SIKLUS CARNOT - MAKALAH TUGAS SEKOLAH SIKLUS CARNOT MESIN CARNOT DAN PROSES PADA SIKLUS CARNOT

MAKALAH TUGAS SEKOLAH

SIKLUS CARNOT MESIN CARNOT DAN PROSES PADA SIKLUS CARNOT

SIKLUS CARNOT

Proses melingkar adalah suatu proses pada suatu system setelah mengalami beberapa perubahan keadaan, akhirnya kembali pada keadaan semula.

Gb. 1

Gb. 2

Pada proses melingkar, system berubah kemudian kembali ke keadaan semula. Energy dalam proses melingkar tidak berubah.

Sebuah proses reversible adalah sebuah proses yang berlangsung sedemikian sehingga pada akhir proses, system dan keliling local ( local surroundings) dapat dikembalikan ke keadaan mula-mula, tanpa meninggalkan suatu perubahan pada sisa universum (rest of universe). Universum disini digunakan dalam arti teknis, yaitu sempit sekali tanpa suatu pengertian kosmos.

Universum disini artinya tidak lain adalah bagian yang berhingga dari dunia yang terdiri dari system dan kelilingnya yang dapat mengadakan interaksi dengan system itu. Sebuah proses yang tidak memenuhi syarat-syarat diatas disebut irreversible.

Sebagai konsekuensi hukum kedua Termodinamika yang memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energy dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi, maka semua proses alam adalah irreversible.

BACA JUGA :

MAKALAH SIKLUS CARNOT

Pengubahan usaha menjadi energy dalam sebuah system kalor berlangsung dengan disertai gejala-gejala seperti gesekan viskositas, inelastisitas, tahanan listrikndan listeresisi magnetic. Efek-efek ini disebut efek-efek disipatif dan usaha itu dikatakan terdissipasi.

Proses-proses yang disertai dissipasi usaha menjadi energy dalam dikatakan menunjukkan irreversible mekanik luar. Irreversibilitas lainnya ialah irreversibilitas mekanik dalam, irreversibilitas termik, irreversibilitas kimia.

Kalau berbagai macam proses alam diselidiki dengan teliti maka ternyata bahwa semuanya disertai salah satu dari dua sifat berikut.

1.                   Tidak dipenuhinya syarat-syarat untuk kesetimbangan termodinamika, yaitu tidak adanya kesetimbangan mekanik, termik dan kimia

2.                   Adanya efek disipatif, seperti geseran, viskositas, anelastisitas, tahanan listrik dan listeresis magnetic.

Maka dapat ditarik kesimpulan, bahwa sebuah proses akan reversible kalau

1.                   Proses itu berlangsung quasi-statik

2.                   Proses itu tidak disertai efek-efek desipatif.

Karena tidak mungkin bentuk memenuhi kedua syarat itu dengan sempurna maka jelaslah bahwa sebuah proses reversible adalah sesuatu yang hayal atau ideal.

Proses reversible sangat berguna dalam perhitungan teori dalam hal ini, pengandaian proses reversible dalam termodinamika serupa dengan pengandaian yang seringkali dijumpai dalam mekanika, misalnya pengandaian kawat yang tidak bermassa, katrol tanpa geseran dan titik massa.

A.            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 pertnyaan 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 :

Mesin Kalor Carnot

Usaha 1-2 ( Ekspansi isothermik)

Usaha 2-3 ( Ekspansi adiabatic)

Usaha 3-4 ( Kompresi isothermik)

Usaha 4-1 (Kompresi adiabatic)

Usaha total

Kita amati pada proses adiabatic

Efisiensi diatas merupakan Effisiensi Mesin Carnot Termik.

Effisiensi mesin secara umum dapat dituliskan sebagai:

η=Q2-Q1Q2

η=WQ2           

Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa:

Mesin biasa hanya berlaku persamaan

η=Q2-Q1Q1

Sedang mesin Carnot dapat berlaku

η=Q2-Q1Q1  dan  η=T2-T1T2

Dari persamaan

Q2-Q1Q2=T2-T1T2

T2-T1Q2=Q2-Q1T2

T2Q2-T1Q2=Q2T2-Q1T2

T1Q2=T2Q1

Q1T1=Q2T2

QT=C

Jadi

B.            REFRIGERATOR CARNOT ( Mesin Pendingin Carnot)

Mengingat mesin Carnot merupakan mesin kalor reversible, maka mesin tersebut dapat dibalik. Mesin tersebut merupakan mesin pendingin atau refrigerator Carnot.

Pada refrigerator Carnot berlaku

T2'>T1,

W=Q2-Q1

W= kalor yang masuk / diperlukan

Q1= kalor yang dihisap

Perbandingan antara kalor Q1 yang dapat dihisap dengan usaha yang digunakan W merupakan koefisien performance C.

c=T1'T2'-T1'

c=Q1'W'=Q1'Q2'-Q1'

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  ηR=WQ1

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.

