Siklus Carnot Dan Reversibel [PDF]

Citation preview

MAKALAH RUTIN MK. TERMODINAMIKA PRODI S1 PSPF - FMIPA



“SIKLUS CARNOT DAN REVERSIBEL” Diajukan untuk memenuhi tugas Mata Kuliah Termodinamika



OLEH : KELOMPOK 4 NAMA MAHASISWA



: IFFAH KHAIRIYAH I.



(4172121023)



NANDA JULFA REZEKI



(4173121032)



NUR AZMI



(4173321036)



POIBE K. SIMANJUNTAK



(4171121024)



RISKI MAULIDAH AFNI



(4171121029)



DOSEN PENGAMPU



: DEO DEMONTA PANGGABEAN, S.Pd., M. Pd.



MATA KULIAH



: TERMODINAMIKA



PROGRAM STUDI S1 PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN NOVEMBER 2018



KATA PENGANTAR



Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala limpahan Rahmat sehingga kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini dalam bentuk maupun isinya yang sangat sederhana. Makalah ini kami buat untuk melengkapi tugas mata kuliah Termodinamika. Harapan kami semoga makalah ini membantu menambah pengetahuan dan pengalaman bagi para pembaca, sehingga kami dapat memperbaiki bentuk maupun isi makalah ini sehingga kedepannya dapat lebih baik. Makalah ini kami akui masih banyak kekurangan karena pengalaman yang kami miliki sangat kurang. Oleh karena itu kami harapkan kepada para pembaca untuk



memberikan



masukan-masukan



yang



bersifat



membangun



untuk



kesempurnaan makalah ini.



Medan, 4 November 2018



Penulis



i



DAFTAR ISI



KATA PENGANTAR ..................................................................................... i DAFTAR ISI ................................................................................................... ii BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang ........................................................................................... 1 1.2.Rumusan Masalah ...................................................................................... 1 1.3.Tujuan Penulisan ........................................................................................ 1 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Proses Reversibel dan Proses Irreversibel.................................................. 2 2.2 Siklus Carnot .............................................................................................. 4 BAB III PENUTUP 3.1. Kesimpulan ............................................................................................... 11 3.2. Saran .......................................................................................................... 1 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 12



ii



BAB I PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Pengetahuan mengenai siklus termodinamika adalah penting di dalam sistem pembangkit tenaga (seperti mesin bensin, diesel, turbin gas, dll). Mesin-mesin ini menggunakan campuran bahan bakar dan udara untuk operasinya. Karena massa bahan bakar yang digunakan sangat kecil bila dibandingkan dengan massa udara, sehingga campuran diasumsikan mengikuti sifat-sifat gas sempurna. Siklus termodinamika terdiri dari urutan operasi/proses termodinamika, yang berlangsung dengan urutan tertentu, dan kondisi awal diulangi pada akhir proses. Jika operasi atau proses dilukiskan pada diagram p-v, akan membentuk lintasan tertutup. Karena daerah dibawah setiap kurva merupakan kerja yang dilakukan, sehingga kerja netto dalam satu siklus diberikan oleh daerah yang ditutupi oleh lintasan



1.2 Rumusan Masalah 1. Apa yang dimaksud dengan proses irreversible? 2. Apa yang dimaksud dengan proses reversible? 3. Bagaimanakah langkaha-langkah siklus carnot? 1.3 Tujuan Penulisan 1. Mengetahui definisi dari reversible dan irreversible 2. Mengetahui proses pada siklus carnot 3. Sebagai salah satu syarat memenuhi tugas Termodinamika



1



BAB II PEMBAHASAN



1.3 Proses Reversibel dan Proses Irreversibel Bila kita meninjau sebuah sistem yang khas dalam kesetimbangan termodinamika dengan massa M dari suatu gas ideal yang dibatasi dalam sebuah susunan silinder pengisap dengan volume V, tekanan P serta temperatur T. Dalam kesetimbangan maka variabelveriabel tersebut tetap konstan terhadap waktu. Dimisalkan bahwa silinder tersebut dinding-dindingnya adalah isolator panas yang ideal dan alasnya adalah penghantar panas yang ideal ditempatkan pada sebuah reservoir besar yang dipertahankan pada temperatur T sama seperti gambar 1. Kemudian keadaan sistem tersebut diubah dengan T adalah sama tetapi volume V direduksi sebesar setengah volume awalnya. F ds



Dinding Pengisolasi



A P



T



Gambar 1



1. Proses Irreversibel (Proses Tak Terbalikkan) Apabila kita menekan pengisap tersebut dengan sangat cepat sampai kembali lagi ke kesetimbangan dengan reservoir, selama proses ini gas bergolak dan tekanan serta temperaturnya tidak dapat didefinisikan secara tepat sehingga grafik proses ini tidak dapat digambarkan sebagai sebuah garis kontinu dalam diagram P-V karena tidak diketahui berapa nilai tekanan atau temperatur yang akan diasosiasikan dengan volume yang diberikan. Proses inilah yang dinamakan proses irreversibel.



2



2. Proses Reversibel (Proses Terbalikkan) Apabila kita menekan pengisap dengan sangat lambat sehingga tekanan, volume, dan temperatur gas tersebut pada setiap waktu adalah kuantitas-kuantitas yang dapat didefinisikan secara tepat. Mula-mula sedikit butiran pasir dijatuhkan pada pengisap dimana kemudian volume sistem akan direduksi sedikit dan T akan naik serta terjadi penyimpangan terhadap kesetimbangan yang sangat kecil. Sejumlah kecil kalor akan dipindahkan ke reservoir dan dalam waktu singkat sistem akan mencapai kesetimbangan baru dengan T adalah sama dengan T reservoir. Peristiwa ini diulakukan berulang-ulang sampai akhirnya kita mereduksi volume menjadi setengah kali volume awalnya. Selama keseluruhan proses ini, sistem tersebut tidak pernah berada dalam sebuah keadaan yang berbeda banyak dari sebuah keadaan kesetimbangan. Proses inilah yang dinamakan proses reversibel. Proses reversibel adalah sebuah proses yang dengan suatu perubahan diferensial di dalam lingkungannya dapat dibuat menelusuri kembali lintasan proses tersebut. Pada praktiknya semua proses adalah irreversibel tetapi kita dapat mendekati keterbalikan (reversibel) sedekat mungkin dengan membuat perbaikan-perbaikan eksperimen yang sesuai. Proses yang betul-betul reversibel adalah suatu abstraksi sederhana yang berguna dalam hubungannya dengan proses riel adalah serupa seperti hubungan abstraksi gas ideal dengan gas riel. Pada proses reversibel juga terjadi proses isotermal, kerena kita menganggap bahwa T gas berbeda pada setiap waktu hanya sebanyak diferensial dT dari T konstan reservoir dimana silinder berdiam. Volume gas tersebuat juga dapat direduksi secara adiabatikr dengan memindahkan silinder dari reservoir kalor dan menaruhnya pada sebuah tempat yang tidak bersifat sebagai penghantar. Dalam proses adiabatikr tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem. Proses adiabatikr dapat merupakan proses reversibel atau irreversibel, dimana proses reversibel kita dapat menggerakkan pengisap sangat lambat dengan cara pembebanan pasir dan proses yang irreversibel kita dapat menyodok pengisap dengan sangat cepat ke bawah. Selama proses kompresi adiabatik temperatur gas akan naik karena dari Hukum I Termodinamika bila Q = 0 maka besarnya usaha W untuk mendorong pengisap ke bawah harus muncul sebagai suatu pertambahan energi dalam sebesar ΔU. W akan bernilai berbeda untuk kecepatan yang berbeda dari pendorongan pengisap tersebut ke bawah yang 3



diberikan oleh ∫PdV yaitu luas daerah di bawah kurva pada diagram P –V (hanya untuk proses reversibel untuk P tetap). ΔU dan ΔT tidak akan sama baik untuk proses reversibel ataupun irreversibel.



