MESIN CARNOT: RUMUS, CARA KERJA DAN APLIKASI - FISIK - 2025

The Mesin Carnot adalah model siklik yang ideal di mana panas yang digunakan untuk melakukan pekerjaan. Sistem dapat dipahami sebagai piston yang bergerak di dalam silinder yang mengompresi gas. Siklus yang dilakukan adalah siklus Carnot, yang diucapkan oleh bapak termodinamika, fisikawan dan insinyur Prancis Nicolas Léonard Sadi Carnot.

Carnot mengumumkan siklus ini pada awal abad ke-19. Mesin dikenai empat variasi keadaan, kondisi bolak-balik seperti suhu dan tekanan konstan, di mana variasi volume terlihat jelas saat mengompresi dan memuai gas.

Nicolas Léonard Sadi Carnot

Rumus

Menurut Carnot, menerapkan mesin ideal pada variasi suhu dan tekanan dimungkinkan untuk memaksimalkan kinerja yang diperoleh.

Siklus Carnot harus dianalisis secara terpisah di masing-masing dari empat fase: ekspansi isotermal, ekspansi adiabatik, kompresi isotermal, dan kompresi adiabatik.

Rumus yang terkait dengan setiap fase siklus yang dilakukan di mesin Carnot akan dirinci di bawah ini.

Ekspansi isotermal (A → B)

Tempat dari fase ini adalah sebagai berikut:

- Volume gas: mulai dari volume minimum ke volume sedang.

- Suhu mesin: T1 suhu konstan, nilai tinggi (T1> T2).

- Tekanan mesin: turun dari P1 ke P2.

Proses isotermal menyiratkan bahwa T1 suhu tidak bervariasi selama fase ini. Perpindahan panas menyebabkan pemuaian gas, yang menyebabkan pergerakan pada piston dan menghasilkan kerja mekanis.

Saat gas mengembang, ia cenderung mendingin. Namun, ia menyerap panas yang dipancarkan oleh sumber suhu dan mempertahankan suhu konstan selama pemuaiannya.

Karena suhu tetap konstan selama proses ini, energi internal gas tidak berubah, dan semua panas yang diserap oleh gas diubah secara efektif menjadi kerja. Begitu:

Untuk bagiannya, pada akhir fase siklus ini juga dimungkinkan untuk mendapatkan nilai tekanan menggunakan persamaan gas ideal. Jadi, kami memiliki yang berikut:

Dalam ungkapan ini:

P ₂ : Tekanan di akhir fase.

V _b : Volume di titik b.

n: Jumlah mol gas.

J: Konstanta universal gas ideal. R = 0,082 (atm * liter) / (mol * K).

T1: suhu awal absolut, derajat Kelvin.

Ekspansi adiabatik (B → C)

Selama fase proses ini, pemuaian gas berlangsung tanpa perlu pertukaran panas. Jadi, tempat tersebut dirinci di bawah ini:

- Volume gas: beralih dari volume rata-rata ke volume maksimum.

- Suhu mesin: turun dari T1 ke T2.

- Tekanan mesin: tekanan konstan P2.

Proses adiabatik menyiratkan bahwa tekanan P2 tidak berubah selama fase ini. Suhu menurun dan gas terus mengembang hingga mencapai volume maksimumnya; artinya, piston mencapai stop.

Dalam hal ini, usaha yang dilakukan berasal dari energi internal gas dan nilainya negatif karena energi berkurang selama proses ini.

Dengan asumsi itu adalah gas ideal, teori tersebut menyatakan bahwa molekul gas hanya memiliki energi kinetik. Menurut prinsip termodinamika, ini dapat disimpulkan dengan rumus berikut:

Dalam rumus ini:

∆U _{b → c} : Variasi energi internal gas ideal antara titik b dan c.

n: Jumlah mol gas.

Cv: Kapasitas kalor molar gas.

T1: suhu awal absolut, derajat Kelvin.