Bukti:

Misalkan ada mesin Carnot R1 dan R2 yang bekerja diantara dua reservoir yang sama. Apabila R1 menjalankan R2 yang bekerja sebagai mesin pendingin maka theorema Carnot haruslah :

ηR1≤ηR2

Apabila R2 menjalankan R1 yang bekerja sebagai mesin pendingin maka menurut theorema Carnot haruslah:

ηR2≤ηR1

Jadi dengan begitu jelaslah bahwa

ηR1=ηR2

Karena dalam pembahasan tadi tidak terdapat syarat-syarat khusus untuk sifat zat kerja maka, daya guna siklus Carnot tidak dipengaruhi oleh zat kerja.

Daya Guna Siklus Carnot

Karena η Carnot tidak tergantung dari zat kerja maka untuk mudahnya perhitungan kita pakai gas sempurna sebagai gas kerja.

Skema suatu proses siklis

a             b     Proses kompressi adiabatic reversible.

                      Persamaan : Vax-IT2=Vbx-IT1

                      Atau T1T2=VaVbx-I

b             c     Proses ekspansi isothermik reversible.

Hukum I Thermodinamika :

dQ=dU+PdV

dQ=CVdT+P+∂U∂VTdV

Karena U gas ideal hanya merupakan fungsi dari suhu saja maka ∂U∂VT=0

Karena b                 c      merupakan proses isothermis maka CvdT=0

Jadi dQ=PdV=nRTVdV

Q1=VbVcnRT1dVV=nRT1lnVcVb

c                    d   Proses ekspansi adiabatic reversible

                  Persamaan : Vcx-IT1=Vdx-IT2

                                       T1T2=VdVcx-I

Dari proses kompressi adiabatic reversible didapat bahwa :

T1T2=VaVbx-I

T1T2=VdVcx-I=VaVbx-I

d                   a   Proses kompressi isothermik reversible

Q2=VdVanRT2dVV=-nRT2VdVadVV=nRT2lnVaVd=nRT2lnVdVa

η=1-Q2Q1=1-nRT2lnVdVanRT1lnVcVb

VdVc=VaVb sehingga VdVa=VcVb

ηcarnot=1-T2T1

Contoh Soal C.1.

Misalkan dalam iklan ditawarkan mesin yang bekerja dengan reservoir bersuhu 500 K dan 400 K memerlukan energy sebesar 4 x 104 joule dan melakukan usaha 107 joule. Berdasarkan hokum kedua Thermodinamika, dapatkah iklan itu dipercaya?

Penyelesaian contoh soal C.1.

^{ηcarnot=1-Q2Q1=1-T2T1=1-400500=15×100%=20%}

W=104 Joule

Q1=4. 104 joule

W=Q1-Q2

104=4. 104-Q2              Q2=4. 104-104=3. 104

η=1-3. 1044. 104=1-34100%=25%

ηmesin>ηcarnot

Jadi iklan tidak dapat dipercaya

Contoh soal C.2.

Bagaimana halnya dengan iklan yang menawarkan mesin berefisiensi 30 bekerja dengan reservoir 400 K dan 900 K

Penyelesain soal C.2.

ηcarnot=1-Q2Q1=1-T2T1

     =1-400900100%=55%

ηcarnot=30%

ηmesin<ηcarnot

Jadi iklan dapat dipercaya

Contoh soal C.3.

Buktikan bahwa kurva adiabatic gas ideal lebih tegak daripada kurva isotermik!

Penyelesaian soal C.3.

Pada proses isotermik PV=C

Pada proses adiabatic PVγ=CI

P=CV=CV-I

dPdV=-CV-2=-CV2=-PV

P=C'VγC'V-γ

dPdV=-γC'V-γ-I=-γC'Vγ+1

   =-γPV

Karena γ=CpCV selalu > 1 maka kurva adiabatic gas ideal lebih tegak dari pada kurva isotermik gas ideal.

C.            MESIN BENSIN ( siklus oto)

Siklus Otto merupakan siklus dari 4 proses

            1-2→W1=-∁νΤ2-Τ1

            2-3→Qin=  ∁ν(Τ3-Τ2)

            3-4→W2=-∁νΤ4-Τ3

            4-1→Qout= ∁νΤ1-Τ4

Efisiensi mesin

            η=WQin

            η=-∁νΤ2-Τ1-∁νΤ4-Τ3∁νΤ3-Τ2

                =-Τ2+Τ1-Τ4+Τ3Τ3-Τ2

            η=1-Τ4-Τ1(Τ3-T2)

Kita amati proses adiabatik 1-2 dan 3-4

            Τ1V1γ-1=Τ2V2γ-1                            Τ3V2γ-1=Τ4V1γ-1

           Τ2Τ1=V1V2γ-1                                             Τ3Τ4=V1V2γ-1

                                    Τ2Τ1=Τ3Τ4→ Τ4=Τ1Τ3Τ2

            Τ4-Τ1Τ3-Τ2=Τ1Τ3Τ2Τ3-Τ2=Τ1Τ3-Τ1Τ2Τ2Τ3-Τ2Τ2

                        =Τ1Τ2Τ3-Τ2Τ3-Τ2

                        =Τ1Τ2

            η=1-Τ1Τ2                                                      

Untuk r=10 dan γ=1,4 efisiensi mesin kira kira 60% makin besar perbandingan kompresi semakin besar efisiensinya

η=1-V2V1γ-1

            V1V2=perbandingan kompresi=r

            η=1-1rγ-1

1.Mesin Bensin ada dua macam,yaitu

Mesin dua tak dan mesin empat tak

a.        Mesin dua tak ( Dua Langkah)

Mesin ini dimulai dari titik 1,

Campuran bahan bakar (bensin) dengan udara (oksigen) dikompresi sampai titik 2 (tekanan dan suhu naik).Dari titik 2 ke 3 terjadi percikan bunga api listrik,sehingga terjadi ledakan,suhu dan tekanan naik secara drastis.

