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.
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 m3).
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, ΔUsiklus
= 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
T1 : suhu reservoir
bersuhu tinggi (K)
T2 : 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 : T1 = 300 K
T2 = 200 K
Q1 = 1.000 kJ
Ditanyakan: Q2 = …?
Jawab :
η = [ 1- (T2/T1)]
x 100% = [1 – (200/300)] x 100% = 33,33% = 1/3
Untuk menghitung Q2,
dapat Anda gunakan persamaan efisiensi:
η = [ 1- (Q2/Q1)]
x 100%
1/3 = 1 – (Q2/1.000)
Q2 = 333,3 kJ
Jadi, kalor yang terbuang oleh
mesin sebesar 333,3 kJ.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar