Coba juga : KUIS FISIKA ONLINE GRATIS (Siklus Carnot)
dengan mengklik pada link dibawah ini:
Pengertian
Siklus carnot merupakan suatu siklus termodinamika
yang melibatkan proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Siklus adalah
suatu rangkaian sedemikian rupa sehingga akhirnya kembali kepada keadaan
semula. Misalnya, terdapat suatu siklus termodinami-ka yang melibatkan
proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Sistem menjalani proses
isotermal dari keadaan A sampai B, kemudian menjalani proses isobarik
untuk mengubah sistem dari keadaan B ke keadaan C. Akhirnya proses
isokorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya (A). Proses dari A ke
keadaan B, kemudian ke keadaan C, dan akhirnya kembali ke keadaan A,
menyatakan suatu siklus.
Gambar 1. Siklus termodinamika
Lihat video "animasi siklus carnot" pada link dibawah ini:
Apabila siklus tersebut berlangsung
terus menerus, kalor yang diberikan dapat diubah menjadi usaha mekanik.
Tetapi tidak semua kalor dapat diubah menjadi usaha. Kalor yang dapat
diubah menjadi usaha hanya pada bagian yang diarsir (diraster) saja.
Berdasarkan diatas besar usaha yang bermanfaat adalah luas daerah ABCA.
Secara matematis dapat ditulis seperti berikut.
Usaha bernilai positif jika arah proses dalam siklus searah putaran jam,
dan bernilai negatif jika berlawanan arah putaran jarum jam. Perubahan
energi dalam ΔU untuk satu siklus sama dengan nol (ΔU = 0) karena
keadaan awal sama dengan keadaan akhir.
Siklus Carnot
Berdasarkan percobaan joule diketahui
bahwa tenaga mekanik dapat seluruhnya diubah menjadi energi kalor.
Namun, apakah energi kalor dapat seluruhnya diubah menjadi energi
mekanik? Adakah mesin yang dapat mengubah kalor seluruhnya menjadi
usaha? Pada tahun 1824, seorang insinyur berkebangsaan Prancis, Nicolas
Leonardi Sadi Carnot, memperkenalkan metode baru untuk meningkatkan
efisiensi suatu mesin berdasarkan siklus usaha. Metode efisiensi Sadi
Carnot ini selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot
terdiri atas empat proses, yaitu dua proses isotermal dan dua proses
adiabatik.
Bentuk Siklus Carnot
p
Lihat video "bentuk siklus carnot" pada link dibawah ini:
Proses Pada Siklus Carnot
Berdasarkan gambar diatas dapat dijelaskan siklus Carnot sebagai berikut.
- Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha WAB.
- Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T1 menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC.
- Proses CD adalah pemampatan isoternal pada suhu T2. Pada proses ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2.
- Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T2 menjadi T1 akibat menerima usaha WDA.
Lihat video "Mesin Carnot dan Penjelasannya" pada link dibawah ini:
https://www.youtube.com/watch?v=LJ3tQ5xpeck
Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin
ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya
disebut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu
siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus pada diagram p – V.
Mengingat selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Q
1 dari reservoir bersuhu tinggi T
1 dan melepas kalor Q
2 ke reservoir bersuhu rendah T
2, maka usaha yang dilakukan oleh sistem menurut hukum I termodinamika adalah sebagai berikut.
Dalam menilai kinerja suatu mesin, efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin (
η)
ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor
masukan yang diberikan. Secara matematis dapat dituliskan sebagai
berikut.
Untuk siklus Carnot berlaku hubungan
sehingga efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan sebagai berikut.
Keterangan:
η : efisiensi mesin Carnot
T1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K)
T2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K)
Efisiensi mesin Carnot merupakan
efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada
di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi
efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat
efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon
atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T
2
harus = 0 K. Hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena
itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini
disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan
kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak
terbalikkan) tidak seperti mesin carnot
Contoh soal:
1.
Soal UN 2008/2009 P12 No.18
Perhatikan
grafik P – V mesin Carnot di samping! Jika kalor yang diserap (Q1) =
10.000 joule maka besar usaha yang dilakukan mesin Carnot adalah…
A.
1.500 J
B.
4.000 J
C.
5.000 J
D.
6.000 J
E.