Langkah 2 dari titik 3 ke 4 melakukan usaha yang sebenarnya (suhu dan tekanan turun).Sebelum mencapai titik 4 terjadi pembuangan sisa pembakaran.Selanjutnya proses berlangsung seperti semula.

b.       Mesin Empat Tak (Empat Langkah)

Proses dimulai dari titik 0 ke 1 (langkah 1),merupakan proses pemasukan bahan bakar.

Proses 1 – 2 (langkah 2), pemampatan campuran udara dan bahan bakar (suhu dan tekanan naik)

Proses 2 – 3,terjadi percikan bunga api listrik sehingga terjadi ledakan (suhu dan tekanan naik drastis)

Proses 3 – 4 (langkah 3 ), merupakan usaha sebenarnya (suhu dan tekanan turun )

Proses 4 – 1 , pembungan sisa pembakaran

Proses 1 – 0 (langkah 4) ,kembali pada volume awal(pembersihan sisa pembakaran )

Mesin bensin diatas baik dua tak maupun empat tak adalah merupakan siklus yang ideal.Sebenarnya dalam kenyataan tidaklah demikian karena proses berlangsung sangat cepat.

D.            MESIN DIESEL (Siklus Rankine)/ MESIN SOLAR

            Pada mesin diesel ini tidak menggunakan busi tetapi tetap ada penyulutan 1 kali,tetapi pada mesin bensin terjadi beberapa kali.

            Mesin diesel yang ideal adalah mesin siklus Rankine.Mesin diesel berbahan bakar minyak solar.

Siklus Mesin Diesel (Siklus Rankine) Proses 1-2: bahan bakar masuk dan dikompresi secara adiabatis ρ,T naik. Proses  2-3:  terjadi pembakaran dengan sekali percikan bunga api (kalor masuk Q1) dan melakukan usaha W2p tetap V naik Proses 3-4 : melakukan usaha sebenarnya W3 Proses 4-1 : pembuangan sisa pembakaran Q2 keluar.

Efisiensi Mesin Diesel

            Proses 1 – 2, W1=-∁νΤ2-Τ1

            Proses 2 – 3, W2=p2V3-V2=p3V3-V2 Pada proses terjadi usaha sebenarnya.

                                    ΔU=∁νΤ3-Τ2

                                    Qin=∁νΤ3-Τ2+p3V3-V2

            Proses 3 - 4, W3=-∁vΤ4-Τ3

            Proses 4 – 1, Qout=CvT1-T4

                                    η=∑WQin=W1+W2+W3Qin

                                    =∁vΤ2-Τ1+P2V3-V2-CvΤ4-Τ3CvΤ3-Τ2+p2V3-V2

                                    P2=P3 ;P2V2=RT2 ; P3V3=RT3

                                    η=-CvT2-T1+RT3-T2-CvT4-T3CvT3-T2+R(T3-T2)

                                    =RT3-T2-CvT2-T1+T4-T3RT3-T2+CvT3-T2

                                    =RT3-T2+CvT3-T2-Cv T4-T1R+CvT3-T2

                                    1-CvR+CvT4-T1T3-T2                                  η=1-1γT4-T1T3-T2

Oleh karena langkah 1 – 2 dan 3 – 4 merupakan proses adiabatis,maka berlaku persamaan :

            T1T2=V2V1γ-1 dan  P2P1=V1V2γ

Sehingga

            P4P3=V3V4γ=V2VV3V2γ=V2V3V1V2γ

Maka

            T4T1=T4V4RP1V1R=P4V4P1V1=P4P1

            =P4P3P2P3P2P1=P4P2P3P1

            =V2V1V3V2γV1V2γ=V3V2γ

Dan

            T3T2=P3V3RP2V2R=P3V3P2V2=V3V2

Sehingga efisiensi mesin diesel

            η=1-1γV2V1γ-1V3V2γ-1V3V2-1

Besar  V1V2 disebut perbandingan kompresi r dan perbandingan V3V2 sebagai “cut of ratio “ =rc

Perbandingan kompresi V1V2 kira kira 15 dan perbandingan V3V4 kira kira 5,dengan y=1,4 Efisiensi mesin diesel kurang lebih 56%

            η=1-1rr-1rcγ-1γrc-1

MAKALAH SIKLUS CARNOT

BACA JUGA :

MAKALAH SIKLUS CARNOT

TUGAS SEKOLAH

DOWNLOAD 

Share this post