Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas 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".Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak (usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.

Diagram modern

Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam pembahasan modern

Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi T_Hmelalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin T_C, dan menyebabkan fluida kerja memberikan usaha mekanis kepada lingkungan, melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian (ekspansi).

Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), dapat berupa benda fluida atau uap apapun yang dapat menerima dan memancarkan kalor Q, untuk menghasilkan usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat berupa zat apapun yang dapat mengalami ekspansi, seperti uap air, uap alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahun-tahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi khusus, yaitu Q_H disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku, Q_Cbiasanya adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang terletak di berbagai bagian mesin. Usaha keluaran W biasanya adalah gerakan piston yang digunakan untuk memutar sebuah engkol, yang selanjutnya digunakan untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot sendiri mendefinisikan "usaha" sebagai "berat yang diangkat melalui sebuah ketinggian".

Teorema Carnot

Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur  and  tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.

Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur. Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan (misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.

Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh efisiensi mesin Carnot,

Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang beroperasi antara dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang sama pula.

Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat diperoleh jika dan hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus tersebut. Jika ada, maka karena entropi adalah fungsi keadaan, untuk membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke keadaan semula akan melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan proses irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di atas hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin kalor reversibel.

Sumber:

• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (ed. 2nd ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.

• ^ Carnot, Sadi (1824). Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu, page 17.

Read More

Rangkuman Materi Termodinamika

berikut adalah rangkuman materi termodinamika yang meliputi ; hukum ke-nol, 1, 2 dan 3 termodinamika. silahkan download DISINI.

Read More

Hubungan HK. I Termodinamika dan HK. II Termodinamika

Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari energi (terutama energi panas) dan transformasinya. Dalam kajian termodinamika, terdapat hukum-hukum yg mengatur perilaku termodinamis antara sistem dan lingkungan yg dinamakan hukum termodinamika. Bagaimana bunyi hukum termodinamika tersebut? Berikut ini akan kami berikan Bunyi Hukum I dan II Termodinamika:

Hukum I Termodinamika

Apabila sistem gas menyerap kalor dari lingkungan sebesar Q1, maka oleh sistem mungkin akan diubah menjadi:

• usaha luar (W) dan perubahan energi dalam ( Δ U),
• energi dalam saja (U), dan
• usaha luar saja (W).

Secara sistematis, peristiwa di atas dapat dinyatakan sebagai:

Q = W + U

Persamaan ini dikenal sebagai persamaan untuk hukum I Termodinamika. Bunyi hukum I Termodinamika adalah “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja.” Berdasarkan uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q) yg diserap sistem tidak hilang. Oleh sistem, kalor ini akan diubah menjadi usaha luar (W) dan atau penambahan energi dalam.

Hukum II Termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energy ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? 

Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun. Hal ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. Proses yg tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yg dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel. Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi  mana yg dapat terjadi dan yg tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dinyatakan dgn berbagai cara, antara lain, bunyi hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”; hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor“. Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yg bekerja dalam suatu siklus yg semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.

sumber: buku schaum hal 106-110

Read More

Bahan Ajar Aplikasi Entalpi dan Perubahannya

Silahkan download DISINI.

Read More

Jurnal Clausius-Clapeyron

Silahkan download DISINI.

Read More

Persamaan Clausius-Clapeyron

Berikut adalah jurnal dari persamaan Clausius Clapeyron. Download DISINI.

Clausius, Hukum. Kalor jenis gas ideal pada volume konstan, tak bergantung pada temperatur. Persamaan keadaan Clausius: memaksudkan koreksi pada persamaan keadaan van den Waals, yakni koreksi pada tetapan a, sehingga berbentuk

dengan P = tekanan, V = volume, T = temperatun, a = tetapan yang bergantung pada temperaton, b = tetapan, c = fungsi dan a dan b. Persamaan Clausius-Clapeyron untuk penubahan reversibel zat murni dan keadaan (fasa) yang satu ke keadaan (fasa) yang lain

dengan p, V dan T ialah tekanan, volume dan temperatur sistem, dan L ialah kalon disenap pen Mol dalam perubahan dan fasa A ke fasa B. Bentuk integnasi untuk penguapan (di sini VA I V8 sehingga V8 - VA = ‘uap) dengan pengandaian uap itu tunduk pada hukum gas ideal (pV = RT) ialah kalor penguapan.

dengan S entropi sistem.

Read More