8.000 J
Pembahasan
Diketahui :
Suhu
rendah (T2) = 400 K
Suhu
tinggi (T1) = 800 K
Kalor
yang diserap (Q1) = 10.000 Joule
Ditanya : Usaha yang dihasilkan mesin Carnot (W)
Jawab :
Efisiensi
mesin kalor ideal (mesin Carnot) :
Usaha
yang dilakukan oleh mesin Carnot :
W = e
Q1
W =
(1/2)(10.000) = 5000 Joule
Jawaban
yang benar adalah C.
2.
Soal UN 2010/2011 P25
Perhatikan
gambar di samping! Besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah…
A. 300 J
B. 400 J
C. 500 J
D. 600 J
E. 700 J
Pembahasan
Diketahui :
Suhu rendah (TL)
= 400 K
Suhu tinggi (TH)
= 600 K
Kalor yang diserap
(Q1) = 600 Joule
Ditanya : Usaha yang dihasilkan mesin Carnot (W)
Jawab :
Efisiensi mesin
kalor ideal (mesin Carnot) :
Usaha
yang dilakukan oleh mesin Carnot :
W = e
Q1
W =
(1/3)(600) = 200 Joule
Jawaban
yang benar adalah E.
3. Soal UN Fisika
SMA 2012/2013 SA 55 No.19
Perhatikan
grafik siklus Carnot ABCDA di bawah ini! Berdasarkan data pada grafik,
efisiensi mesin Carnot adalah…
A.
10 %
B.
20 %
C.
25 %
D.
30 %
E.
35 %
Pembahasan
Diketahui :
Suhu
rendah (TL) = 350 K
Suhu
tinggi (TH) = 500 K
Ditanya : Efisiensi mesin Carnot (e)
Jawab :
Efisiensi
mesin Carnot :
e = (TH
– TL) / TH
e =
(500 – 350) / 500
e =
150 / 500
e =
0,3
e =
30/100 = 30 %
Jawaban
yang benar adalah D.
4.
Soal UN Fisika SMA 2012/2013 SA 60 No.19
Pada
grafik P-V mesin Carnot berikut diketahui reservoir suhu tinggi 600 K dan suhu
rendah 400 K. Jika usaha yang dilakukan oleh mesin adalah W, maka kalor yang
dikeluarkan pada suhu rendah adalah…
A. W
B. 2
W
C. 3
W
D. 4
W
E. 6
W
Pembahasan
Diketahui :
Suhu
rendah (TL) = 400 K
Suhu
tinggi (TH) = 600 K
Ditanya : Kalor yang dikeluarkan pada suhu rendah
(Q2)
Jawab :
Efisiensi
mesin Carnot :
e = (TH
– TL) / TH
e =
(600 – 400) / 600
e =
200 / 600
e =
1/3
Usaha
yang dilakukan oleh mesin Carnot :
W = e
Q1
Keterangan
: W = usaha yang dilakukan mesin, e = efisiensi mesin, Q1 = kalor
yang diserap mesin.
W =
(1/3)(Q1)
3W = Q1
Kalor
yang dikeluarkan pada suhu rendah :
Q2
= Q1 – W
Q2
= 3W – W
Q2
= 2W
Jawaban yang benar adalah B.
5. Soal
UN Fisika SMA 2012/2013 SA 67 No.19
Grafik
P-V dari sebuah siklus Carnot terlihat seperti gambar berikut. Jika kalor yang
dilepas ke lingkungan 3.000 Joule, maka kalor yang diserap sistem adalah…
A.
3.000 J
B.
4.000 J
C.
4.800 J
D.
6.000 J
E.
8.000 J
Pembahasan
Diketahui :
Suhu
rendah (TL) = 500 K
Suhu
tinggi (TH) = 800 K
Kalor
yang dilepaskan (Q2) = 3000 Joule
Ditanya : Kalor yang diserap sistem (Q1)
Jawab :
Efisiensi
mesin Carnot :
e = (TH
– TL) / TH
e =
(800 – 500) /8600
e =
300 / 800
e =
3/8
Usaha
yang dilakukan oleh mesin Carnot :
W = e
Q1
W =
(3/8)(Q1)
Q2
= Q1 – W
Q2
= 8W/3 – 3W/3
Q2
= 5W/3
3Q2
= 5W
W =
3Q2/5 = 3(3000)/5 = 9000/5 = 1800
Kalor
yang diserap sistem :
Q1
= W + Q2 = 1800 + 3000 = 4800 Joule
Jawaban
yang benar adalah C.
Coba juga : KUIS FISIKA ONLINE GRATIS (Siklus Carnot)
dengan mengklik pada link dibawah ini:
