A. SIKLUS CARNOT

Sejarah Penemuan Konsep

Nicolas Carnot menemukan dan merumuskan hukum kedua termodinamika dan

memberikan model universal atas mesin panas, sebuah mesin yang mengubah energi panas

kedalam bentuk energi lain. Misalnya energi kinetik (sekarang bernama siklus Carnot) atau biasa

disebut mesin Carnot. Mesin Carnot adalah sebuah mesin kalor dengan cara memindahkan

energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya mengubah

sebagian energi menjadi usaha mekanis.

Penemuan ini berawal dari ketertarikan dari Nicolas Carnot dengan mesin uap, pada saat

Sadi Carnot menengok ayahnya pada tahun 1821 di Magdeburg. Adiknya, Hippolyte Carnot,

tinggal bersama sang ayah. Pertemuan ayah dengan anaknya ini, selain melepas rindu juga

banyak berdiskusi tentang mesin uap. Mesin uap dari revolusi industri Inggris mulai

menjamur.Sepulang dari reuni ini, Sadi dengan penuh antusias berusaha mengembangkan teori

tentang mesin uap. Sesampainya di Paris, Sadi sudah fokus dengan cita-citanya yaitu memulai

mengerjakan teori tentang kalor (panas) dan membantu menjabarkan teori termodinamika

modern.

Apa yang ada di otak Sadi adalah bagaimana merancang mesin uap dengan baik? Tenaga

Uap mempunyai banyak manfaat : mengeringkan air dalam pertambangan, mengangkat air dari

sungai untuk irigasi, menggiling biji-bijian, memintal benang tapi saat itu belum efisien. Jaman

ini mesin-mesin uap masih diimpor dari Inggris karena belum ada insinyur dan designer mesin

perancis yang memahaminya. Mesin-mesin buatan Inggris sudah dilengkapi dengan spesifiksi :

jenis/tipe mesin, mesin tekana tinggi/rendah. 

Pengembangan Konsep

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotesis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel

yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot,

seorang insinyur militer perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudia dikembangkan

secara grafis oleh Emile Clapeyron, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausiusdan

Clapeyron. Setiap system termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus

termodinamika terjadi ketika suatu system mengalami rangkaian keadaan – keadaan yang

berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam melalui proses siklus ini, system

tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Sebuah mesin kalor bekerja dengan memindahkan energi dari daerah yang lebih panas

kedaerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya mengubah sebagian energi menjadi usaha

mekanis.Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu

mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih

dingin kenergi panas.

Pengertian

Siklus adalah suatu rangkaian sedemikian rupa sehingga akhirnya kembali pada keadaan

semula.siklus termodinamika melibatkan proses isotermal,isobarik, isokhorik.sistem menjalani

proses isotermal dari keadaan A sampaB,kemudian menjalani proses isobarik untuk mengubah

sistem keadaan B ke keadaan C.Akhirnya proses

isokhorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya.

          

  Apabila siklus tersebut berlangsung terus menerus,kalor yang diberikan dapat diubah menjadi

usaha mekanik.Tetapi tidak semua kalor dapat di ubah menjadi usaha .secara matemati dapat

ditulis :

                                    W= n RT In - P (v2-v1 )

           Usaha bernilai positif jika arah proses dalam siklus searah putaran jam.dan

sebaliknya .Perubahan energi dalam ∆U untuk satu siklus dengan nol.karena keadaan awal sama

dengan keadaan akhir.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamik ideal yang mampu-balik, yang pada mulanya

digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan maksimum konversi energi panas ke energi

mekanik.  Dalam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum

suatu alat pendingin.  Siklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin

mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu-balik di alam nyata, tetapi dapat dianggap

sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.               

Ciri-ciri siklus carnot

1. Setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal

baik pada TH maupun pada TC.

2. Setiap proses yang mengalami perubahan suhu tidak terjadi

perpindahan panas (proses adiabatik)

3. Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik

reversible

Kelemahan siklus carnot

Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat

berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang

sangat jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran.  Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain

adalah :

1. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan

tekanan terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas

secara isotermal.

2. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas

panas tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek.

3. Diagram p-v siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga

sedikit ke-tak-mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan

kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus

tersebut.

Teorema Carnot

Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada

mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin

Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang

dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh

efisiensi mesin Carnot,

η= ΔWQH

=1− TcT h

Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang beroperasi antara dua

reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang sama pula.

Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat diperoleh jika dan

hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus tersebut. Jika ada, maka karena entropi

adalah fungsi keadaan, untuk membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke keadaan

semula akan melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan proses irreversibel

dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di atas hanya memberikan efisiensi

dari sebuah mesin kalor reversibel.

