Mesin Carnot: Pengertian, Rumus, Jenis Proses, Contoh Soal dan Pembahasan

Mesin Carnot adalah mesin kalor yang paling sempurna dan memiliki efisiensi tertinggi. Bahkan sampai sekarang, hampir tidak ada mesin kalor yang dibuat dengan efisiensi diatas 50 %.

Mesin Carnot pertama kali ditemukan oleh ilmuwan asal Perancis yaitu Sadi Carnot pada tahun 1824.

Metode ini digunakan untuk meningkatkan efisiensi mesin berdasarkan siklus usaha atau yang dikenal sebagai siklus Carnot.

Pengertian Mesin Carnot

Mesin carnot adalah mesin ideal yang memiliki efisiensi tertinggi dimana bergerak sesuai dengan siklus yang dinamakan siklus carnot.

Siklus Carnot adalah proses termodinamika yang dialami pada suatu sistem mesin Carnot. Siklus ini terdiri dari 4 proses yaitu dua proses isothermal dan dua proses adiabatik.

Rumus Mesin Carnot

Efisiensi digunakan untuk mengukur kemampuan mesin dalam mengubah kalor yang diserap menjadi kerja.

Efisiensi mesin kalor

Siklus Carnot berlaku hubungan

maka,

Berdasarkan siklus carnot, berlaku Q₂/Q₁=T₂/T₁ sehingga rumus efisiensi siklus carnot menjadi:

Dimana:

η adalah efisiensi mesin karnot
T₁ adalah suhu reservoir bersuhu tinggi (K)
T₂ adalah suhu reservoir bersuhu rendah (K).

Jenis Proses

Siklus Carnot terdiri dari 4 proses yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermal. Mesin ini bekerja secara reversible atau bolak-balik. Tahapan siklus carnot ditunjukkan sebagai berikut.

Proses AB dan CD adalah adiabatik dan proses BC dan DA adalah isothermal. Kalor diserap dari reservoir bersuhu tinggi hanya pada proses BC dan kalor dibuang ke reservoir bersuhu renda hanya pada proses DA.

Secara lengkap proses terjadinya siklus dibahas sebagai berikut.

i) Proses A → B

Sistem mengalami ekspansi isotermal, dimana sistem menyerap kalor sebesar Q₁ pada temperature T₁.

ii) Proses B →C

Ekspansi adiabatik, dimana tidak ada kalor yang keluar dan masuk dalam sistem. Temperatur berubah dari T₁ menjadi T₂ dan sistem melakukan kerja.

iii) Proses C → D

Kompersi isotermal, pada proses ini sistem melepas kalor sebesar Q₂ dan tidak adanya perubahan temperatur.

iv) Proses D → A

Kompresi adiabatik, karena sistem tidak menyerap ataupun melepas kalor. Temperatur sistem berubah dari T₂ menjadi T₁ dan dikenakan kerja pada sistem.

Contoh Soal dan Pembahasan

1. Efisiensi sebuah mesin carnot adalah 60%. Jika reservoir bersuhu rendah memiliki suhu 50^oC, berapakah suhu reservoir bersuhu tinggi?

Diketahui:

η = 60%
T₂= 50 + 273 = 323 K

Ditanya: T₁…?

Jawab:

Jadi, suhu reservoir bersuhu tinggi T₁ adalah 807,5 K.

2. Sebuah mesin karnot menyerap kalor yeng bertemperatur 277^oC dan membuangnya pada tempat bertemperatur 27^oC. Tentukan efisiensi maksimum mesin karnot tersebut?

Diketahui:

T₁ = 277 + 273 = 550 K
T₂ = 27 + 273 = 300 K

Ditanya : η…?

Jawab:

Jadi, efisiensi maksimum mesin karnot tersebut adalah 45,5 %.

3. Sebuah mesin karnot memiliki efisiensi maksimum 60%. Mesin tersebut dapat menyerap kalor sebesar 4 x10⁵ J setiap setengah menitnya. Berapakah usaha maksimum yang dihasilkan mesin karnot tersebut.

Diketahui:

η = 60 %
Q1 = 4 x10⁵ J

Ditanya: W….?

Jawab:

Jadi, usaha maksimum yang dihasilkan mesin karnot tersebut adalah 2,4 x 10⁵ J

Demikian penjelasan mengenai mesin carnot lengkap beserta contoh soal dan pembahasannya. Semoga bermanfaat!

Referensi:

• pinterpandai.com
• fisikazone.com
• dosenpendidikan.co.id