Siklus Carnot: Pengertian Rumus Efisiensi Kompresi Ekspansi Adiabatik Isotermal Mesin Kalor Contoh Soal Perhitungan 9

Pengertian Mesin Kalor Siklus Carnot . Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tinggi 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 (diagram hubungan tekanan P dan Volume V).

Tahap Proses Siklus Carnot Mesin Kalor

Siklus Carnot terdiri atas empat proses yaitu dua proses adiabatis dan dua proses isotermis seperti ditunjukkan pada Gambar.

Siklus Carnot: Pengertian Rumus Efisiensi Kompresi Ekspansi Mesin Kalor Contoh Soal Perhitungan 9, Contoh Soal Rumus Siklus Carnot Perhitungan Efisiensi Mesin Kalor, Cara Menentukan Temperatur Tinggi Reservoir Mesin Carnot,  Cara Menentukan Temperatur Rendah Reservoir Mesin Carnot,  Pengertian Proses Ekspansi Kompresi Adiabatik Siklus Carnot dan Proses Ekspansi Kompresi Isotermal Siklus Carnot, Siklus Carnot: Pengertian Rumus Efisiensi Kompresi Ekspansi Adiabatik Isotermal Mesin Kalor Contoh Soal Perhitungan 9
Tahap Proses Siklus Carnot Mesin Kalor

Kurva A-B dan C-D merepresentasikan proses isotermis. Sedangkan B-C dan D-A adalah proses adiabatis.

Mesin ideal Carnot bekerja berdasarkan mesin kalor yang dapat bekerja bolak balik (reversibel).

1). Pada proses A-B, gas mengalami ekspansi isothermal. Selama proses ini, system menyerap kalor sebesar Q1 pada temperature konstan. Proses ekspansi menyebabkan volume sistem bertambah besar dari VA menjadi VB yang diikuti dangan penurunan tekanan dari PA menjadi PB.

2). Pada Proses B-C, gas mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Volume gas dinaikkan dari VB menjadi VC yang menyebabkan turunnya tekanan dari PB menjadi PC.

3). Proses C-D merupakan proses pemampatan secara isotermal. Pada proses ini sistem melepas kalor sebesar Q2 tanpa terjadi perubahan temperature.

Kompresi menyebabkan volume berkurang dari VC menjadi VD. Penurunan volume menyebabkan naiknya tekanan gas dari PC menjadi PD.

4). Proses D-A merupakan pemampatan (kompresi) adiabatik. Pada proses ini sistem tidak menyerap ataupun melepas kalor.

Proses kompresi menyebabkan volume mengecil dari VD menjadi VA diikuti dengan kenaikkan tekanan dari PD menjadi PA.

Rumus Mesin Siklus Carnot

Pada proses A-B proses menyerap kalor Q1 dan saat proses C-D melepas kalor sisa Q2. Selama siklus terjadi dapat menghasilkan usaha. Dan berlaku hubungan seperti persamaan berikut.

Q = ΔU + W

Q1 – Q2 = 0 + W

W = Q1 – Q2

Q = Kalor dimiliki sistem

W = Usaha Yang Dilakukan Sistem

ΔU = energi dalam sistem

Mesin Kalor Siklus Carnot

Dari siklus Carnot diatas untuk kemudian dapat dibuat suatu mesin yang dapat memanfaatkan suatu aliran kalor secara spontan sehingga dinamakan mesin kalor. Perhatikan mesin kalor pada Gambar.

Prinsip Kerja Mesin Kalor Siklus Carnot,
Prinsip Kerja Mesin Kalor Siklus Carnot,

Sesuai dengan siklus carnot maka dapat dijelaskan prinsip kerja mesin kalor. Mesin kalor menyerap kalor dari reservois bersuhu tinggi T1 sebesar Q1. Mesin menghasilkan kerja sebesar W dan membuang sisa kalornya ke reservois bersuhu rendah T2 sebesar Q2.

Dari penjelasan gambar terlihat bahwa tidak ada sebuah mesin yang memanfaatkan semua kalor yang diserap Q1 untuk melakukan kerja W. Pasti selalu ada kalor yang terbuang. Artinya setiap mesin kalor selalu memiliki efisiensi. Efisiensi mesin kalor ini didefinisikan sebagai berikut.

η= W/Q1 x 100%

W = Q1 – Q2 substitusikan, sehingga persamaan efisiensi menjadi

η = [(Q1 – Q2)/Q1] x 100%

η = [1 – (Q2/ Q1)] x 100%

Untuk siklus Carnot berlaku hubungan Q2 /Q1 = T2/ T1 sehingga efisiensi mesin Carnot dapat diformulasikan dengan rumus persamaan berikut;

η = [1 – (T2/ T1)] x 100%

Keterangan:

η  = efisiensi mesin Carnot

T1  = suhu reservoir bersuhu tinggi (K)

T2  = Suhu Reservoir bersuhu rendah (K)

Efisiensi Maksimum Siklus Mesin Kalor Carnot.

Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling tinggi, hal ini karena mesin 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 bahwa  mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T2 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).

1). Contoh Soal Rumus Siklus Carnot Perhitungan Efisiensi Mesin Kalor

Sebuah mesin kalor menyerap kalor dari reservois 450 K sebesar 500 kal. Kemudian membuang usahanya ke reservois bersuhu 350 K sebesar 200 kal. Tentukan efisiensi mesin kalor tersebut

Diketahui:

T1 = 450 K

Q1 = 500 kal

T2 = 350 K

Q2 = 200 kal

Rumus Mencari Efisiensi Mesin Kalor Siklus Carnot

Efisiensi Mesin Kalor dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

eff = [1 – (Q2/Q1)] x100%

eff = [1 – (200/500)] x 100%

eff = 60 %

Jadi, efisiensi mesin kalor adalah 60 %.

2). Contoh Soal Siklus Carnot Perhitungan Efisiensi Maksimun Mesin Kalor

Sebuah mesin Carnot menyerap kalor dari tempat bertemperatur 277 OC dan membuangnya pada tempat bertemperatur 27OC. Tentukan efisiensi maksimum mesin Carnot tersebut:

Diketahui:

T1 = 277 + 273 = 550 K

T1 = 27 + 273 = 300 K

Rumus Menghitung Efisiensi Maksimum Mesin Kalor Siklus Carnot

Besarnya efisiensi maksimum mesin Carnot dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:

eff = [1 – (T2/T1)] x100%

eff = [1 – (300/550)] x 100%

eff = 45,5 %

Jadi, efisiensi maksimum yang diperoleh mesin Carnot adalah 45,5 %.

3). Contoh Soal Siklus Carnot Menentukan Usaha Yang Dihasilkan Mesin Kalor

Sebuah mesin Carnot memiliki efisiensi maksimum sebesar 60 %. Mesin Carnot tersebut dapat menyerap kalor sebesar 4 x105 joule tiap setengah menitnya. Tentukan usaha maksimum yang dapat dihasilkan oleh mesin Carnot tersebut:

Diketahui:

eff = 60 %

Q = 4 x 105 Joule

Rumus Menentukan Usaha Dihasilkan Mesin Carnot Yang Menyerap Kalor

Besarnya usaha atau kerja atau tenaga yang dihasilkan oleh sebuah mesin Carnot yang menyerap kalor dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

eff = (W/Q) x 100 % atau

W = (eff x Q)/100 %

W = (60 % x 4 x 105)/100 %

W = 2,4 x 105 joule.

Jadi usaha yang dihasilkan mesin Carnot adalah 2,4 x 105 joule.

4). Contoh Soal Siklus Carnot Menentukan Usaha Yang Dihasilkan Mesin Kalor

Sebuah mesin Carnot dapat menghasilkan tenaga sebesar 2,4 x105 joule untuk setengah menitnya. Tentukan daya yang dihasilkan oleh mesin Carnot tersebut:

Diketahui:

W = 2,4 x 105 Joule

t = ½ menit

t = 30 detik

Rumus Menghitung Daya Yang Dihasilkan Mesin Carnot

Besarnya daya yang dihasilkan oleh sebuah mesin Carnot dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut:

P = W/t

P = (2,4 x 105)/30

P = 8000 watt

Jadi daya yang dihasilkan mesin Carnot adalah 8000 watt.

5). Contoh Soal Siklus Carnot Perhitungan Kalor Terbuang Mesin Pada Reservoir

Sebuah mesin Carnot menyerap kalor sebesar 600 kJ. Mesin ini bekerja pada reservoir bersuhu 500 K dan 400 K. Berapa efisiensi dan kalor yang terbuang dari mesin Carnot tersebut

Diketahui:

T1 = 500 K

T2 = 400 K

Q1 = 600 kJ

Rumus Menentukan Efisiensi Mesin Carnot Pada Reservoir

Besarnya efisiensi mesin Carnot dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:

eff = [1 – (T2/T1)] x100%

eff = [1 – (400/500)] x100%

eff = [1 – (0,8)] x100%

eff = 20 %

Jadi Efisiensi mesin Carnot adalah 20 %

Rumus Menentukan Kalor Yang Terbuang Mesin Carnot Pada Reservoir

Besarnya kalor yang terbuang oleh mesin Carnot dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan rumus berikut:

eff = [1 – (Q2/Q1)] x100% atau

Q2 = (1 – eff/100%) x Q1

Q2 = (1 – 20%/100%) x 600

Q2 = 480 kJ

Jadi besarnya kalor yang terbuang dari mesin Carnot adalah 480 kJ.

