Mesin Carnot

BAB I

PENDAHULUAN

 

A.    Latar Belakang

Termodinamika adalah ilmu tentang  yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara  panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu yang ada di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan panas dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan  dasar pada termodinamika.

Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Dalam kehidupan sehari-hari  banyak  penerapan atau aplikasi dari ilmu termodinamika. Salah satunya adalah aplikasi termodinamika pada Mesin Carnot.

 B.   Rumusan Masalah

             Berdasarkan latar belakang diatas maka dirumuskan permasalahan berikut :

 1.      Apa pengertian dan aplikasi thermodinamika?

 2.      Apa dan bagaimana hukum thermodinamika?

 3.      Apa yang dimaksud mesin Carnot?

 4.      Termasuk hukum termodinamika ke berapakah Mesin Carnot?

 5.      Bagaimana teorema dan siklus mesin Carnot?

 C.    Tujuan Penulisan

             Penulisan Makalah ini diharapkan mampu memberikan manfaat sebagai berikut :

 1.      Memberikan tambahan pengetahuan kepada pembaca Thermodinamika.

 2.      Memberikan penjelasan tentang hukum-hukum thermodinamika.

 3.      Memberikan pengetahuan tentang Mesin Carnot.

 4.      Memberikan pengetahuan tentang Aplikasi Thermodinamika pada Mesin    

 Carnot.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. Pengertian Thermodinamika

Thermodinamika (bahasa Yunani: thermos = ‘panas’ and dynamic = ‘perubahan’) adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Thermodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik dimana banyak hubungan thermodinamika berasal.

Thermodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam thermodinamika akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada disekeliling (diluar) sistem disebut lingkungan.

Pada sistem dimana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, thermodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alas an ini, penggunaan istilah “thermodinamika” biasanya merujuk pada thermodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam thermodinamika adalah proses kuasistatik yang diidealkan, proses “super pelan”. Proses thermodinamika bergantung –waktu dipelajari dalam thermodinamika tak-setimbang.

Karena thermodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa thermodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik. Hukum thermodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. In berarti mereka dapat diterapkan ke sistem dimana seseorang tidak tahu apapun kecuali perimbangan transfer energi dan wujud diantara mereka dan lingkungan.

B.    Konsep Dasar Termodinamika

Pengabstrakan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagi lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar lagi. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.

C.    Aplikasi Thermodinamika

Prinsip dan metode thermodinamika digunakan oleh para insinyur untuk merancang mesin-mesin pembakaran internal, pembangkit energi nuklir dan konvensional, sistem pengondisi udara, sistem penggerak propulasi roket, misil,  pesawat terbang, kapal, mesin Carnot, sistem magnet dan listrik dan sistem thermolistrik.

D.    Hukum- Hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu              

            1.   Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hal ini dikarenakan kalor yang terdapat pada sistem berupa partikel yang bervibrasi, partikel tersebut berpindah dan mengalirkan energinya ke partikel disebelahnya.

2          2.   Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.

Aliran kalor / kerja (usaha) yang dialami oleh suatu sistem dapat menyebabkan sistem tersebut memperoleh atau kehilangan energi, tetap secara keseluruhan energi itu tidak ada yang hilang, energi tersebut hanya mengalami perubahan. Hukum I Thermodinamika:

Untuk setiap proses , apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka selisih energi, Q – W, sama dengan pebahan energi dalam ∆U dari sistem :

3         3.    Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua thermodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat berlangsung dan perubahan energi mana yang tidak dapat berlangsung. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, yaitu:

1. Rudolf Clasius (1822-1888) menyatakan rumusan Clasius tentang hukum II thermodinamika dengan pernyataan aliran kalor.

Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda  bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

2.   Hukum II thermodinamika dinyatakan dalam entropi:

Total entropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi.

3.   Kelvin dan Planck menyatakan rumusan yang setara sehingga dikenal rumusan Kelvin-Planck tentang hukum thermodinamika tentang mesin kalor.

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.

4         4.    Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

BAB III

PEMBAHASAN

A.    Pengertian Mesin Kalor

Mesin Kalor didefinisikan sebagai alat yang mengubah kalor menjadi energi mekanis atau lebih tepat suatu sistem yang bekerja secara terus menerus dan hanya kalor dan usaha yang dapat melalui permukaan batasnya.

Beberapa contoh mesin kalor adalah Mesin Carnot, mesin Brayton, mesin Otto, mesin Rankine, dan mesin diesel. Pada mesin kalor selalu terdapat dua buah tandon. Tandon yang memberikan kalor besar disebut tandon kalor. Sedang tandon lainnya disebut tandon dingin. Tandon dingin ini berfungsi untuk menyerap kalor dalam jumlah yang besar tanpa terjadi perubahan panas yang berarti.

Perubahan energi dalam mesin kalor secara skematis diberikan pada gambar diatas. Lingkaran menggabarkan mesinnya sendiri. Kalor Q_P yang diberikan kepada mesin oleh tandon kalor adalah sebanding dengan luas penampang pipa. Kalor Q_D yang terbuang melalui saluran pembuangan ke tandon dingin berbanding lurus dengan lua penampang pipa keluar. Sebagian kalor diubah menjadi kerja mekanis W yang dilukiskan pada pipa cabang kekanan. Jadi Q_P adalah kalor yang diserap oleh mesin dan Q_D adalah kalor yang dibuang oleh mesin per siklus. Kalor neto yang diserap adalah:

Q = Q_P – Q_D

Kalor yang diserap dari tandon biasanya diperoleh dari pembakaran bahan bakar. Dengan menggunakan hukum pertama untuk satu siklus lengkap dan dengan dengan mengingat tidak ada perubahan neto energi dalam, kita peroleh:

W = Q_P – Q_D (siklus daya)

Siklus yang menghasilkan kerja neto yang dipindahkan ke lingkungan pada setiap siklus disebut siklus daya.

