Mesin Kalor Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016

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 Bab 12 Gas dan Termodinamika 999 100 1   Q W  12.57 Contoh 12.12 Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoir panas sebesar 1000 J dan membuang kalor ke reservoir dingin sebesar 800 J. Berapaah efisiensi mesin tersebut? Jawab Kerja yang dilakukan mesin W = Q 1 – Q 2 = 1000 – 800 = 200 J Efisiensi mesin 100 1000 200 100 1     Q W  = 20 Contoh 12.13 Sebanyak 0,1 mol gas monoatomik mengalami proses perti diilustrasikan pada Gambar 12.25. Tentukan: a Kalor yang disedot dari reservoir panas b Kalor yang dibuang ke reservoir dingin c Kerja yang dihasilkan d Efisiensi mesin Bab 12 Gas dan Termodinamika 1000 P [Pa] V [L] - W A B C D 1 2 4  10 5 5  10 5 Gambar 12.25 Gambar untuk contoh 12.13. Jawab Untuk diketahui bahwa Mesin menyerap kalor jika Q berharga positif Mesin menyerap kalor jika Q berharga negatif Mari kita tinjau tiap-tiap elemen proses i Proses A  B adalah isokhorik sehingga W = 0 dan AB AB U Q   Tetapi 2 3 A B AB T T nR U    . Karena itu kita perlu menentukan T A dan T B . Kita gunakan persamaan gas ideal Bab 12 Gas dan Termodinamika 1001 315 , 8 1 , 10 10 4 3 5       nR V P T A A A = 481 K 315 , 8 1 , 10 10 5 3 5       nR V P T B B B = 601 K Dengan demikian, 481 610 315 , 8 1 , 2 3      AB Q = 150 J. Karena Q AB positif maka kalor disedot dari reservoir panas selama proses AB. ii Proses B  C adalah isobarik sehingga 10 10 2 10 5 3 3 5            B C B BC V V P W = - 500 J Perubahan energi dalam dihitung dari rumus umum 2 3 B C BC T T nR U    Kita perlu tentukan T C terlebih dahulu. Dengan hukum gas ideal 315 , 8 1 , 10 2 10 5 3 5        nR V P T C C C = 1202 K Bab 12 Gas dan Termodinamika 1002 Dengan demikian, perubahan energi dalam adalah 601 1202 315 , 8 1 , 2 3       BC U = 750 J Kalor yang terlibat dalam proses B  C adalah BC BC BC W U Q    = 750 – -500 = 1250 J. Pada proses ini pun kalor diserap dari reservoir panas. iii Proses C  D adalah isokhorik sehingga W = 0 dan 2 3 C D CD CD T T nR U Q     Kita selanjutnya perlu menentukan T D . Kita gunakan hukum gas ideal 315 , 8 1 , 10 2 10 4 3 5        nR V P T D D D = 962 K Dengan demikian diperoleh 1201 962 315 , 8 1 , 2 3      CD Q = - 299 J Bab 12 Gas dan Termodinamika 1003 Nilai Q yang negatif menunjukkan pada proses CD kalor dibuang ke reservoir dingin. iv Proses D  A adalah isobarik sehingga 10 2 10 10 4 3 3 5            D A A DA V V P W = 400 J Energi dalam dihitung dari rumus umum 962 481 315 , 8 1 , 2 3 2 3         D A DA T T nR U = - 600 J Dengan demikian kalor yang terlibat adalah DA DA DA W U Q    = -600 – 400 = - 1 000 J Nilai Q yang negatif juga menunjukkan bahwa selama proses DA diserahkan kalor ke reservoir dingin. Kalor total yang diserap dari reservoir panas Q 1 = Q AB + Q BA = 150 + 1250 = 1400 J Besarnya kalor yang dibuang ke reservoir dingin kita hitung nilai positifnya Bab 12 Gas dan Termodinamika 1004 DA CD Q Q Q   2 = 299 + 1000 = 1299 J Kerja yang dilakukan W = Q 1 – Q 2 = 1400 – 1299 = 101 J Dengan demikian efisiensi mesin 7 100 1400 101 100 1      Q W 

12.22 Mesin Carnot

Efisiensi mesin kalor yang dibuat hingga sekarang tidak terlampau tinggi. Hampir tidak ada mesin kalor yang dibuat dengan efisiensi di atas 50. Pertanyaan berikutnya, berapakah efisiensi tertinggi yang dapat dimiliki mesin kalor? Mesin kalor dengan efisiensi tertinggi adalah mesin Carnot, yang pertama kali dikaji oleh ilmuwan Prancis Sadi Carnot 1796-1832. Mesin Carnot memiliki siklus yang terdiri dari dua proses adiabatik dan dua proses isotermal Gambar 12.26. Proses AB dan CD adalah adiabatik dan proses BC dan DA adalah isotermal. Kalor diserap dari reservolir bersuhu tinggi hanya pada proses BC dan kalor dibuang ke reservoir bersuhu rendah hanya pada proses DA. Efisiensi mesin Carnot adalah 100 1 1 2          T T  12.58 Bab 12 Gas dan Termodinamika 1005 Gambar 12.26 Siklus mesin Carnot. Mesin Carnot dibentuk oleh dua peoses adiabatik dan dua proses isotermal.