SIKLUS CARNOT: TAHAPAN, APLIKASI, CONTOH, LATIHAN - FISIK - 2025

The siklus Carnot adalah urutan proses termodinamika yang terjadi di mesin Carnot, perangkat yang ideal yang hanya terdiri dari proses reversibel-jenis; Artinya, hal-hal yang terjadi, dapat kembali ke keadaan semula.

Jenis motor ini dianggap ideal, karena tidak memiliki disipasi, gesekan, atau viskositas yang timbul pada mesin nyata, mengubah energi panas menjadi pekerjaan yang dapat digunakan, meskipun konversi tidak dilakukan 100%.

Gambar 1. Lokomotif uap. Sumber: Pixabay

Mesin dibangun mulai dari zat yang mampu melakukan pekerjaan, seperti gas, bensin, atau uap. Zat ini mengalami berbagai perubahan suhu dan pada gilirannya mengalami variasi tekanan dan volumenya. Dengan cara ini dimungkinkan untuk menggerakkan piston di dalam silinder.

Apa siklus carnot?

Siklus Carnot berlangsung dalam sistem yang disebut mesin Carnot atau C, yang merupakan gas ideal yang tertutup dalam silinder dan dilengkapi dengan piston, yang bersentuhan dengan dua sumber pada temperatur berbeda T ₁ dan T ₂ sebagai ditunjukkan pada gambar berikut di sebelah kiri.

Gambar 2. Di sebelah kiri diagram mesin Carnot, di sebelah kanan diagram PV. Sumber gambar kiri: Dari Keta - Karya sendiri, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=681753, gambar kanan Wikimedia Commons.

Di sana, proses berikut terjadi secara kasar:

1. Sejumlah _masukan Q panas = Q ₁ disuplai ke perangkat dari reservoir termal suhu tinggi T ₁ .
2. Mesin Carnot C melakukan pekerjaan W berkat panas yang disuplai ini.
3. Sebagian dari panas yang digunakan: _keluaran limbah Q , dipindahkan ke tangki termal yang bersuhu lebih rendah T ₂ .

Tahapan siklus Carnot

Analisis dilakukan dengan menggunakan diagram PV (Pressure –Volume), seperti yang ditunjukkan pada gambar 2 (gambar kanan). Tujuan dari motor mungkin untuk menjaga reservoir termal 2 tetap dingin, mengeluarkan panas darinya. Dalam hal ini adalah mesin pendingin. Sebaliknya, jika Anda ingin memindahkan panas ke tangki termal 1 maka itu adalah pompa panas.

Perubahan suhu tekanan motor dalam dua kondisi ditunjukkan pada diagram PV:

- Menjaga suhu tetap konstan (proses isothermal).

- Tidak ada perpindahan panas (isolasi termal).

Kedua proses isotermal perlu dihubungkan, yang dicapai dengan insulasi termal.

Titik

Anda dapat memulai di titik mana pun dalam siklus, di mana gas memiliki kondisi tekanan, volume, dan suhu tertentu. Gas mengalami serangkaian proses dan dapat kembali ke kondisi awal untuk memulai siklus lain, dan energi internal akhir selalu sama dengan yang awal. Karena energi kekal:

Area di dalam loop atau loop ini, dalam warna biru kehijauan pada gambar, persis sama dengan pekerjaan yang dilakukan oleh mesin Carnot.

Pada gambar 2 titik A, B, C dan D. Kita akan mulai dari titik A mengikuti panah biru.

Tahap pertama: ekspansi isotermal

Suhu antara titik A dan B adalah T ₁ . Sistem menyerap panas dari tangki termal 1 dan mengalami pemuaian isotermal. Kemudian volumenya meningkat dan tekanan menurun.

Namun, suhu tetap pada T ₁ , karena ketika gas mengembang, ia mendingin. Oleh karena itu, energi internalnya tetap konstan.

Tahap kedua: ekspansi adiabatik

Pada titik B sistem memulai ekspansi baru di mana sistem tidak mendapatkan atau kehilangan panas. Ini dicapai dengan memasukkannya ke dalam insulasi panas seperti yang ditunjukkan di atas. Oleh karena itu, ini merupakan perluasan adiabatik yang berlanjut ke titik C mengikuti panah merah. Volume meningkat dan tekanan menurun ke nilai terendahnya.

Tahap ketiga: kompresi isotermal

Ini dimulai pada titik C dan berakhir di D. Isolasi dilepas dan sistem bersentuhan dengan tangki termal 2, yang suhunya T ₂ lebih rendah. Sistem mentransfer limbah panas ke reservoir termal, tekanan mulai meningkat dan volume menurun.