T2: Suhu akhir mutlak, derajat Kelvin.

Kompresi isotermal (C → D)

Pada fase ini kompresi gas dimulai; artinya, piston bergerak ke dalam silinder, di mana volume gas berkontraksi.

Kondisi yang melekat pada fase proses ini dirinci di bawah ini:

- Volume gas: beralih dari volume maksimum ke volume menengah.

- Suhu mesin: suhu konstan T2, nilai tereduksi (T2 <T1).

- Tekanan mesin: meningkat dari P2 menjadi P1.

Di sini tekanan pada gas meningkat, sehingga mulai mengompres. Namun, suhu tetap konstan dan, oleh karena itu, variasi energi internal gas adalah nol.

Dianalogikan dengan pemuaian isotermal, pekerjaan yang dilakukan sama dengan kalor sistem. Begitu:

Juga layak untuk mencari tekanan pada titik ini menggunakan persamaan gas ideal.

Kompresi adiabatik (D → A)

Ini adalah fase terakhir dari proses, di mana sistem kembali ke kondisi awalnya. Untuk ini, kondisi berikut dipertimbangkan:

- Volume gas: mulai dari volume menengah ke volume minimum.

- Suhu mesin: meningkat dari T2 ke T1.

- Tekanan mesin: tekanan konstan P1.

Sumber panas yang tergabung dalam sistem pada fase sebelumnya ditarik, sehingga gas ideal akan menaikkan suhunya selama tekanan tetap konstan.

Gas kembali ke kondisi awal suhu (T1) dan volumenya (minimum). Sekali lagi, pekerjaan yang dilakukan berasal dari energi internal gas, jadi Anda harus:

Mirip dengan kasus pemuaian adiabatik, variasi energi gas dapat diperoleh melalui persamaan matematika berikut:

Bagaimana cara kerja mesin Carnot?

Mesin Carnot bekerja sebagai mesin yang kinerjanya dimaksimalkan dengan memvariasikan proses isotermal dan adiabatik, mengganti fase ekspansi dan kompresi gas ideal.

Mekanisme ini dapat dipahami sebagai perangkat ideal yang melakukan pekerjaan yang mengalami variasi panas, mengingat adanya dua sumber suhu.

Pada fokus pertama, sistem dihadapkan pada suhu T1. Ini adalah suhu tinggi yang memberi tekanan pada sistem dan menyebabkan gas mengembang.

Pada gilirannya, ini diterjemahkan ke dalam pelaksanaan pekerjaan mekanis yang memungkinkan mobilisasi piston keluar dari silinder, dan yang penghentiannya hanya dimungkinkan melalui ekspansi adiabatik.

Kemudian muncul fokus kedua, di mana sistem terkena suhu T2, lebih rendah dari T1; artinya, mekanisme tersebut mengalami pendinginan.

Ini menginduksi ekstraksi panas dan penghancuran gas, yang mencapai volume awalnya setelah kompresi adiabatik.

Aplikasi

Mesin Carnot telah banyak digunakan berkat kontribusinya terhadap pemahaman aspek terpenting termodinamika.

Model ini memungkinkan pemahaman yang jelas tentang variasi gas ideal yang dapat berubah suhu dan tekanan, menjadikannya metode referensi saat merancang mesin sebenarnya.

Referensi

1. Siklus Mesin Panas Carnot dan Hukum ke-2 (sf). Diperoleh dari: nptel.ac.in
2. Castellano, G. (2018). Mesin carnot. Diperoleh dari: famaf.unc.edu.ar
3. Siklus carnot (sf). Sembuh. Havana Kuba. Diperoleh dari: ecured.cu
4. Siklus Carnot (nd). Diperoleh dari: sc.ehu.es
5. Fowler, M. (nd). Mesin Panas: Siklus Carnot. Diperoleh dari: galileo.phys.virginia.edu
6. Wikipedia, The Free Encyclopedia (2016). Mesin carnot. Diperoleh dari: es.wikipedia.org