Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam siklus reversibel. Ia dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot pada 1824 untuk mengubah energi kalor menjadi bentuk lain seperti usaha mekanik. Mesin Carnot merupakan mesin kalor ideal yang efisiensinya merupakan batasan maksimum untuk mesin kalor nyata manapun.
1. 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.
Mesin carnot merupakan mesin kalor yang dapat mengubah energi (kalor)
menjadi bentuklainnya (usaha mekanik). Disamping mesin carnot,
terdapat pula mesin-mesin lain yangdigolongkan dalam mesin kalor sperti
mesin uap, mesin diesel dan bensin, mesin jet dan reactoratom. Pada
prinsipnya cara kerja mesin kalor ada tiga proses penting yaitu:
1. Proses penyerapan kalor dari sumber panas yang sering disebut
sebagai reservoir (tandon) panas.
2. Usaha yang dilakukan oleh mesin.
3. Proses pembuangan kalor pada tempat yang bersuhu rendah,
tempat ini sering disebut reservoir (tandon) dingin.
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
2. panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin
refrigerator.
Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya
dimodelkan dalam pembahasan modern
Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu
tinggi TH melalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin TC, 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 QH disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku,
QC biasanya 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".
3. Teorema Carnot
Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada
temperatur TH and TC 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.
4. 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.
Mengapa dihitung efisiensi ? Berdasarkan pernyataan Clausius, bahwa
tidak ada mesin yang menyerap energi seluruhnya kemudian mampu
mengubah seluruh energi yang diserap sepenuhnya menjadi kerja/ usaha
nah, berdasar pernyataan tersebut maka muncul efisiensi mesin (atau nilai
kinerja mesin) yang dinyatakan dengan koefisien yang dibaca “eta”
pertanyaannya mengapa dikurangi ? Karena adalah energi yang
diserap mesin pada tandon (reservoir energi) bersuhu tinggi yang akan
melepaskan kalor (energi) secara spontan kepada (reservoir atau
tandon energi bersuhu rendah) yang berfungsi menyerap energi tersebut.
Mesin carnot dapat dianggap memiliki piston yang bergerak dalam
silinder, dan memiliki karakteristik sebagai berikut:
Sebuah rekatan yang sempurna, sehingga tidak ada atom yang
melarikan diri dari cairan yang bekerja karena piston bergerak
untuk memperluas atau menekannya.
pelumasan sempurna, sehingga tidak ada gesekan.
Sebuah gas ideal untuk fluida kerja.
koneksi sempurna termal pada setiap waktu, baik untuk satu atau
tidak ada dua reservoir, yang berada pada dua temperatur yang
berbeda, dengan isolasi termal sempurna mengisolasi dari semua
transfer panas lainnya.
5. piston bergerak bolak-balik berulang kali, dalam siklus bolak
ekspansi "isotermal" dan "adiabatik" dan penekanan, menurut
diagram PV ditunjukkan di bawah ini:
1. Proses AB (Ekspansi isotermal reversibel)
Pada proses ini, gas dikontakkan dengan reservoir panas bersuhu
T1 melalui dasar silinder. Kemudian beban sedikit demi sedikit dikurangi
sehingga piston (penghisap)terangkat dan gas akan memuai
(berekspansi) secara isothermal pada suhu T1. Selama proses ini gas
menyerap kalor sejumlah Q1 dan melakukan usaha (W AB) dengan
menaikkan piston keatas.
2. Proses BC (Ekspansi adiabatik reversibel)
Pada proses ini, dasar silinder yang semula dikontakkan pada reservoir
panas sekarangdiberi dinding yang terisolasi terhadap lingkungan.
Sedikit demi sedikit beban dikurangi dan membiarkan gas memuai
(mengembang = berekspansi) secara adiabatik. Selama proses ini suhu
gas turun dari T1 menjadi T2 dan gas melakukan usaha sebanyak
WBC yangditunjukkan dengan naiknya piston.
3. Proses CD (Kompresi isotermal reversibel)
Pada proses ini, gas dikontakkan dengan reservoir dingin bersuhu
T2 melalui dasar silinder. Kemudian beban ditambahkan sedikit demi
sedikit sehingga piston turun dan membiarkan gas termampatkan
(terkompres) secara isothermal pada suhu T 2. Selama proses ini gas
akan membuang kalor sebanyak Q2 dan menerima usaha (berarti
usaha negatif) dari luar sebesar W CD.
4. Proses DA (Kompresi adiabatik reversibel)
6. Pada proses ini, dasar silinder kembali di isolasikan terhadap
lingkunagn. Sedikit demi sedikit, beban ditambahkan dan biarkan gas
termampatkan secara adiabatik. Selam proses ini suhu gas naik dari
T2 menjadi T1 dan gas menerima usaha dari luar sebanyak W DA yang
ditunjukkan dengan turunnya piston.