Nilai dari efisiensi tidak pernah lebih besar 1 (100%). Pada mesin aktual, nilai efisiensi selalu kurang dari satu. Hal ini menunjukkan bahwa tidak semua kalor yang diserap diubah menjadi kerja.

 B.   Pengertian Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis olehÉmile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausiuspada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.

Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usahaterhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Mesin Carnot merupakan mesin kalor yang adapat mengubah energi (kalor) menjadi bentuk lainnya (usaha mekanik). Pada prnsipnya cara kerja mesin kalor ada tiga proses penting yaitu:

1. Proses penyerapan kalor dari sumber panas yang sering disebut sebagai reservoir (tandon) panas.

2.   Usaha yang dilakukan oleh mesin.

3.  Proses pembuangan kalor pada tempat yang bersuhu rendah, tempat ini sering disebut reservoir (tandon) dingin.

Sebuah mesin kalor bekerja dengan caara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih digin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyeabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

Diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam pembahasan modern.

Diagram mesin Carnot (modern) – kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi T_H melaui “fluida kerja”, menuju reservoir dingin T_C, 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 alcohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahun-tahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi khusus, yaitu Q_H disuplai oleh pendidih, dimana air dididihkan pada sebuah tungku, Q_C 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 karol. Penggunaanya biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot sendiri mendefinisikan “usaha” sebagai “berat yang diangkat melalui sebuah ketinggian”.

C.    Teorema Carnot

Sebuah mesin nyata (real) yng beroperasi dalam suatu siklus pada temperature TH dan TC tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.

Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperature. Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair. Sifat irreversible sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.

Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa : Tidak mungkin ada mein yang beroperasi diantara 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 temperature tertentu diberikan efisiensi mesin Carnot.

Mesin Carnot dapat dianggap memiliki piston yang bergerak dalam silinder, dan memiliki karakteristik sebagai berikut:

1.   Sebuah rekatan yang sempurna, sehingga tidak ada atom yang melarikan diri dari cairan yang bekerja karena piston bergerak untuk memperluas atau menekannya.

2.   Pelumasan sempurna, sehingga tidak ada gesekan.

3.   Sebuah gas ideal untuk fluida kerja.

4.   Koneksi sempurna termal pada setiap waktu, baik untuk satu atau tidak ada dua reservoir, yang berada pada dua temperature yang berbeda, dengan isolasi termal sempurna mengisolasi dari semua transfer panas lainnya.

5.   Piston bergerak bolak-balik berulang kali, dalam siklus bolak balik ekspansi “isotermal” dan adiabatic” dan penekanan.

D. SIKLUS CARNOT

Sadi Carnot, seorang insinyur berkebangsaan Prancis pada tahun 1824 mengembangkan sebuah model mesin ideal – selanjutnya disebut mesin Carnot, yaitu mesin yang paling efisien. Siklus ini terdiri dari empat proses yaitu:

1.      Proses A-B adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Dalam proses ini gas    

menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha sebesar WAB.

2.      Proses B-C adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini suhu gas turun

menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC.

3.      Proses C-D adalah pemampatan isotermal pada suhu T2. Pada proses ini gas membuang kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2 dan menerima usaha sebesar WCD.

4.      Proses D-A yaitu pemampatan adiabatik. Suhu gas naik kembali ke suhu T1 sambil menerima usaha sebesar WDA.

Usaha total yang dilakukan sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah yang diraster , yang ekuivalen dengan selisih antara kalor yang diserap sistem (Q1) dari reservoir suhu tinggi T1 dengan kalor yang dibuang sistem (Q2) pada reservoir suhu rendah T2. Karena suhu sistem selama melakukan satu siklus tidak berubah (dari suhu T1 berubah menjadi T2 dan kembali lagi bersuhu T1), maka tidak ada perubahan energi dalam sistem (𝛥U = 0) yang menunjukkan berlakunya hukum I termodinamika :

𝛥U = 𝛥Q – W   à   𝛥U = 0   à W =𝛥 Q = Q1 – Q2

Dengan demikian, pada mesin Carnot telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yang mengubah energi kalor menjadi usaha disebut mesin kalor. Efisiensi mesin kalor dinyatakan sebagai perbandingan antara usaha yang dilakukan mesin dengan kalor yang diserap. Secara matematis dituliskan:

karena W = Q1 – Q2 maka efisiensi dapat ditulis dalam bentuk lain :

Untuk siklus Carnot berlaku   =  , sehingga untuk mesin ideal berlaku efisiensi teoritis :

dimana:

ɳ     : efisiensi mesin ( % )

T2   : suhu reservoir dingin ( K )

T1   : suhu reservoir panas ( K )

Q2   : kalor yang dibuang mesin pada reservoir dingin (J)

Q1   : kalor yang diserap mesin dari reservoir panas (J)

W    : usaha/kerja yang dihasilkan mesin ( J )

Pada kenyataannya efisiensi real selalu lebih kecil daripada efisiensi Carnot. Efisiensi mesin bensin : 20 – 25%, mesin diesel : 26 – 38%, turbin uap pembangkit nuklir : ±35%, turbin uap pembangkit batubara : ±40%.