SIKLUS PROSES TERMODINAMIKA DAN EFFISIENSI MESIN KALOR

PENGERTIAN SIKLUS
Perubahan kalor menjadi usaha dan perubahan usaha mejadi kalor dapat dilakukan terus-menerus. Sebaliknya, mengubah kalor menjadi usaha tidak semudah itu.

Usaha Gas yang Memuai

Gambar diatas memperlihatkan usaha yang dilakukan gas ketika memuai isotermal dan mendorong mengisap dalam silinder. Setelah gas menyerap kalor, tidak mungkin gas memuai terus menerus untuk melakukan usaha. Karena volume silinder terbatas , maka Q = W. Setelah gas melakukan usaha, gas diusahakan kembali ke keadaan semula. Jika gas dimampatkan isotermal untuk kembali ke keadaan semula, maka secara total tidak melakukan usaha. Proses dari keadaan semula  setelah gas melakukan usaha disebut siklus (daur)

Gambar di atas menunjukkan contoh sebuah siklus yang terdiri dari proses pemuaian isotermal A ke B, proses penyusutan isobarik B ke C, dan pemampatan isokhorik C ke A mengembalikan sistem ke keadaan semula.

Usaha bertanda positif jika terjadi pertambahan volume dan bertanda negatif terjadi pengurangan  volume : 

W_ABCA = W_AB   +   W_BC   +   W_CA 
W_ABCA = luas ABCA
Jadi, usaha yang dilakukan pada suatu siklus sama dengan luas siklus tersebut.

Contoh soal :
Sebuah mesin kalor menjalani siklus seperti gambar di bawah ini. Berapa usaha yang dilakukan siklus ?

Jawab :
Usaha yang dilakukan mesin siklus = l uas siklus
Usaha = luas ABCDA = luas trapesium ABCDA
W = 1/2    (BC   +  AD)   DC = 1/2  ( 2 + 4) 10⁵ . 0,06  =  0,18 .10⁵  = 1,8 x 10⁴  J

Siklus Carnot
Dalam upaya menciptakan suatu landasan teori tentang siklus di dalam mesin kalor, seorang insinyur dan ahli fisika Perancis bernama Sadi Carnot membayangkan sebuah mesin hayalan yang dikenal sebagai Mesin Carnot.  Mesin Carnot dibayangkan sebagai mesin yang terdiri dari sebuh silinder berisi gas ideal dan ditutup pengisap (piston) yang dapat bergerak bolak-balik di dalam silinder tersebut.

Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot. 

 a. Pada langkah, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan A ke keadaan B, sejumlah kalor (Q₁) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.

b. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan B ke keadaan C dan mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.

c. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan C ke keadaan D melalui proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200 K) menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q₂) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.

d. Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan keadaannya berubah dari keadaan D ke keadaan A. Jumlah beban di atas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang.

Jadi siklus Carnot terdiri atas pemuaian isotermal, pemuaian adiabatik, penyusutan isotermal dan penyusutan adiabatik. Kalor Q1 diberikan ke sistem pada proses pemuaian isotermal dan kalor Q2 dilepaskan oleh sistem pada pemampatan isotermal. selisish Q1 dan Q2 merupakan usaha W yang dilakukan mesin Carnot.

EFFISIENSI MESIN KALOR

Menurut kurva hubungan p–V dari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas daerah di dalam kurva p–V siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke keadaannya semula, ΔUsiklus = 0 sehingga persamaan usaha siklus (Wsiklus) dapat dituliskan menjadi

 W_siklus = ΔQ_siklus = (Q₁ – Q₂)              

dengan: 

Q₁ = kalor yang diserap sistem, dan

Q₂ = kalor yang dilepaskan sistem. 

Ketika mesin mengubah energi kalor menjadi energi mekanik (usaha). Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q₁) disebut sebagai efisiensi mesin. Persamaan matematis efisiensi mesin ini dituliskan dengan persamaan :

η = (W/Q₁) x 100 %                          

dengan η = efisiensi mesin.

Oleh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika dinyatakan dengan

W = Q₁ – Q₂ 

maka Persamaan  dapat dituliskan menjadi :

η = (Q₁ - Q₂ / Q₁) x 100 %      atau 

η = (1 - Q₂ / Q₁) x 100 %     

Effisiensi Mesin Carnot

Pada mesin Carnot, besarnya kalor yang diserap oleh sistem (Q₁) sama dengan temperatur reservoir suhu tingginya (T₁). Demikian juga, besarnya kalor yang dilepaskan sistem (Q₂) sama dengan temperatur reservoir suhu rendah mesin Carnot tersebut. Oleh karena itu, Persamaan  di atas dapat dituliskan menjadi :

η = (1 - T₂ / T₁) x 100 %     

Dari Persamaan tersebut, Kita dapat menyimpulkan bahwa efisiensi mesin Carnot dapat ditingkatkan dengan cara menaikkan temperatur reservoir suhu tinggi atau menurunkan temperatur reservoir suhu rendah.

Contoh Soal 1 :

Sebuah mesin gas ideal bekerja dalam suatu siklus Carnot antara suhu tinggi T₁ °C dan dan suhu rendah 127 °C. Jika mesin menyerap kalor 80 kkal pada suhu tertinggi dan membuang kalor 68 kkal, hitunglah:
a. usaha yang dihasilkan dalam satu siklus,

b. efisiensi mesin tersebut, dan

c. besarnya suhu tinggi T₁.
Jawaban :
Diketahui: T₂ = 127 °C, Q₁ = 60 kkal, dan Q₂ = 48 kkal.
a. Berdasarkan Hukum Pertama termodinamika:
W = Q₁ – Q₂ = 80 kkal – 68 kkal = 12 kkal
b. Efisiensi mesin Carnot

η = (W/Q₁) x 100 % = (12 kkal / 80 kkal) x 100 % = 16,7%  = 0,167

c. Efisiensi mesin dalam bentuk suhu dinyatakan dengan persamaan :

400K/T1  =  1 – 0,167  = 0.83

T1 = 400K/0,83 = 482 K = 209^oC

Sumber :
FISIKA untuk SMA/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo, 2007
https://fisikamarsud.wordpress.com/2012/08/01/64/