Artikel tentang Siklus Mesin Carnot
Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan Perancis bernama Sadi Carnot (1796‐1832) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan, demikian juga hukum kedua termodinamika. Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum mengetahui bahwa kalor merupakan energi. Setelah Joule dan teman‐temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama termodinamika dirumuskan setelah tahun 1830. Sadi Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang pada waktu itu sudah digunakan. Kebanyakan mesin uap waktu itu kurang efisien.
Siklus pada mesin kalor ideal hasil pemikiran Sadi Carnot disebut sebagai siklus Carnot. Sebelum meninjau siklus Carnot, alangkah baiknya kita pahami kembali proses ireversibel. Setiap proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi yang berlangsung secara alami, biasanya terjadi secara ireversibel (tidak bisa balik). Misalnya kalau kita menggosokkan kedua telapak tangan, kedua telapak tangan kita terasa hangat. Dalam hal ini, kalor alias panas dihasilkan melalui kerja yang kita lakukan. Prosesnya bersifat ireversibel. Kalor yang dihasilkan tersebut tidak bisa dengan sendirinya melakukan kerja dengan menggosok‐gosok kedua telapak tangan kita. Tujuan dari mesin kalor adalah membalikkan sebagian proses ini, di mana kalor bisa dimanfaatkan untuk melakukan kerja dengan efisiensi sebesar mungkin. Agar mesin kalor bisa memiliki efisiensi maksimum maka kita harus menghindari semua proses ireversibel. Perpindahan kalor yang terjadi secara alami biasanya bersifat ireversibel, karenanya diupayakan agar tidak terjadi perpindahan kalor.
Pada saat mesin mengambil kalor QH pada tempat yang bersuhu tinggi (TH), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TH. Demikian juga apabila mesin membuang kalor QL pada tempat yang bersuhu rendah (TL), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TL. Jadi setiap proses yang melibatkan perpindahan kalor harus bersifat isotermal (suhu sama). Sebaliknya, apabila suhu zat kerja dalam mesin berada di antara TH dan TL, tidak boleh terjadi perpindahan kalor antara mesin dengan tempat yang memiliki suhu TH (penyedia kalor) dan tempat yang memiliki suhu TL (pembuangan). Agar kalor tidak jalan‐jalan maka proses harus dilakukan secara adiabatik.
Siklus Carnot sebenarnya terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel.
Gambar di samping merupakan siklus Carnot untuk gas ideal. Mula‐mula kalor diserap selama pemuaian isotermal (a‐b). Selama pemuaian isotermal, suhu gas dalam silinder dijaga agar selalu konstan.
Selanjutnya gas memuai secara adiabatik sehingga suhunya turun dari TH menjadi TL (b‐c). TH = suhu tinggi (High temperatur), TL = suhu rendah (Low temperatur). Selama pemuaian adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari silinder. Setelah itu gas ditekan secara isotermal (c‐d). Selama penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Selanjutnya gas ditekan secara adiabatik (d‐a). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu gas meningkat. Suhu gas meningkat sehingga tekanan gas juga meningkat. Seluruh proses pada siklus Carnot bersifat reversibel.
Selama pemuaian isotermal dan penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Tujuannya adalah menghindari adanya perbedaan suhu. Adanya perbedaan suhu bisa menyebabkan terjadi perpindahan kalor (proses ireversibel). Agar proses isotermal bisa terjadi (suhu gas selalu konstan) maka gas harus dimuaikan atau ditekan secara perlahan‐lahan. Dalam kenyataannya, pemuaian atau penekanan gas terjadi lebih cepat. Hal ini diakibatkan oleh adanya turbulensi (ingat materi fluida dinamis), gesekan, kekentalan dll. Akibatnya proses isotermal yang sempurna tidak akan pernah ada. Sebaliknya, pemuaian dan penekanan adiabatik dilakukan dengan cepat.
Tujuannya adalah menjaga agar kalor tidak mengalir menuju silinder atau keluar dari silinder. Adaya gesekan, viskositas dll menyebabkan pemuaian dan penekanan adiabatik sempurna tidak akan pernah ada. Perlu diketahui bahwa mesin Carnot hanya bersifat teoritis saja. Mesin carnot tidak ada dalam kehidupan kita. Walaupun hanya bersifat teoritis tetapi adanya mesin Carnot sangat membantu pengembangan ilmu termodinamika. Setidaknya dapat diketahui setiap proses ireversibel yang mungkin terjadi selama proses dan berupaya untuk meminimalkannya sehingga efisiensi mesin kalor rancangan kita bisa bernilai maksimum.
Hasil yang sangat penting dari mesin Carnot adalah bahwa untuk mesin kalor yang sempurna, Kalor yang diterima (QH) sebanding dengan suhu TH dan kalor yang dibuang (QL) sebanding dengan suhu TL. Dengan demikian, efisiensi mesin kalor sempurna adalah :
Contoh soal 1 :
Sebuah mesin uap bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC. Tentukan efisiensi ideal (efisiensi Carnot) dari mesin uap tersebut.
Pembahasan
Suhu harus diubah ke dalam skala Kelvin.
TH (suhu tinggi) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
TL (suhu rendah) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC adalah 26 %. Apabila mesin yang kita gunakan dalam kehidupan sehari‐hari bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC, efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal (18,2 %).