Tahap keempat: kompresi adiabatik

Pada titik D, sistem kembali ke isolasi termal, tekanan meningkat dan volume menurun hingga mencapai kondisi semula titik A. Kemudian siklus berulang kembali.

Teorema Carnot

Teorema Carnot pertama kali didalilkan pada awal abad ke-19 oleh fisikawan Prancis Sadi Carnot. Pada tahun 1824, Carnot, yang merupakan bagian dari tentara Prancis, menerbitkan sebuah buku di mana ia mengajukan jawaban atas pertanyaan berikut: dalam kondisi apa mesin panas memiliki efisiensi maksimum? Carnot kemudian menetapkan yang berikut:

Efisiensi mesin kalor diberikan oleh hasil bagi antara pekerjaan yang dilakukan W dan panas yang diserap Q:

Dengan cara ini, efisiensi mesin kalor I adalah: η = W / Q. Sementara efisiensi motor Carnot R adalah η´ = W / Q´, dengan asumsi kedua motor mampu melakukan pekerjaan yang sama.

Teorema Carnot menyatakan bahwa η tidak pernah lebih besar dari η´. Jika tidak, hal itu bertentangan dengan hukum kedua Termodinamika, yang menurutnya proses di mana hasilnya adalah panas keluar dari tubuh bersuhu lebih rendah untuk pergi ke suhu yang lebih tinggi tanpa menerima bantuan eksternal tidak mungkin. Jadi:

η _< η ^'

Bukti teorema Carnot

Untuk menunjukkan bahwa memang demikian, pertimbangkan mesin Carnot bertindak sebagai mesin pendingin yang digerakkan oleh mesin I. Hal ini dimungkinkan karena mesin Carnot bekerja dengan proses yang dapat dibalik, seperti yang ditentukan di awal.

Gambar 3. Bukti teorema Carnot. Sumber: Netheril96

Kami memiliki keduanya: I dan R bekerja dengan reservoir termal yang sama dan diasumsikan bahwa η _> η ^' . Jika di sepanjang jalan kontradiksi dicapai dengan hukum kedua termodinamika, teorema Carnot dibuktikan dengan reduksi menjadi absurd.

Gambar 3 membantu Anda mengikuti proses tersebut. Mesin I mengambil sejumlah panas Q, yang membaginya dengan cara ini: melakukan pekerjaan pada R setara dengan W = ηQ dan sisanya adalah panas yang ditransfer (1-η) Q ke reservoir termal T ₂ .

Karena energi kekal, semua hal berikut ini benar:

E _input = Q = Pekerjaan W + panas ditransfer ke T ₂ = ηQ + (1-η) Q = E _output

Sekarang mesin pendingin Carnot R mengambil dari reservoir termal 2 sejumlah panas yang diberikan oleh:

(η / η´) (1-η´) Q =

Energi juga harus dihemat dalam hal ini:

E _masukan = ηQ + (η / η´) (1-η´) Q = (η / η´) Q = Q´ = E _keluaran

Hasilnya adalah transfer ke reservoir termal T ₂ sejumlah panas yang diberikan oleh (η / η´) Q = Q´.

Jika η lebih besar dari η´, ini berarti bahwa lebih banyak panas telah mencapai deposit termal pada suhu yang lebih tinggi daripada yang saya ambil sebelumnya. Karena tidak ada agen eksternal, seperti sumber panas lain, yang berpartisipasi, satu-satunya cara yang dapat terjadi adalah reservoir termal yang lebih dingin melepaskan panas.

Ini tidak sesuai dengan hukum kedua termodinamika. Kemudian disimpulkan bahwa tidak mungkin η ^' lebih kecil dari η, oleh karena itu mesin I tidak dapat memiliki efisiensi lebih dari mesin Carnot R.

Akibat wajar dari teorema dan batasan

Akibat wajar dari teorema Carnot menyatakan bahwa dua mesin Carnot memiliki efisiensi yang sama jika keduanya beroperasi dengan reservoir termal yang sama.

Artinya apa pun substansinya, kinerjanya independen dan tidak bisa dinaikkan dengan mengubahnya.

Kesimpulan dari analisis di atas adalah bahwa siklus Carnot adalah puncak proses termodinamika yang dapat dicapai secara ideal. Dalam prakteknya banyak faktor yang menurunkan efisiensi, misalnya karena isolasi tidak pernah sempurna dan pada tahap adiabatik terjadi pertukaran panas dengan bagian luar.

Dalam kasus mobil, blok mesin menjadi panas. Di sisi lain, campuran bensin dan udara tidak berperilaku persis seperti gas ideal, yang menjadi titik awal siklus Carnot. Ini hanyalah beberapa faktor yang akan menyebabkan penurunan kinerja yang drastis.

