Mesin Carnot

Oleh  : Arif Kurniawan 
Mahasiswa FKIP Universitas Sebelas Maret

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang olehNicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 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 usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

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

Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot berjudul Pemikiran tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu), diilustrasikan ada dua benda A dan B, yang temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A memiliki temperatur lebih tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan kalor pada atau dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai dua reservoir kalor. 

Carnot menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas".[1] Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak (usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.

Siklus Carnot

Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien.

            Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

1.  Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur T_h (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor T_h dari reservoir dan melakukan usaha W_ab menggerakkan piston.

2.  Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari T_h ke T_c  (temperatur rendah) dan melakukan usaha W_ab.

3.   Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur T_c (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Q_c dari reservoir dan mendapat usaha dari luar W_cd

4.  Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari T_c ke T_h  dan mendapat usaha W_da .

Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :

                        h= W/Q_h = 1 - Q_c /Q_h

karena Q_c /Q_h = T_c /T_h (buktikan)

maka

                        h=  1 - T_c /T_h

Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

Hukum kedua termodinamika adalah ekspresi dari kecenderungan yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasi sistem fisik .Dari keadaan kesetimbangan termodinamika, hukum menyimpulkan prinsip peningkatan entropi dan menjelaskan fenomena ireversibilitas di alam. Hukum kedua menyatakan ketidakmungkinan mesin yang menghasilkan energi yang dapat digunakan dari energi internal melimpah alam dengan proses yang disebut gerak abadi dari jenis yang kedua.

Hukum kedua dapat dinyatakan dengan cara tertentu, tetapi rumusan pertama adalah dikreditkan ke ilmuwan Jerman Rudolf Clausius .Hukum biasanya dinyatakan dalam bentuk fisik proses mustahil. Dalam termodinamika klasik , hukum kedua adalah dasar dalil yang berlaku untuk setiap sistem yang melibatkan terukur panas transfer, sedangkan pada termodinamika statistik , hukum kedua adalah konsekuensidari unitarity dalam teori kuantum . Dalam termodinamika klasik, hukum kedua mendefinisikan konsep termodinamika entropi , sementara di entropi mekanika statistik didefinisikan dari teori informasi , yang dikenal sebagai entropi Shannon .

Arah Proses Termodinamik

1. Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlanggsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.
2. Proses reversibel adalah proses termodinamik yang dapat berlanggsung secara bolak-balik. Sebuah sistem yang mengalami idealisasi proses reversibel selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dan lingkungannya. Proses reversibel merupakan proses seperti-kesetimbangan(quasi equilibrium process).

 Tiga Pernyataan Bagi Hukum Kedua Termodinamika

1. Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas. (sebaliknya: dapat spontan?)
2. Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh, (sebaliknya: dapat spontan?)
3. Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak. (sistem terbuka: dapat menumbuhkaketeraturan?)

Kalor tidak akan mengalir spontan dari benda dingin ke benda panas
[Rudolf Clausius (1822 – 1888)]

1.      Pada taraf molekular:

-   Molekul yang bergerak lebih cepat, akan menyebarkan energinya kepada lingkungannya

2.      Pada taraf makroskopik:

-          Perlu pasokan energi / usaha, untuk mendinginkan sebuah benda

Anda tidak dapat membuat mesin yang sekedar mengubah kalor menjadi usaha sepenuhnya[Kelvin (1824 – 1907) & Planck (1858 – 1947)]

1.      Efisiensi mesin tidak dapat 100%

2.      Diperlukan tandon panas dan tandon dingin

3.      Tandon panas menjadi sumber energi

4.      Perlu membuang kalor pada suhu yang lebih rendah, ke tandon dingin

5.      Biasanya tandon suhu terendah = atmosfer

Hukum II Termodinamika

1.      Jika tidak ada kerja dari luar, panas tidak dapat merambat secara spontan dari suhu rendah ke suhu tinggi (Clausius)

2.   Proses perubahan kerja menjadi panas merupakan proses irreversible jika tidak terjadi proses lainnya (Thomson-Kelvin-Planck)

3.    Suatu mesin tidak mungkin bekerja dengan hanya mengambil energi dari suatu sumber suhu tinggi kemudian membuangnya ke sumber panas tersebut untuk menghasilkan kerja abadi (Ketidakmungkinan mesin abadi)

4.    Mesin Carnot adalah salah satu mesin reversible yang menghasilkan daya paling ideal.  Mesin ideal memiliki efisiensi maksimum yang mungkin dicapai secara teoritis