Siklus Carnot Siklus Termodinamika

Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 219 Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa energi dalam pada gas ideal sebanding dengan suhu, sehingga: η = § · ¨ ¸ © ¹ 2 1 1 T T × 100 . . . 9.33 Keterangan: η : efisiensi mesin T 1 : suhu tandon panas K T 2 : suhu tandon dingin K Mesin pendingin Carnot seperti air conditioner AC maupun lemari es seperti ilustrasi di awal bab menggunakan proses yang berbeda dengan proses mesin pemanas yang menggunakan siklus Carnot. Mesin pendingin Carnot menyerap kalor dingin sebagai sumber dan membuangnya dalam bentuk kalor panas. Hal ini seperti ditunjukkan pada gambar 9.15 di bawah. Arah Q 1 dan Q 2 pada siklus pendingin Carnot berlawanan dengan arah Q 1 dan Q 2 pada siklus mesin pemanas Carnot. Skema mesin pendingin Carnot dapat ditunjukkan seperti pada gambar 9.16 berikut. Gambar 9.16 Skema mesin pendingin Carnot Gambar 9.15 Siklus mesin pendingin Carnot B Q 1 A Q 2 D P C V T H T c Q H W Q c Pada mesin pendingin Carnot, kalor panas Q H dinyatakan sebagai Q 1 dan kalor dingin Q C sebagai Q 2 . Usaha pada mesin pendingin Carnot dapat juga dihitung dengan rumus: W = Q 1 – Q 2 Efisiensi mesin pendingin Carnot adalah sebagai berikut. η = 2 W Q × 100 η = § · ¨ ¸ © ¹ Q Q Q 1 2 2 × 100 η = § · ¨ ¸ © ¹ 1 2 1 Q Q × 100 . . . 9.34 Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 220 atau η = § · ¨ ¸ © ¹ 1 2 1 T T × 100 . . . 9.35 Karakteristik mesin pendingin Carnot ditunjukkan oleh koefisien performance, yaitu perbandingan antara kalor yang diserap dengan usaha yang dilakukan mesin. Koefisien performance mesin pendingin Carnot atau koefisien daya guna mesin pendingin Carnot adalah sebagai berikut. K = K 1 K = Q W 2 K = Q Q Q 2 1 2 . . . 9.36 atau K = 2 1 2 T T T . . . 9.37 Supaya kamu lebih memahami siklus Carnot, pelajarilah contoh soal di bawah ini kemudian kerjakan pelatihan di bawahnya Contoh Soal Efisiensi suatu mesin Carnot 70. Jika suhu reservoir suhu tingginya 837 K, tentukan suhu reservoir suhu rendahnya Penyelesaian: Diketahui: η = 70 T 1 = 837 K Ditanyakan: T 2 = . . .? Jawab: η = 1 § · ¨ ¸ © ¹ 2 1 T T 100 70 = 1 § · ¨ ¸ © ¹ 1 837 T 100 70 = 100 – 2 100 837 T 2 100 837 T = 70 – 70 2 100 837 T = 30 100 T 2 = 30 . 837 100 T 2 = 25.110 T 2 = 251,1 K Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 221 Kerja Berpasangan 2 Kerjakan bersama teman sebangkumu 1. Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu tingginya pada 127 °C menyerap 100 kalori dan mengeluarkan 80 kalori ke reservoir suhu rendah. Tentukanlah suhu reservoir terakhir 2. Suatu mesin menerima 200 kalori dari sebuah reservoir bersuhu 400 K dan melepaskan 175 kalori ke sebuah reservoir lain yang bersuhu 320 K. Jika mesin tersebut merupakan mesin Carnot, berapakah efisiensinya? 3. Hitunglah efisiensi ideal dari suatu mesin Carnot yang bekerja pada suhu 100 °C dan 400 °C. 4. Sebuah mesin Carnot menggunakan reservoir suhu rendah pada 7 °C, efisiensinya 40 . Jika efisiensinya diperbesar menjadi 50 , berapakah reservoir suhu tingginya harus dinaikkan? 5. Mesin Carnot bekerja di antara dua reservoir panas yang bersuhu 400 K dan 300 K. Jika dalam tiap siklus, mesin menyerap panas sebanyak 1.200 kalori dari reservoir yang bersuhu 400 K, bera- pakah panas yang dikeluarkan ke reservoir yang bersuhu 300 K? P Q 1 B D A Q 2 V C Gambar 9.17 Siklus Otto V 1 V 2