6). Contoh Soal Siklus Rumus Perhitungan Efisiensi Usaha Mesin Carnot Pada Tandon

Sebuah mesin kalor mengambil kalor sebesar 500 joule dari tandon bersuhu dan membuang kalor 200 joule pada tandon bersuhu rendah. Hitunglah:

a). usaha luar yang dilakukan mesin

b). efisiensi mesin

Diketahui:

Q1 = 500 joule

Q2 = 200 joule

Rumus Menentukan Usaha Dilakukan Mesin Carnot Pada Tandon

Besarnya usaha atau tenaga yang dihasilkan oleh suatu mesin dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus berikut:

W = Q1 – Q2

W = 500 – 200

W = 300 joule

Jadi, Besarnya usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot adalah 300 Joule.

Rumus Perhintungan Efisiensi Mesin Carnot Pada Tandon

Efisiensi mesin Carnot pada tandon dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:

eff = (W/Q1) x 100 %

eff = (300/500) x 100 %

eff = 60 %

Jadi efisiensi Mesin Carnot pada tandon adalah 60 %

7). Contoh Soal Perhitungan Efisiensi Mesin Kalor Carnot Pada Beda Temperatur

Suatu mesin Carnot dengan reservoir panasnya bersuhu 400 K mempunyai efisiensi 50%. Jika mesin tersebut reservoir panasnya bersuhu 600 K, tentukan efisiensinya

Diketahui:

TA1 = 400 K

effA = 40%

TB1 = 600 K

Rumus Menghitung Efisiensi Mesin Kalor Beda Temperatur

Efisiensi mesin Carnot pada temepratur panasnya berbeda dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

effA = [1 – (T2/TA1)] x100% atau

T2  = (1 – eff/100%) x TA1

T2 = (1- 40%/100%) x 400

T2 = 240 K

effB = [1 – (T2/TB1)] x100% atau

effB = [1 – (240/600)] x100% atau

effB = [1 – (0,4)] x100% atau

effB = 60 %

Jadi, efisiendi mesin pada tempeartur yang lebih tinggi adalah 60 %

8). Contoh Soal Siklus Carnot Perhitungan Menaikkan Efisiensi Mesin

Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir temperatur tinggi pada 600 K memiliki efisiensi 50%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 60%, tentukanlah kenaikan temperatur yang harus dilakukan pada reservoir temperatur tinggi.

Diketahui:

T1 = 600 K,

eff1 = 50%,

eff2 = 60%.

Rumus Efisiensi Mesin Carnot Menentukan Temperatur Tinggi Reservoir

Tempertur reservoir mesin Carnot dapat ditentukan dengan rumus berikut:

eff1 = [1 – (T2/T1)] x100% atau

T2  = (1 – eff1/100%) x T1

T2  = (1 – 50%/100%) x 600

T2 = 300 K

Agar efisiensi 60 %, maka temperature tinggi reservoir dihitung dengan rumus berikut:

eff2 = [1 – (T2/T1)] x100% atau

T1 = T2/(1 – eff2/100%)

T1 = 300/(1 – 60%/100%)

T1 = 750 K

Jadi, temperature tinggi reservoir mesin Carnot adalah 750 K

9). Contoh Soal Perhitungan Efisiensi Mesin Kalor Siklus Carnot

Sebuah mesin Carnot menyerap kalor sebesar 500 kJ. Mesin ini bekerja pada reservoir bersuhu 600 K dan 400 K. Berapa kalor yang terbuang oleh mesin?

Diketahui :

T1 = 600 K

T2 = 400 K

Q1 = 500 kJ

Rumus Menentukan Efiesiensi Mesin Carnot

Untuk menghitung efisiensi mesin Carnot dapat digunakan persamaan rumus berikut:

η = [1 – (T2/ T1)] x 100%

η = [1 – (400/ 600)] x 100%

η = 33,33%

Rumus Menentukan Kalor Yang Terbuang Mesin Carnot

Besar kalor yang terbuang adalah Q2. Sehingga untuk menghitung Q2 dapat digunakan persamaan efisiensi berikut:

η = [1 – (Q2/ Q1)] x 100%

η = [1 – (Q2/ 500)] x 100%

33,33 % = [1 – (Q2/ 500)] x 100%

Q2 = 333,3 kJ

Jadi pada mesin ada kalor yang dibuang yaitu sebesar 333,3 joule dengan temperature 400 Celcius,

Daftar Pustaka:

  1. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  2. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  3. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  4. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  5. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  6. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,
  7. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.
  8. Siklus Carnot: Pengertian Rumus Efisiensi Kompresi Ekspansi Adiabatik Isotermal Mesin Kalor Contoh Soal Perhitungan 9
  9. Kurva Diagram Hubungan Tekanan dengan Volume, Grafik Siklus Carnot
    Kurva Diagram Hubungan Tekanan dengan Volume, Grafik Siklus Carnot