversibel)

Pada proses ini, dasar silinder yang semula dikontakkan pada reservoir

panas sekarangdiberi dinding yang terisolasi terhadap lingkungan.

Sedikit demi sedikit beban dikurangi dan membiarkan gas memuai

(mengembang = berekspansi) secara adiabatik. Selama proses ini suhu

gas turun dari T1 menjadi T2 dan gas melakukan usaha sebanyak

WBC yangditunjukkan dengan naiknya piston.

3. Proses CD (Kompresi isotermal reversibel)

Pada proses ini, gas dikontakkan dengan reservoir dingin bersuhu

T2 melalui dasar silinder. Kemudian beban ditambahkan sedikit demi

sedikit sehingga piston turun dan membiarkan gas termampatkan

(terkompres) secara isothermal pada suhu T2. Selama proses ini gas

akan membuang kalor sebanyak Q2 dan menerima usaha (berarti

usaha negatif) dari luar sebesar WCD.

4. Proses DA (Kompresi adiabatik reversibel)

Pada proses ini, dasar silinder kembali di isolasikan terhadap

lingkunagn. Sedikit demi sedikit, beban ditambahkan dan biarkan gas

termampatkan secara adiabatik. Selam proses ini suhu gas naik dari

T2 menjadi T1 dan gas menerima usaha dari luar sebanyak WDA yang

ditunjukkan dengan turunnya piston.