Mesin KalorMesin Bahang Heat Engine Mesin Carnot Siklus Carnot

Fisika Kelas XI 288 Kalian telah mengetahui bahwa kalor yang masuk ke sistem hanya sebagian yang digunakan untuk melakukan usaha. Sementara sebagian lagi digunakan untuk menambah energi dalam sistem. Sebuah mesin bisa dianggap sebagai sistem akan sangat baik jika mampu mengubah semua kalor menjadi usaha. Akan tetapi hal ini sangat sulit dicapai. Perban- dingan antara jumlah kalor yang masuk dan usaha yang dilakukan mesin di nyatakan sebagai efisiensi mesin. Bila sistem dianggap sebagai suatu mesin yang mengubah kalor men- jadi usaha, efisiensi mesin η dinyatakan sebagai perbandingan anatara usaha yang dihasilkan mesin dengan jumlah kalor yang diserapnya. Jadi, efisiensi mesin dirumuskan sebagai berikut. η = × W Q 100 Keterangan: η = efisiensi mesin W = Usaha yang dilakukan sistem dalam satu siklus J Q = kalor yang diserap sistem J Kita telah mempelajari hubungan antara kalor, usaha, dan hukum termodinamika. Bagaimanakah penerapan materi yang tersebut dalam kehidupan sehari-hari? Kalian akan mendapatkan jawabannya setelah mempelajari uraian di bawah ini. C Penerapan Hukum I Termodinamika

1. Mesin KalorMesin Bahang Heat Engine

Jika kalor yang masuk ke dalam sistem lebih besar daripada kalor yang keluar sistem dan usaha yang dilakukan sistem, maka sistem itu disebut mesin kalor heat engine. Mesin ini digunakan untuk menghasilkan usaha yang keluar secara kontinu dengan cara melakukan siklus secara berulang- ulang. Jika Q 1 adalah kalor yang diserap sistem, Q 2 adalah kalor yang dilepas sistem, dan W adalah usaha yang dilakukan sistem mesin, maka efisiensi mesin dinyatakan dengan persamaan η = × W Q masuk 100 Karena proses ini adalah siklik proses siklus, maka ∆U = 0. Sesuai dengan hukum I Termodinamika ∆ U = ∆Q – W Dengan, ∆ Q = Q masuk – Q keluar ∆ Q = Q 1 – Q 2 W = Q 1 – Q 2 Di unduh dari : Bukupaket.com Termodinamika 289 Sehingga, η η = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟× = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ Q Q Q Q Q 100 1 1 2 1 2 1 ⎠⎠ ⎟×100 Keterangan: η = efisiensi mesin Q 1 = jumlah kalor yang masuk J Q 2 = jumlah kalor yang keluar J Prinsip kerja mesin kalor dapat digambarkan seperti gambar 8.10. Dari gambar tersebut, kalor Q 1 yang masuk mesin digunakan untuk melakukan usaha dan menambah energi dalam sistem. Akan tetapi, tidak semua kalor digunakan. Ada sebagian kalor yang dikeluarkan yakni Q 2 . Transformasi kalor menjadi usaha dapat diperoleh dari dua macam mesin, yaitu mesin bakar eksternal external combustion engine seperti me- sin Stirling dan mesin uap, serta mesin bakar internal internal combustion engine seperti mesin bensin dan mesin diesel.

2. Mesin Carnot Siklus Carnot

Siklus Carnot merupakan Siklus Carnot ditunjukkan dengan diagram P versus V pada gambar 8.12 di bawah. Proses yang terjadi pada siklus Carnot dapat dijelaskan sebagai berikut. 1 Proses 1, proses dari A ke B, yaitu proses pemuaian secara isotermik. Proses ini menyerap kalor Q 1 dari sumber bersuhu tinggi T 1 dan seluruhnya diubah menjadi usaha sebesar W 1 . 2 Proses 2, proses dari B ke C, yaitu pemuaian secara adiabatik. Pada proses ini, sistem tidak menyerap atau melepas kalor, tetapi melakukan usaha sebesar W 1 dan suhunya berkurang. 3 Proses 3, proses dari C ke D, yaitu pemampatan secara isotermik. Pada proses ini sistem melepas kalor ke tempat bersuhu rendah T 2 sebesar Q 2 dan melakukan usaha yang berharga negatif. Besar usaha itu W 3 . 4 Proses 4, proses dari D ke A, yaitu pemampatan secara adiabatik. Pada proses ini, sistem tidak menyerap atau melepas kalor, tetapi melakukan usaha yang berharga negatif, besarnya W 4 , serta suhu sistem naik. Gambar 8.11 Grafik hubungan tekanan dan volume pada siklus Carnot. Gambar 8.10 Diagram skematis aliran energi pada mesin kalor. a b Pemuaian isotermik b c Pemuaian adiabatik Q = 0 c d Penekanan isotermik Q H d a Penekanan adiabatik Q = 0 Q L T L T H P a Q H b T H T L c Q L d V Di unduh dari : Bukupaket.com Fisika Kelas XI 290 C o n t o h 1. Sebuah mesin melakukan usaha sebesar 6.000 J. Kalor yang dibuang mesin ke tandon suhu rendah sebesar 2.000 J. Ten- tukan: a. kalor yang diserap mesin dari tandon suhu tinggi, b. efisiensi mesin. Penyelesaian: Diketahui: Q 2 = 2.000 J W = 6.000 J Ditanyakan a. Q 1 b. η Jawab: a. Kalor yang diserap mesin dari tan- don suhu tinggi di cari dari persa- man: W = Q 1 – Q 2 Q 1 = W + Q 2 Q 1 = 6.000 J + 2.000 J = 8.000 J M o z a i k Nicolas Leonard Sadi Carnot 1796-1832 seorang ilmuwan Perancis, pada tahun 1824 mengemukakan gagasan tentang mesin ideal secara teori. Mesin ini berdasarkan suatu proses siklik sederhana termodi- namika. Gagasan Carnot ini dikenal sebagai siklus Carnot. www.nnbb.com Diagram aliran arus pada sistem ini dapat ditunjukkan seperti Gam- bar 8.12. Usaha total yang dihasilkan mesin dalam satu siklus adalah W = W 1 + W 2 + W 3 + W 4 W = Q 1 – Q 2 Keterangan: Q 1 = kalor yang diserap mesin Q 2 = kalor yang dilepas mesin Efisiensi mesin carnot dapat dicari dengan persamaan berikut. η η = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟× = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ Q Q Q Q Q 100 1 1 2 1 2 1 ⎠⎠ ⎟×100 Karena besar Q sebanding dengan suhu, maka efisiensi kesin karnot dapat dicari dengan persamaan, η = − ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟× T T 2 1 1 100 Keterangan: T 1 = suhu pada tandon reservoir tinggi T 2 = suhu pada tandon reservoir rendah Perhatikan contoh berikut. Gambar 8.12 Diagram aliran energi sistem pada siklus Carnot. Tandon suhu tinggi T 1 Q 1 Q 2 W Tandon suhu tinggi T 2 Setyawan, Lilik Hidayat, 2004, hlm. 28 Di unduh dari : Bukupaket.com Di unduh dari : Bukupaket.com Fisika Kelas XI 292

4. Metabolisme Manusia