2.2 Siklus Carnot Walaupun mesiu uap atau mesin kalor telah dikembangkan oleh James Watt dan beberapa ilmuwan lainnya, akan tetapi pada tahun 1842 seorang insinyur Perancis yaitu Nicolas Leonardo Sadi Carnot (1796 – 1832) mempublikasikan sebuah laporan tentang prinsip-prinsip umum sebuah mesin kalor. Dalam pengarjaannya, Carnot merumuskan ideide dasar tentang termodinamika. Ia berpendapat bahwa semua perpindahan (pergerakan) berhubungan dengan kalor. Dalam pandangan ilmu pengetahuan modern, visi alamiah Carnot sangat sederhana tetapi memiliki pengertian tentang kalor sebagai penyebab pembangkitan daya secara esensial adalah tepat. Mesin Carnot ideal membangun suatu batas efisiensi paling tinggi dari semua mesin yang dapat dibuat termasuk mesin uap, mesin diesel, dan lain-lain. Carnot memahami proses dasar yang mendasari usaha oleh semua mesin, dimana proses itu adalah suatu perubahan bentuk dari energi (kalor) melalui bentuk energi lainnya (usaha mekanik). Usaha hanya dapat dilakukan ketika kalor mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah. Carnot kemudian mengusulkan suatu mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat bekerja balik (reversibel) di antara dua suhu. Efisiensi dari mesin Carnot tidaklah 100%, melainkan sebuah mesin yang efisiensinya paling besar dari semua mesin yang mengubah kalor menjadi usaha. Dari hasil analisis terhadap perubahan energi selama satu siklus dari performansi mesin dan menentukan kondisi-kondisi untuk mencapai efisiensi maksimum. Berikut contoh siklus Carnot, fluida kerja mesin kalor adalah suatu gas ideal yang dikurung dalam suatu wadah silinder oleh suatu pengisap licin (tanpa gesekan). Kita dapat menggunakan suatu gas ideal untuk penyederhanaan matematis tetapi hasilnya akan sama jika fluida kerja lain yang digunakan dalam siklus Carnot. Gambar 3 menunjukkan diagram komponen-komponen lain dari suatu mesin Carnot sebagai tambahan pada wadah silinder yang mengurung fluida kerja. Suatu benda panas dengan kapasitas tidak terbatas, disebut reservoir kalor, mensuplai kalor Q1 tanpa mengalami penurunan suhu. Suatu dasar isolator yang bersama dengan sisi-sisi silinder dan pengisap bertindak sebagai suatu 4



isolator sempurna terhadap aliran kalor. Benda dingin disebut penampung kalor yang memiliki kapasitas tamping tidak terbatas sehingga dapat menyerap kalor tanpa mengalami kenaikan suhu. Operasi mesin Carnot adalah menggerakkan silinder dalam suatu cara yang sudah ditentukan dari suatu dasar isolator ke dasar isolator lainnya dan kemudian mengulangi siklus. Langkah 1 : Proses pemuaian isotermal Langkah 3 : Proses pemampatan adiabatik Langkah 2 : Proses pemuaian adiabatik



Q1 Sumber panas



Isolator



Isolator



Langkah 3 : Proses pemampatan isotermal Q2 Penampung panas



Gambar 3 : Diagram sebuah mesin Carnot yang menggunakan gas ideal sebagai fluida kerja



Langkah 1. Siklus diawali dengan wadah silinder yang kontak dengan reservoir kalor, dimana fluida kerja (gas) mengambil sejumlah kalor Q1 pada suhu tinggi T1. Dalam proses reversibel sistem menyerap kalor sehingga suhu sistem sama dengan suhu reservoir (proses isotermal). Dari saat kalor mulai diserap, gas memuai dan melakukan usaha pada pengisap. Pemuaian ini digambarkan dalam diagram P – V (Gambar 4) dengan perubahan dari keadaan A ke B sepanjang suatu grafik isotermal. Selama proses isotermal, energi dalam sistem tidak berubah sehingga sesuai dengan hukum pertama termodinamika, usaha yang dilakukan sistem dengan masukan kalor. 5