Theorema Carnot berbunyi : “ Tak ada sebuah mesin yang bekerja antara dua reservoir

tertentu dapat lebih effisien daripada mesin Carnot yang bekerja antara kedua reservoir

Bukti:

Misalkan sebuah mesin Carnot (R) dan suatu mesin lain (I) bekerja diantara dua reservoir

yang samadan diatur demikian sehingga keduanya melakukan usaha yang sama yaitu W.

Mesin Carnot R

1. Menghisap kalor reservoir panas.

2. Melakukan usaha W.

3. Mengeluarkan kalor Q1-W kepada reservoir dingin

4. Daya Guna η.R=W.Q1

Mesin Lain I

1. Menghisap kalor Q, dari reservoir panas.

2. Melakukan usaha W

3. Mengeluarkan kalor Q1'-W kepada reservoir dingin

4. Daya guna η1=WQ'

Misalkan bahwa daya guna mesin I lebih besar dari R

ηI>ηR

WQ,>WQ1

Q1>Q'

Misalkan sekarang bahwamesin I menjalankan mesin Carnot R yang bekerja sebagai

mesin pendingin. Pada peristiwa ini secara simbolikditunjukkan sebagai gambar

Karena seluruh usaha adalah untuk kepentingan bersama maka mesin kalor dan mesin

pendingin ini dapat digabungkan sehingga keseluruhannya merupakan alat yang bekerja sendiri.

Kalor bersih yang diserap dari reservoir dingin adalah:

Q1-W-Q1-W=Q1-Q1'

Harga ini adalah positif. Kalor bersih yang dikeluarkan kepada reservoir panas juga =Q1-Q1'

Jadi kesimpulannya alat yang bekerja sendiri ini memudahkan kalor sebesar Q1-Q1, dari

reservoir dingin ke reservoir panas. Hal ini bertentangan dengan hukum II Termodinamika (Azas

Clausius).

Hal ini berarti bahwa pengandaian ηI>ηR salah. Maka seharusnya adalah:

ηI≤ηR

Dari Theorema Carnot dapat ditarik kesimpulan bahwa:

Semua mesin Carnot yang bekerja antara dua reservoir yang tertentu daya gunanya sama.

Effisiensi Carnot

Hukum kedua termodinamika menempatkan batasan fundamental dalam efisiensi panas

dari semua mesin kalor. Dalam keadaan ideal, mesin yang memiliki friksi kecil tidak dapat

mengkonversi mendekati 100% dalam mengubah panas menjadi kerja atau usaha. Faktor

batasannya adalah temperature dimana panas masuk ke mesin, TH, dan temperature lingkungan

ke dalam dimana mesin membuang panas buangannya,TC, dihitung dalam skala absolut, seperti

Kelvin atau Rankine. Dari teorema carnot, untuk mesin apapun yang bekerja antara dua

temperature ini adalah :

atau ηth≤ 1−Q1

Q2

Sehingga dapat ditulis :

ηth=Q1

Q2=

T c

T H

Nilai batasan disebut effisiensi siklus carnot karena nilai ini adalah effisiensi dari sebuah

mesin ketidakcapaian,ideal, siklus reversible yang disebut siklus Carnot. Tidak ada mesin yang

mengkonversi ke dalam energy mekanik bisa melebihi efisiensi ini.

Siklus Carnot

Ada sebuah mesin seperti gambar diatas. Sisi dan atas silinder ditutup sehingga panas

tidak dapat mengalir masuk atau keluar system. Bagian bawah dibuat konduktor ideal sehingga

panas dapat mengalir masuk maupun keluar dari system melewati bagian bawah silinder. Tiga

berdiri bisa untuk penempatan silinder; stand panas, stand dingin dan stand insulator sempurna.

Dapat dilihat bagaimana siklus bekerja.

Langkah 1: Ekspansi Isothermal. Silinder ditempatkan pada panas temperature

tinggin yaitu. TH. Panas dikonduksi melewati bagian bawah silinder dan gas diserap panas. Kita

menyebut panas ini,Qin. Sebagai akibat penambahan panas, gas berekspansi, menekan piston

keatas. Langkah ini melakukan beberapa kerja. Kita menyebut langkah ini ekspansi isothermal

karena temperature tetap konstan dan volume meningkat. Usaha yang dilakukan sama untuk

PV. Langkah ini ditunjukan sebagai kurva AB dalam PV diagram dibawah.

Langkah 2: Ekspansi Adiabatik. Silinder tiba-tiba bergerak dari stand panas ke stand

insulated. Sekali ia ditempatkan di stand insulated, panas bisa mengalir ke dalam system (keluar

system). Gas melanjut ke ekspansi, tapi karena panas tidak lama yang masuk atau keluar, ini

terjadi ekspansi adiabatic. Tekanan di dalam silinder menekan ke nilai terendahnya. Ini diwakili

oleh kurva BC dalam diagram PV. Uasaha dilanjutkan bekerja oleh system selama langkah ini.