Contoh soal 2 :
Sebuah mesin kalor menerima kalor (Q) sebanyak 600 Joule pada suhu 300 oC, melakukan kerja (W) 100 Joule dan membuang 500 J pada suhu 100 oC. Tentukan efisiensi sebenarnya dan efisiensi ideal (efisiensi Carnot) mesin ini…
Pembahasan
Suhu harus diubah ke dalam skala Kelvin
TH (suhu tinggi) = 300 oC ‐‐‐ 300 + 273 = 573 K
TL (suhu rendah) = 100 oC ‐‐‐ 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Efisiensi mesin :
Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 300 oC dan 100 oC adalah 35 %. Efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal = 0,7 x 35 % = 24,5 % (24,5 % x 600 J = 147 J kalor yang bisa digunakan untuk melakukan kerja).
Efisiensi sebenarnya dari mesin ini adalah 17 % (hanya 100 J kalor yang digunakan untuk melakukan kerja). Masih sekitar 147 J – 100 J = 47 J kalor yang bisa dipakai untuk melakukan kerja. Alangkah baiknya jika efisiensi mesin ini dtingkatkan, sehingga kerugian yang kita terima diminimalkan.
Contoh soal 3 :
Sebuah mesin menerima 1000 Joule kalor dan menghasilkan 400 Joule kerja pada setiap siklus. Mesin ini bekerja di antara suhu 500 oC dan 200 oC. Berapakah efisiensi sebenarnya dan efisiensi ideal mesin ini ?
Pembahasan
TH (suhu tinggi) = 500 oC ‐‐‐ 500 + 273 = 773 K
TL (suhu rendah) = 200 oC ‐‐‐ 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Efisiensi mesin :
Efisiensi ideal mesin ini :
Efisiensi ideal alias efisiensi carnot = 40 %. Efisiensi mesin sebenarnya = 60 %. Mesin seperti ini tidak ada. Efisiensi mesin tidak mungkin melebihi efisiensi Carnot.
Contoh soal 4 :
Agar efisiensi mesin Carnot mencapai 100 % (1), berapakah suhu pembuangan (TL) yang diperlukan ?
Pembahasan
Agar efisiensi mesin kalor sempurna bisa mencapai 100 % (semua kalor masukkan bisa digunakan untuk melakukan kerja) maka suhu pembuangan (TL) harus = 0 Kelvin.
Mencapai suhu 0 Kelvin adalah sesuatu yang mustahil. Pernyataan ini merupakan hukum ketiga termodinamika.
Karena 0 Kelvin tidak mungkin dicapai maka suatu mesin kalor sempurna tidak mungkin memiliki efisiensi 100 %. Mesin kalor sempurna saja tidak bisa memiliki efisiensi 100 %, apalagi mesin kalor yang kita gunakan dalam kehidupan sehari‐hari.
Karena efisiensi 100 % tidak bisa dicapai oleh mesin kalor maka kita bisa menyimpulkan bahwa tidak mungkin semua kalor masukan (QH) digunakan untuk melakukan kerja. Pasti ada kalor yang terbuang (QL).
Tidak mungkin ada mesin kalor (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat mengubah semua kalor menjadi kerja seluruhnya (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Kelvin‐Planck).
Tulisan tebal dicetak miring di atas merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Disebut sebagai pernyataan khusus karena hanya berlaku untuk mesin kalor saja. Karena Kelvin dan Planck yang merumuskannya maka disebut juga sebagai pernyataan Kelvin‐Planck. Perhatikan bahwa terdapat kata siklus pada pernyataan di atas. Siklus adalah proses yang terjadi secara berulang. Jadi mesin kalor bekerja secara terus menerus. Ditambahkan kata siklus karena dalam kenyataannya, semua kalor bisa diubah menjadi kerja seluruhnya apabila prosesnya terjadi satu kali saja.
Pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika, telah dijelaskan beberapa proses termodinamika antara lain proses isotermal, isobarik, isokorik dan adiabatik. Dalam proses isotermal, kita bisa mengubah semua kalor menjadi usaha (Q = W). Hal ini bisa terjadi jika prosesnya terjadi hanya dalam satu tahap saja. Amati gambar di bawah :
Grafik ini menunjukkan proses isotermal (pemuaian isotermal) yang terjadi dalam satu tahap saja. Dalam proses ini, semua kalor (Q) bisa diubah menjadi kerja (W). Besarnya kerja yang dilakukan = luasan yang diarsir.
Agar bisa dimanfaatkan, mesin kalor harus bekerja secara terus menerus (prosesnya harus terjadi secara berulang, tidak bisa terjadi hanya dalam satu tahap saja). Misalnya mesin uap tipe bolak balik. Piston pada mesin uap tipe bolak balik harus bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus agar roda bisa berputar (bisa digunakan untuk menggerakkan sesuatu). Roda tidak bisa berputar kalau piston hanya bergerak ke kanan saja, setelah itu diam (proses hanya terjadi dalam satu tahap saja). Apabila proses terjadi secara berulang (piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus), tidak mungkin semua kalor bisa diubah menjadi kerja (pernyataan Kelvin‐Planck). Misalnya kita tinjau proses isotermal yang ditunjukkan oleh grafik di atas.
Grafik di sebelah kiri menunjukkan pemuaian isotermal (panah ke bawah) dan penekanan isotermal (panah ke atas). Proses terjadi secara terus menerus secara isotermal (Tidak ada kerja yang dihasilkan). Grafik di sebelah kanan merupakan proses pemuaian isotermal (panah ke bawah), proses penekanan isobarik (panah ke kiri) dan proses isokorik (panah ke atas). Dari kedua grafik ini, tampak bahwa untuk proses yang terjadi secara terus menerus (siklus), selalu ada kalor yang terbuang. Hal ini sesuai dengan penyataan Kelvin‐Planck sebelumnya.