P A



Q1



A



B T1 W



T2



D



C Q2



V A Gambar 4 Diagram P – V gas ideal



Langkah 2. Silinder kemudian bergerak ke badan berisolasi, dimana masukan dan keluaran kalor adalah nol. Badan pengisap dikurangi dan gas memuai sepanjang grafik adiabatikr dalam gambar 4 dilukiskan oleh proses dari B ke C. Saat gas secara kontinu melakukan usaha dengan pemuaian, maka energi dalamnya berkurang. Pemuaian ini disertai dengan pengurangan suhu sepanjang grafik BC sampai silinder mencapai suhu yang sama dengan sushu pada penampung kalor. Langkah 3. Silinder digerakkan ke penampung kalor. Di sini gas mengalami proses pemampatan isotermal yang dalam gambar 4 dilukiskan oleh proses dari C ke D dimana sejumlah kalor Q2 dibuang ke reservoir dingin pada suhu T2. Seperti pada proses isotermal sebelumnya, masukan kalor sama dengan usaha yang dilakukan. Akan tetapi, dalam kasus ini, karena kalor dikeluarkan maka besarnya usaha adalah negatif. Usaha yang berharga negatif berarti usaha dilakukan pada sistem atau sistem dikenai usaha. Langkah 4. Langkah 4 merupakan langkah akhir pada siklus Carnot, dimana pada langkah ini silinder digerakkan kembali ke badan berisolasi. Beban pada pengisap ditambah dan gas mengalami pemampatan adiabatikr yang dalam gambar 4 dilukiskan oleh proses dari D ke A. Besarnya perpindahan kalor adalah 0 atau Q = 0, karena volumenya berkurang (usaha dilakukan pada sistem) maka energi dalam dan temperaturnya akan naik. Ketika suhu gas mencapai suhu reservoir kalor untuk kedua kalinya, silinder dipindahkan 6



ke reservoir kalor dan siklus dimulai lagi. Dalam proses ini energi fluida kerja kembali ke energi dalam yang sama dengan yang dimilikinya pada awal siklus. Pada proses pemuaian isotermal yaitu proses dari A ke B, kalor Q1 diserap sedangkan pada proses pemampatan yaitu proses dari C ke D dilepaskan kalor Q2. Dalam siklus Carnot tidak terjadi perubahan energi dalam ΔU atau ΔU = 0. Hal ini terjadi karena terjadi proses isotermal dimana temperatur konstan sehingga tidak ada perubahan suhu. Sesuai dengan hukum pertama termodinamika maka besarnya usaha W dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut. ΔU = Q – W 0 = (Q1 – Q2) – W W = Q1 – Q2 Dengan Q1 dan Q2 adalah besaran yang bernilai positif. Proses ini ditunjukkan secara skematis pada gambar 2. Persamaan W = Q1 – Q2 persis sama dengan persamaan 2 pada mesin kalor, hal ini disebabkan karena mesin carnot termasuk mesin kalor. Maka dari itulah efisiensi mesin Carnot dalam Q1 dan Q2 akan persis sama dengan efisiensi mesin kalor pada persamaan 3 dan 4, yaitu







W Q1  Q2 atau  Q1 Q2



  1



Q2 Q1



Dalam fluida kerja gas ideal, besarnya energi dalam U adalah sebanding dengan suhu mutlak T. Dari proses yang dilalui dalam siklus Carnot diketahui bahwa Q1 sebanding dengan T1 dan Q2 sebanding dengan T2 sehingga dalam suatu gas ideal dapat diyunjukkan bahwa.



Q2 T2  ……………………………………………………………….. (8) Q1 T1 Dengan demikian efisiensi mesin Carnot (η) dalam suhu mutlak T dapat dinyatakan dengan persamaan.



