Siklus Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016

Bab 12 Gas dan Termodinamika 992 satu siklus, berapa kerja yang dihasilkan proses tersebut? Untuk mudahnya, mari kita tinjau contoh berikut ini. P [Pa ] V [m 3 ] - W A B C D V 1 V 2 P 1 P 2 Gambar 12.21 Contoh proses satu siklus Proses bermula dari keadaan A menuju keadaan B, C, dan D, kemudian kembali ke keadaan A. Mari kita hitung berapa kerja yang dihasilkan pada tiap elemen proses. i Proses A  B Proses ini berlangsung secara isokhorik, sehingga kerja yang dilakukan nol, atau  AB W . ii Proses B  C Proses ini berlangsung secara isokhorik pada tekanan P 2 . Kerja yang dilakukan adalah Bab 12 Gas dan Termodinamika 993 1 2 2 V V P W BC    iii Proses C  D Proses ini berlansung secara isokhorik, sehingga kerja yang dilakukan nol, atau  CD W . iv Proses D  A Proses ini berlangsung secara isokhorik pada tekanan P 1 . Kerja yang dilakukan adalah 1 2 1 2 1 2 V V P V V P W DA      Kerja total selama satu siklus adalaj jumlah dari kerja pada tiap proses DA CD BC AB W W W W W     1 2 1 1 2 2 V V P V V P       1 2 1 2 V V P P     Mari kita hitung luas daerah yang dilingkupi kurva siklus Bab 12 Gas dan Termodinamika 994 Luas = panjang  lebar = 1 2 1 2 V V P P   Ungkapan luas di atas persis sama dengan ungkapan kerja total selama satu siklus, kecuali pada tanda. Jadi dapat disimpulkan bahwa Kerja total selama satu siklus sama dengan negatif luas daerah yang dilingkupi siklus. Contoh 12.10 Gas ideal melakukan proses seperti pada Gambar 12.22. Hitung kerja yang dilakukan pada gas. P [Pa] V [m 3 ] 2,5  10 5 10 -2 1  10 5 4 10 -2 Gambar 12.22 Gambar untuk contoh 12.10 Jawab Pertama, kita hitung luas daerah yang dlingkupi kurva Luas = 12 panjang  lebar Bab 12 Gas dan Termodinamika 995 =     2 2 5 5 10 10 4 10 10 5 , 2 2 1        = 2 250 J. Kerja selama satu siklus sama dengan negatif luas daerah tersebut, yaitu W = - Luas = - 2 250 J. Contoh 12.11 Sebanyak 0,1 mol gas yang memiliki tekanan 210 5 Pa dan volum 2 L melakukan proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi dua kali lipat. Selanjutnya gas tersebut mengalami proses isobarik hingga volumnya menjadi setengahnya. Gas kemudian kembali ke keadaan awal melalui garis lurus pada diagram P-V. Tentukan kerja selama satu siklus. Jawab Berdasarkan informasi di soal, keadaan awal gas: P A = 210 5 Pa V A = 2 L = 210 -3 m 3 Gas melakukan proses isokhorik ke keadaan B sehingga tekanannya menjadi dua kali lipat P B = 2 PA = 410 5 Pa Bab 12 Gas dan Termodinamika 996 V B = V A = 210 -3 m 3 Dari B gas melakukan proses isobarik ke C sehingga volum menjadi setengahnya. Maka P C = P B = 410 5 Pa V C = 12V B = 10 -3 m 3 Dari C keadaan kembali ke A. Kurva proses selama satu siklus tampak pada Gambar 12.23. P [Pa] V [m 3 ] P B ,V B P A ,V A P C ,V C Gambar 12.23 Siklus pada Contoh 12.11 Pertama kita hitung luas daerah yang dilingkupi kurva. Untuk arah proses yang berlawanan gerakan jarum jam, luas daerah diberi tanda negatif. Luas = - 12 panjang  lebar Bab 12 Gas dan Termodinamika 997 =    A B A B V V P P    2 1 =    3 3 5 5 10 10 2 10 2 10 4 2 1         = - 100 J Maka, kerja selama satu siklus adalah W = - Luas = 100 J

12.21 Mesin Kalor

Dari pembahasan di atas tampak bahwa jika gas melakukan proses satu siklus maka kerja total yang dihasilkan dapat berharga negatif. Kerja yang berharga negatif menunjukkan bahwa gas melakukan kerja pada lingkungan. Jika siklus proses dapat dilakukan berulang-ulang maka gas akan melakukan kerja terus-menerus pada lingkungan. Untuk memanfaatkan kerja yang dilakukan oleh gas tersebut orang lalu merancang mesin, yang dikenal dengan mesin kalor. Dalam mesin ini gas diatur untuk melakukan siklus proses secara terus menerus. Kerja yang dihasilkan gas digunakan untuk memutar mesin, yang kemudian dapat diubah ke energi bentuk lain seperti energi listrik, menggerakkan roda kendaraan, dan lain-lain. Contoh mesin kalor adalah mesin kendaraan bermotor, turbin, mesin jet, dan sebagainya. Agar gas dalam mesin kalor dapat melakukan proses siklus terus menerus, maka gas tersebut perlu menyerap kalor. Sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja menggerakkan mesin dan sisanya dibuang. Contohnya, dalam mesin kendaraan, kalor diserap dari proses pembakaran bahan bakar dan sisa kalor dibuang ke lingkungan udara luar. Dengan demikian, secara skematik, mesin kalor diilustrasikan pada Gambar 12.24. Mesin kalor bekerja antara dua buah reservoir sumber panas, yaitu reservoir panas yang bersuhu T 1 dan reservoir dingin yang bersuhu T 2 . Kalor mengalir dari reservoir panas menuju reservoir dingin melewati mesin. Sebagian kalor dari reservoir panas digunakan untuk menghasilkan kerja dan sisanya dibuang ke reservoir dingin. Dengan hukum kekekalan energi diperoleh Bab 12 Gas dan Termodinamika 998 W Q Q   2 1 12.56 dengan Q 1 jumlah kalor yang diserap dari reservoir panas, Q 2 jumlah kalor yang dibuang ke reservoir dingin, dan W kerja yang dilakukan. Q 1 Q 2 W T 1 T 2 Reservoir dingin Reservoir panas Gambar 12.24 Skema mesin kalor. Kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi menuju reservoir bersuhu rendah. Sebagian kalor digunakan untuk menghasilkan kerja. Efisiensi Efisiensi mengukur kemampuan suatu mesin mengubah kalor yang diserap dari reservoir panas menjadi kerja. Untuk Q 1 yang sama, mesin yang menghasilkan kerja lebih besar dikatakan memiliki efisiensi lebih tinggi. Oleh karena itu, efisiensi didefinisikan sebagai