Menghitung Efisiensi Mesin Carnot - Keadaan suatu
sistem dalam termodinamika dapat berubah-ubah, berdasarkan percobaan
besaran-besaran keadaan sistem tersebut. Namun, besaran-besaran keadaan
tersebut hanya berarti jika sistem berada dalam keadaan setimbang.
Misalnya, jika Anda mengamati suatu gas yang sedang memuai di dalam
tabung, temperatur dan tekanan gas tersebut di setiap bagian tabung
dapat berubah-ubah. Oleh karena itu, Anda tidak dapat menentukan suhu
dan temperatur gas saat kedua besaran tersebut masih berubah. Agar dapat menentukan besaran-besaran keadaan gas, gas harus dalam keadaan
reversibel.
Apakah yang dimaksud dengan proses reversibel? Proses reversibel adalah
suatu proses dalam sistem di mana sistem hampir selalu berada dalam
keadaan setimbang.
Gambar 9.8 Perubahan keadaan gas dalam siklus reversibel.
Perhatikanlah
Gambar 9.8. Dari grafik
p–
V tersebut, suatu gas mengalami perubahan keadaan dari A ke B. Diketahui bahwa pada keadaan A sistem memiliki tekanan
p1 dan volume
V1. Pada tekanan B, tekanan sistem berubah menjadi
p2 dan volumenya menjadi
V2.
Jika gas tersebut mengalami proses reversibel, keadaan gas tersebut
dapat dibalikkan dari keadaan B ke A dan tidak ada energi yang terbuang.
Oleh karena itu, pada
proses reversibel, kurva p–V yang
dibentuk oleh perubahan keadaan sistem dari A ke B dan dari B ke A
adalah sama. Dalam kenyataannya, sulit untuk menemukan proses reversibel
karena proses ini tidak memperhitungkan energi yang hilang dari dalam
sistem (misalnya, gesekan). Namun, proses reversibel memenuhi Hukum
Pertama Termodinamika. Tahukah Anda yang dimaksud dengan siklus
termodinamika? Siklus termodinamika adalah proses yang terjadi pada
sistem sehingga akhirnya sistem kembali pada keadaan awalnya. Namun,
apakah energi kalor dapat seluruhnya diubah menjadi energi mekanik?
Adakah mesin yang dapat mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha? Pada
tahun 1824 seorang ilmuwan Prancis, Sadi Carnot (1796 – 1832),
mengemukakan model mesin ideal yang dapat meningkatkan efisiensi melalui
suatu siklus, yang dikenal dengan siklus Carnot. Mesin ideal Carnot bekerja berdasarkan mesin kalor yang dapat bekerja bolakbalik (reversibel), yang terdiri atas empat proses, yaitu dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.
Gambar 9.9 Siklus Carnot
Pada gambar tersebut suatu gas ideal berada di dalam silinder yang
terbuat dari bahan yang tidak mudah menghantarkan panas. Volume silinder
tersebut dapat diubah dengan cara memindahkan posisi pistonnya. Untuk
mengubah tekanan gas, diletakkan beberapa beban di atas piston. Pada
sistem gas ini terdapat dua sumber kalor yang disebut reservoir suhu
tinggi (memiliki suhu 300 K) gas memiliki temperatur tinggi (300 K),
tekanan tinggi (4 atm), dan volume rendah (4 m
3). Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot.
a. Pada langkah, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu
tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston
dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak
berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2,
sejumlah kalor (
Q1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.
b. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan
mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung,
tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas
diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston.
Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.
c. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan
4 melalui proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu
rendah (200 K) menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston
bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperaturnya konstan,
dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (
Q2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.
d. Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan
keadaannya berubah dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas
piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang
keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan
volumenya berkurang. Menurut kurva hubungan
p–
V dari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas daerah di dalam kurva
p–
V siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke keadaannya semula, Δ
Usiklus = 0 sehingga persamaan usaha siklus (
Wsiklus) dapat dituliskan menjadi
Wsiklus = ΔQsiklus = (Q1 – Q2) ………. (9–28)
dengan:
Q1 = kalor yang diserap sistem, dan
Q2 = kalor yang dilepaskan sistem.
Ketika mesin mengubah energi kalor menjadi energi mekanik (usaha). Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (
W) terhadap energi kalor yang diserapnya (
Q1) disebut sebagai
efisiensi mesin. Persamaan matematis efisiensi mesin ini dituliskan dengan persamaan
dengan η = efisiensi mesin.
Oleh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika dinyatakan dengan
W =
Q1 –
Q2 maka
Persamaan (9–30) dapat dituliskan menjadi
Pada mesin Carnot, besarnya kalor yang diserap oleh sistem (
Q1) sama dengan temperatur reservoir suhu tingginya (
T1). Demikian juga, besarnya kalor yang dilepaskan sistem (
Q2) sama dengan temperatur reservoir suhu rendah mesin Carnot tersebut. Oleh karena itu,
Persamaan (9–30) dapat dituliskan menjadi
Keterangan:
η : efisiensi mesin Carnot
T
1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K)
T
2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K)
Dari
Persamaan (9–31) tersebut, Anda dapat
menyimpulkan bahwa efisiensi mesin Carnot dapat ditingkatkan dengan cara
menaikkan temperatur reservoir suhu tinggi atau menurunkan temperatur
reservoir suhu rendah.
Contoh Soal
Sebuah mesin Carnot menyerap kalor sebesar 1.000 kJ. Mesin ini
bekerja pada reservoir bersuhu 300 K dan 100 K. Berapa kalor yang
terbuang oleh mesin?
Diketahui : T
1 = 300 K
T
2 = 200 K
Q
1 = 1.000 kJ
Ditanyakan: Q
2 = …?
Jawab :
η = [ 1- (T
2/T
1)] x 100% = [1 – (200/300)] x 100% = 33,33% = 1/3
Untuk menghitung Q
2, dapat Anda gunakan persamaan efisiensi:
η = [ 1- (Q
2/Q
1)] x 100%
1/3 = 1 – (Q
2/1.000)
Q
2 = 333,3 kJ
Jadi, kalor yang terbuang oleh mesin sebesar 333,3 kJ.
03.09
Unknown