Contoh

Piston di dalam silinder

Jika sistemnya adalah piston yang tertutup dalam silinder seperti pada gambar 4, piston naik selama ekspansi isotermal, seperti yang terlihat pada diagram pertama di sisi paling kiri, dan juga naik selama ekspansi adiabatik.

Gambar 4. Gerakan piston di dalam silinder. Sumber: buatan sendiri.

Kemudian dikompresi secara isotermal, melepaskan panas, dan terus mengompresi secara adiabatik. Hasilnya adalah gerakan di mana piston naik dan turun di dalam silinder dan dapat disalurkan ke bagian lain dari perangkat tertentu, seperti mesin mobil misalnya, yang menghasilkan torsi, atau mesin uap.

Berbagai proses yang dapat dibalik

Selain pemuaian dan kompresi gas ideal di dalam silinder, ada proses reversibel ideal lainnya di mana siklus Carnot dapat dikonfigurasi, misalnya:

- Gerakan maju mundur tanpa adanya gesekan.

- Pegas ideal yang memampatkan dan mendekompresi dan tidak pernah berubah bentuk.

- Sirkuit listrik yang tidak memiliki hambatan untuk menghilangkan energi.

- Magnetisasi dan siklus demagnetisasi di mana tidak ada kerugian.

- Pengisian dan pemakaian baterai.

Pembangkit listrik tenaga nuklir

Meskipun ini adalah sistem yang sangat kompleks, perkiraan pertama dari apa yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi dalam reaktor nuklir adalah sebagai berikut:

- Sumber panas, terdiri dari bahan yang membusuk secara radioaktif seperti uranium.

- Pendingin atau reservoir dingin yang akan menjadi atmosfer.

- "Mesin Carnot" yang menggunakan fluida, hampir selalu air mengalir, di mana panas disuplai dari sumber panas untuk mengubahnya menjadi uap.

Ketika siklus dilakukan, energi listrik diperoleh sebagai kerja jaringan. Saat diubah menjadi uap pada suhu tinggi, air dialirkan ke turbin, di mana energinya diubah menjadi energi gerak atau kinetik.

Turbin pada gilirannya menggerakkan generator listrik yang mengubah energi pergerakannya menjadi energi listrik. Selain bahan fisil seperti uranium, bahan bakar fosil tentunya dapat digunakan sebagai sumber panas.

Latihan terselesaikan

-Contoh 1: efisiensi mesin kalor

Efisiensi mesin kalor didefinisikan sebagai hasil bagi antara pekerjaan keluaran dan pekerjaan masukan, dan oleh karena itu merupakan besaran tak berdimensi:

Menunjukkan efisiensi maksimum sebagai e _max , adalah mungkin untuk menunjukkan ketergantungannya pada suhu, yang merupakan variabel termudah untuk diukur, sebagai:

Dimana T ₂ adalah suhu bak cuci dan T ₁ adalah suhu sumber panas. Karena yang terakhir lebih tinggi, efisiensi selalu menjadi kurang dari 1.

Misalkan Anda memiliki mesin kalor yang mampu beroperasi dengan cara berikut: a) Antara 200 K dan 400 K, b) Antara 600 K dan 400 K. Berapakah efisiensi dalam setiap kasus?

Larutan

a) Dalam kasus pertama efisiensinya adalah:

b) Untuk mode kedua, efisiensinya adalah:

Meskipun perbedaan suhu antara kedua mode tersebut sama, efisiensinya tidak. Dan yang lebih luar biasa adalah mode yang paling efisien beroperasi pada suhu yang lebih rendah.

-Contoh 2: panas diserap dan panas dipindahkan

Mesin dengan panas yang efisien 22% menghasilkan kerja 1.530 J. Tentukan: a) Jumlah panas yang diserap dari tangki termal 1, b) Jumlah panas yang dibuang ke tangki termal 2.

a) Dalam hal ini, definisi efisiensi digunakan, karena pekerjaan yang dilakukan tersedia, bukan suhu tangki termal. Efisiensi 22% berarti e _max = 0,22, oleh karena itu:

Jumlah panas yang diserap tepat adalah _input Q , jadi pemecahannya kita punya:

b) Jumlah panas yang ditransfer ke tangki terdingin ditemukan dari _input Δ W = Q - _output Q.

Cara lain adalah dari e _max = 1 - (T ₂ / T ₁ ). Karena suhu tidak diketahui, tetapi berkaitan dengan panas, efisiensi juga dapat dinyatakan sebagai:

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill. 654-657
2. Energi nuklir. Pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir. Diperoleh dari: energia-nuclear.net
3. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7. Ed. Pembelajaran Cengage. 618-622.
4. Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. MacGraw Hill. 414-416.
5. Walker, J.2008. Fisika. Edisi ke-4 Addison Wesley. 610-630