TUGAS PAPER FISIKA II
“MESIN CARNOT”
Disusun Oleh:
Aditya Dirgantara Susanto - 215060101111015
Dosen Pengampu:
Ir. Roland Martin Simatupang, ST., MT., M.Sc
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG
2024
DAFTAR ISI
A. Pendahuluan Siklus Carnot...3
B. Tahapan Siklus Carnot... 4
C. Teorema Carnot...5
D. Aplikasi Siklus Carnot... 6
1. Mesin Uap (Steam Engines)...6
2. Mesin Pendingin dan Kulkas (Refrigerators and Heat Pumps)... 7
3. Turbin Uap... 7
4. Sistem Pendinginan Gas...8
E. Kesimpulan... 8
A. Pendahuluan Siklus Carnot
Siklus Carnot adalah siklus termodinamika ideal yang diusulkan oleh fisikawan Prancis Sadi Carnot pada tahun 1824 dan dikembangkan lebih lanjut oleh beberapa orang pada tahun 1830-an dan 1840-an.
Menurut teorema Carnot, Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula.
Gambar 1. Penemu teorema Carnot, Sadi Carnot
Dalam termodinamika itu dinamakan proses reversible, suatu proses yang dapat dibalik sedemikian rupa sehingga sistem dan
lingkungannya kembali ke keadaan awal tanpa meninggalkan perubahan permanen atau efek pada lingkungan. Artinya, baik sistem maupun lingkungannya akan sama persis seperti sebelum proses tersebut berlangsung. Proses ini merupakan konsep ideal yang tidak terjadi dalam kenyataan, tetapi digunakan untuk analisis teoritis. Contoh dari proses reversibel adalah siklus Carnot yang ideal, di mana semua tahap (isotermal dan adiabatik) dapat dikembalikan tanpa kehilangan energi atau mengubah lingkungan secara permanen. Pada dasarnya, siklus ini memberikan batas pada efisiensi mesin termodinamika dalam mengubah panas menjadi kerja, atau sebaliknya, efisiensi sistem pendingin (kulkas) dalam menciptakan perbedaan suhu melalui penerapan kerja pada sistem.
B. Tahapan Siklus Carnot
Seperti yang disebutkan, siklus Carnot memiliki 2 tahap penting yaitu isotermal dan adiabatik. Kedua tahap ini dapat kita lihat dengan mengobservasi cara kerja mesin Carnot. Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel.
Gambar 2. Siklus Carnot Berikut tahapan dari siklus Carnot :
1. Ekspansi Isotermal (1-2): Sistem bersentuhan dengan reservoir panas pada suhu tinggi (Th) memungkinkan sistem untuk menyerap panas secara isotermal dan menghasilkan kerja melalui ekspansi. Karena proses ini terjadi secara isotermal, energi internal sistem tidak berubah.
2. Ekspansi Adiabatik (2-3): Sistem diisolasi secara termal dari lingkungan dan dibiarkan mengembang lebih lanjut, menghasilkan kerja. Ekspansi ini menyebabkan suhu sistem turun dari (Th) ke (Tl) .
3. Kompresi Isotermal (3-4): Sistem bersentuhan dengan reservoir dingin pada suhu rendah (Tl), memungkinkan sistem melepaskan panas secara isotermal selama proses kompresi.
4. Kompresi Adiabatik (4-1): Sistem diisolasi secara termal dari lingkungan dan mengalami kompresi yang meningkatkan suhu kembali ke (Th)
Itulah mengapa siklus carnot termasuk siklus reversible.
C. Teorema Carnot
Teorema Carnot adalah prinsip dalam termodinamika yang menyatakan bahwa tidak ada mesin kalor yang bekerja antara dua reservoir panas yang dapat lebih efisien daripada mesin Carnot ideal yang bekerja dalam siklus Carnot, asalkan mesin tersebut beroperasi antara dua suhu tertentu. Teorema ini diperkenalkan oleh Sadi Carnot pada tahun 1824 dan menjadi dasar dari hukum kedua termodinamika.
Inti dari Teorema Carnot:
1. Efisiensi maksimum: Mesin Carnot memberikan batas efisiensi termodinamika maksimum yang dapat dicapai oleh mesin apa pun yang bekerja antara dua reservoir panas.
2. Efisiensi bergantung pada suhu: Efisiensi mesin Carnot hanya bergantung pada suhu reservoir panas (Th) dan reservoir dingin (Tl ), yang dinyatakan dengan rumus:
3. Tidak ada mesin yang lebih efisien: Menurut teorema ini, tidak ada mesin nyata atau ideal yang bisa melebihi efisiensi mesin Carnot. Mesin yang bekerja secara irreversible selalu memiliki efisiensi lebih rendah karena faktor-faktor seperti gesekan dan perpindahan panas yang tidak sempurna.
D. Aplikasi Siklus Carnot
1. Mesin Uap (Steam Engines)
Gambar 3. Mesin uap
Mesin uap adalah salah satu contoh paling awal dari mesin panas yang beroperasi dengan prinsip mirip siklus Carnot. Mesin ini mengubah energi panas dari uap air menjadi kerja mekanis.
Meskipun mesin uap yang sebenarnya tidak ideal dan tidak dapat mencapai efisiensi Carnot, desainnya sering kali dioptimalkan untuk mendekati batas efisiensi tersebut, dengan memperhatikan perbedaan suhu antara uap panas dan kondensor yang mendinginkan uap.
2. Mesin Pendingin dan Kulkas (Refrigerators and Heat Pumps)
Gambar 4. Mesin Pendingin/Kulkas
Mesin pendingin dan pompa kalor menggunakan siklus Carnot dalam pengoperasiannya secara terbalik. Pada kulkas, panas diserap dari ruang bersuhu rendah (bagian dalam kulkas) dan dibuang ke ruang bersuhu lebih tinggi (lingkungan luar). Semakin besar perbedaan suhu antara bagian dalam kulkas dan lingkungan luar, semakin sulit bagi alat tersebut mencapai efisiensi maksimal.
Siklus Carnot memberikan batas teoretis efisiensi energi yang bisa dicapai oleh sistem pendingin ini.
3. Turbin Uap
Gambar 5. Turbin Uap
Turbin uap digunakan dalam berbagai industri, seperti pembangkit listrik, pengolahan kimia, dan produksi kertas. Pemahaman siklus Carnot membantu dalam merancang turbin uap yang efisien, memaksimalkan konversi energi panas menjadi energi mekanik.
4. Sistem Pendinginan Gas
Liquefaction of Gases: Proses liquefaction of gases, seperti nitrogen dan helium, menggunakan prinsip siklus Carnot untuk menurunkan suhu gas hingga titik kondensasi. Dengan memahami siklus Carnot, para insinyur dapat merancang sistem liquefaction yang lebih efisien, menghasilkan gas cair dengan lebih sedikit energi.
E. Kesimpulan
Siklus Carnot tidak diterapkan secara langsung pada alat-alat ini karena siklusnya bersifat ideal dan memerlukan kondisi yang mustahil dicapai di dunia nyata. Namun, prinsipnya tetap menjadi pedoman dalam desain dan optimasi mesin termal untuk meningkatkan efisiensi operasionalnya