b. Siklus Otto

Siklus mesin bakar atau biasa disebut siklus Otto ditunjukkan pada gambar 9.17 di samping. Siklus Otto dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isokhorik. Jika siklus Otto dimulai dari titik A, proses-proses yang terjadi pada siklus Otto tersebut adalah sebagai berikut. Proses A – B : pemampatan adiabatik T A J V 1 1 = T B J V 1 2 Proses B – C : proses isokhorik, gas me- nyerap kalor sebesar Q 1 = m C v T C – T B Proses C – D : pemuaian adiabatik T C J V 2 = T D J V 2 Proses D – A : proses isokhorik, gas mengeluarkan kalor Q 2 = m C V T D – T A Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 222 Gambar 9.18 Siklus Diesel P A D C Q 1 V B Q 2 Usaha yang dilakukan sistem pada siklus Otto adalah: W = Q 1 – Q 2 Efisiensi siklus Otto adalah sebagai berikut. η = 1 2 1 Q Q Q η = 1 – 2 1 Q Q . . . 9.38 atau η = 1 – D A C B T T T T . . . 9.39

c. Siklus Diesel

Siklus pada mesin diesel dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan satu garis lurus isobarik serta satu garis lurus isokhorik lihat gambar 9.18. Pada mesin diesel, pembakaran jauh lebih lambat sehingga gas di dalam silinder berkesempatan untuk mengembang bebas. Pengembangan selama pembakaran ber- langsung pada tekanan yang hampir tetap. Sebaliknya, pendinginannya berlangsung cepat pada volume yang hampir tetap. Perhatikan gambar 9.18 di samping Proses A – B : pemampatan adiabatik T A J V 1 = T B J V 2 Proses B – C : langkah daya pertama pemuai- an isobarik W = P dV W = nRT v dV W = nRT dV V W = nRT ln dV Proses C – D : proses pemuaian adiabatik T C J V 1 1 = T D J V 1 2 Proses D – A : proses pelepasan kalor isokhorik pendinginan W = 0, terjadi penurunan suhu Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 223

d. Siklus Rankine

Siklus mesin uap yang juga di- sebut siklus Rankine ditunjukkan pada gambar 9.19 di samping. Siklus ini dibatasi oleh garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isobarik. Hanya saja pada mesin uap terdapat proses penguapan dan pengembunan. Pada mesin uap, pemanasannya adalah pemanasan air di dalam ketel yang mendidih pada tekanan tetap tertentu. Pengembangan volume yang terjadi pada air diakibatkan oleh penguapan intensif. Kembalinya sistem ke keadaan awal mengakibatkan pengembunan uap jenuh. Proses ini berlangsung pada tekanan tetap. Mula-mula air dalam keadaan cair dengan suhu dan tekanan rendah di titik A. Siklus Rankine pada gambar 9.19 dapat dijabarkan sebagai berikut. Proses A – B : pada zat cair ditambahkan tekanan, suhu naik dari T A → T B . Proses B – C : penguapan pada tekanan tetap, suhu naik, C – mulai terjadi penguapan. Proses C – D : perubahan wujud dari cair ke uap, D – semua zat cair sudah menjadi uap. Proses D – E : pemuaian pada tekanan tetap, suhu naik dari T D ke T E . Proses E – F : pemuaian adiabatik. Proses F – A : pengembunan pada tekanan tetap. Bila proses dibalik Proses A – F : penguapan pada tekanan tetap sehingga mem- butuhkan kalor. Proses F – E : pemampatan adiabatik. Proses C – B : pengembunan pada tekanan tetap menyebabkan terjadinya pelepasan kalor. Gambar 9.19 Siklus Rankine P B A C D E F cair uap V 1 V 2 V 3 Q 1 Q 2 V cair uap