7



  1



Q2 Q1



  1



T2 …………………………………………………………… (9) T1



Semua mesin reversibel yang bekerja dalam siklus antara dua reservoir kalor yang sama memiliki efisiensi yang sama, apapun kerja fluidanya. Di samping itu, tidak ada jenis mesin yang bekerja di antara dua reservoir yang sama, dapat memiliki efisiensi yang lebih besar daripada efisiensi mesin Carnot. Efisiensi mesin kalor nyata apapun selalu lebih kecil dari efisiensi mesin ideal (mesin Carnot). Berikut disajikan tabel efisiensi beberapa mesin. Efisiensi mesin-mesin kalor Jenis Mesin



Efisiensi (%)



Mesin mobil (bensin)



20 – 25



Mesin diesel



26 – 38



Turbin uap pembangkit nuklir



35



Turbin uap pembangkit batu bara



40



Penerapan efisiensi mesin Carnot Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, maka suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi?



Penyelesaian Diketahui



: T1 = 800 K η1 = 40% η2 = 50%



Ditanyakan



: Suhu reservoir tinggi (T1) dengan η = 50% = ………..?



Jawab



:



Pada efisiensi 40% diketahui bahwa T1 = 800 K, sehingga yang dicari adalah T2.



8



  1



T2 T1



40%  (1 



T2 )  100% 800K



1



T2 40%  800K 100%



1



T2 2  800K 5



1



T 2  2 5 800K



T 3  2 5 800 K 5T2 = 2400 K T2 =



2400 K  480 K 5



Jadi besarnya temperatur reservoir suhu rendah (T2) dengan efisiensi sebesar 40% adalah 480 K. Pada efisiensi 50% diketahui bahwa T2 = 480 K, sehingga yang dicari adalah T1.



  1



T2 T1



50%  (1 



480 K )  100% T1



1



480 K 50%  T1 100%



1



1 480 K  2 T1



1 480 K  2 T1



T1 = 960 K Jadi besarnya temperatur reservoir suhu tinggi (T1) dengan efisiensi sebesar 50% adalah 960 K.



9



BAB III PENUTUP



3.1 KESIMPULAN Proses reversibel adalah sebuah proses yang dengan suatu perubahan diferensial di dalam lingkungannya dapat dibuat menelusuri kembali lintasan proses tersebut. Pada praktiknya semua proses adalah irreversibel tetapi kita dapat mendekati keterbalikan (reversibel) sedekat mungkin dengan membuat perbaikan-perbaikan eksperimen yang sesuai. Efisiensi dari mesin Carnot tidaklah 100%, melainkan sebuah mesin yang efisiensinya paling besar dari semua mesin yang mengubah kalor menjadi usaha. Semua mesin reversibel yang bekerja dalam siklus antara dua reservoir kalor yang sama memiliki efisiensi yang sama, apapun kerja fluidanya. Di samping itu, tidak ada jenis mesin yang bekerja di antara dua reservoir yang sama, dapat memiliki efisiensi yang lebih besar daripada efisiensi mesin Carnot. Efisiensi mesin kalor nyata apapun selalu lebih kecil dari efisiensi mesin ideal (mesin Carnot).



3.2 SARAN Dengan ini, kami mengharapkan agar pembaca dapat lebih memahami materi Siklus Carnot dan Reversibel. Untuk pengembangan lebih lanjut, pembaca dapat mencari informasi melalui sumber lain. Dalam penulisan makalah ini kami merasa masih banyak kekurangan, kami mengharapkan kepada para pembaca untuk memberikan kritik yang membangun agar kami dapat memperbaiki dengan lebih baik lagi.



10



DAFTAR PUSTAKA



Hartatiek. 2009. Paket Tutorial Termodinamika. Malang : FMIPA Universitas Negeri Malang Iwanuddin. 2015.



Diktat Termodinamika 1. Mataram : Fakultas Teknik Universitas



Mataram



11