Langkah 3: Kompressi Isotermal: Silinder tiba-tiba ditempatkan ke temperature rendah.

Panas , yang mana kita sebut Qout, mengalir dari silinder ke dalam panas buangan. Sistem

kehilangan panas, volume menurun, dan gas dikompres secara isothermal. Ini ditunjukkan oleh

kurva CD dalamPV diagram

Langkah 4: Kompresi Adiabatik. Silinder ditempatkan kembali ke stand insulated.

Panas tidak bisa masuk atau keluar, sehinngga system mengalami kompressi adiabatic kembali

ke bagian awal pada kurva AD.

B. MESIN KALOR CARNOT

Ketika system dalam suatu mesin menjalani sebagian daurnya, sejumlah kalor

diserap dari reservoir panas, pada bagian lain dari daur itu kalor yang jumlahnya lebih

sedikit dibuang ke reservoir yang lebih dingin. Jadi boleh dikatakan bahwa mesin bekerja

diantara sepasang reservoir ini. Menurut kenyataannya sejumlah kalor selalu dibuang ke

reservoir yang lebih dingin, sehingga efisiensi mesin tidak akan pernah mencapai 100%.

Ada 3 hal yang penting mengenai mesin.

1. Berapa daya guna maksimum yang dapat dicapai oleh suatu mesin yang bekerja antara

kedua reservoir itu.

2. Bagaimana karakteristik mesin.

3. Apa pengaruh sifat zat kerja.

Untuk menjawab pertanyaan ini Nicelai Leonard Sadi Carnot (1824) seorang

insinyur ulung bangsa perancis memikirkan sebuah siklis ideal yang sekarang terkenal

dengan siklus Carnot. Siklus carnot terdiri atas dua proses isothermal reversible dan dua

proses adiabatic reversible.

Siklus Carnot terdiri dari 4 proses sebagai berikut:

1. Proses adiabatic reversible dalam arah sedemikian sehingga suhu naik sampai suhu

T1dari reservoir panas.

2. Zat kerja tetap berhubungan dengan reservoir dengan suhu T1 dan menjalani proses

isotermik reversible dalam arah dan waktu sedemikian sehingga jumlah kalor Q1 diserap

dari reservoir tersebut, (Penyerapan kalor terjadi pada suhu konstan yaitu suhu dari

reservoir panas).

3. Proses adiabatic reversible dalam arah berlawanan dengan proses pertama sehingga suhu

turun sampai suhu T2 dari reservoir dingin.

4. Zat kerja tetap berhubungan dengan reservoir pada T2 dan mengalami proses isothermik

reversible dalam arah belawanan dengan proses kedua sampai zat kerja mencapai

keadaan mula-mula. Selama proses ini kalor Q2 diberikan kepada reservoir dingin

(Pengeluaran kalor terjadi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir dingin)

Suatu mesin yang menjalani siklus carnot disebut mesin carnot. Sedangkan mesin

kalor carnot adalah suatu mesin yang mengubah energy kalor menjadi energy mekanik.

Karena keempat proses dari siklus tersebut reversible maka siklus carnot adalah siklus

reversible.

Q2= Kalor masuk

W= Usaha yang dihasilkan

Q1= Kalor yang keluar atau energy kalor yang tidak terpakai atau terbuang

Q2 dari reservoir panas, Q1 dari reservoir dingin.

Usaha W=Q2-Q1

Efisiensi mesin kalor :

Diagram Mesin Carnot

Usaha 1-2 ( Ekspansi isothermik)

Usaha 2-3 ( Ekspansi adiabatic)

Usaha 3-4 ( Kompresi isothermik)

Usaha 4-1 (Kompresi adiabatic)

Usaha Total

Diagram modern

Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam

pembahasan modern

Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi TH melalui

"fluida kerja", menuju reservoir dingin ,TC, dan menyebabkan fluida kerja memberikan usaha

mekanis kepada lingkungan, melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian (ekspansi).

Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), dapat berupa

benda fluida atau uap apapun yang dapat menerima dan memancarkan kalor Q, untuk

menghasilkan usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat berupa zat apapun yang dapat

mengalami ekspansi, seperti uap air, uap alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun

begitu, pada tahun-tahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi

khusus, yaitu ,QH, disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku, QC, biasanya

adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang terletak di berbagai bagian mesin. Usaha

keluaran ,W ,biasanya adalah gerakan piston yang digunakan untuk memutar sebuah engkol,

yang selanjutnya digunakan untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya biasanya untuk

mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot sendiri mendefinisikan "usaha" sebagai

"berat yang diangkat melalui sebuah ketinggian".

C. APLIKASI YANG BERHUBUNGAN DENGAN MESIN CARNOT

Refrigerator Kompresi Uap