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