Siklus Carnot

SIKLUS CARNOT

Menurut hukum kedua termodinamika, tidak ada mesin kalor yang dapat memiliki efisiensi 100%. Berapakah efisiensi yang dapat dimiliki mesin? Jika diberikan dua reservoir panas yaitu T₁ dan T₂? Pernyataan ini pertama kali dijawab pada tahun 1824 oleh insinyur Perancis, Sadi Carnot (1796-1832), yang mengembangkan sebuah mesin kalor ideal hipotesis, yang memiliki efisiensi maksimum yang masih sesuai dengan hukum kedua termodinamika. Siklus pada mesin ini disebut Siklus Carnot (Carnot cycle).

Sebelumnya kita telah mempelajari proses reversibilitas dan hubungannya dengan proses termodinamik. Perubahan kerja menjadi panas adalah sebuah proses ireversibel. Tujuan dari mesin kalor adalah pembalikan dari sebagian proses ini, yaitu perubahan panas menjadi kerja dengan efisiensi sebesar mungkin. Untuk efisiensi mesin kalor maksimum, berarti kita harus menghindari sebuah proses ireversibel. Syarat ini selanjutnya cukup untuk menentukan rangkaian langkah dasar dari siklus Carnot.

Aliran panas melalui sebuah penurunan suhu yang kecil adalah proses ireversibel. Maka selama perpindahan panas dalam siklus Carnot tidak boleh ada perbedaan suhu yang cukup besar. Ketika mesin mengambil panas dari reservoir panas pada suhu T₁, bahan kerja dalam mesin juga harus berada pada T₁, jika tidak maka aliran panas akan menjadi irevresibel. Begitu pula, ketika mesin membuang panas ke reservoir dingin T₂, mesin juga harus berada pada suhu T₂. Jadi, setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal baik pada T₁ maupun T₂.

Sebaliknya, dalam setiap proses di mana suhu bahan kerja pada mesin ada di antara T₁ dan T₂, tidak boleh ada perpindahan panas antara mesin dan kedua reservoir karena perpindahan panas tidak akan mungkin reversibel. Karena itu, setiap proses di mana suhu bahan kerja T berubah, harus berlangsung secara adiabatik. Yang menjadi pedoman adalah bahwa setiap proses dalam siklus ideal ini haruslah isotermal atau adiabatik. Selain itu, kesetimbangan termal dan mekanis harus dijaga setiap saat sehingga setiap proses reversibel sempurna.

SIKLUS CARNOT

Siklus Carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel. Gambar 1 menunjukkan sebuah siklus Carnot menggunakan gas ideal sebagai bahan kerja dalam silinder dengan sebuah piston. Langkah yang terjadi adalah sebagai berikut:

1. Gas berekspansi secara isotermal pada suhu T₁, menyerap panas Q₁ (ab)
2. Ekspansi terjadi secara adiabatik sampai suhu turun ke T₂ (bc)
3. Kompresi terjadi secara isotermal pada T₂, mengeluarkan panas Q₂ (cd)
4. Kompresi secara adiabatik kembali ke keadaan semula pada suhu T₁ (da)

Kita akan menghitung efisiensi termal η dari mesin Carnot pada kasus khusus di mana bahan kerja adalah gas ideal. Untuk melakukan perhitungan ini, pertama-tama harus dicari perbandingan Q₂/Q₁ dari kalor yang dipindahkan dalam sebuah proses isotermal.

Untuk gas ideal, energi dalam U hanya bergantung pada suhu, sehingga akan konstan pada proses isotermal manapun. Untuk ekspansi isotermal ab, ∆U_ab = 0. Dan Q₁ setara dengan kerja W_ab yang dilakukan oleh gas selama ekspansi isotermal pada suhu T_1­. Sehingga,

Serupa dengan itu,

Karena V_d lebih kecil daripada V_c, Q₂ adalah negatif (Q₂ = – │Q₂│), panas mengalir keluar dari gas selama kompresi isotermal pada suhu T₂.

Perbandingan kedua besar kalor tersebut adalah

Hal ini dapat disederhanakan lebih jauh dengan menggunakan hubungan suhu-volume untuk proses adiabatik. Kita peroleh untuk kedua proses adiabatik:

Dengan membagi kedua persamaan ini kita peroleh,

Maka,

Persamaan (6), perpindahan panas pada mesin Carnot.

Perbandingan panas yang terbuang pada T₂ terhadap panas yang terserap pada T₁ adalah setara dengan perbandingan T₂/T₁. Maka efisiensi mesin Carnot adalah

Persamaan (7), efisiensi mesin Carnot!

Hasil sederhana ini menunjukkan bahwa efisiensi mesin Carnot hanya bergantung pada suhu kedua reservoir. Efisiensi akan besar jika perbedaan suhu besar, dan akan sangat kecil jika kedua suhu hampir setara. Efisiensi tidak akan tepat sama dengan satu, kecuali T₂ = 0 dan hal ini akan mustahil terjadi.

PERHATIAN: dalam semua perhitungan yang melibatkan siklus Carnot, pastika bahwa hanya digunakan suhu mutlak (Kelvin).