2.1. MESIN CARNOT
Menurut hukum II Termodinamika, tak mungkin didapatknan mesin panas yang bekerja antara dua tandon panas dengan efisiensi 100 persen. Carnot menemukan bahwa semua mesin reversibel yang bekerja antara dua tandon panas mempunyai efesiensi yang sama dan bahwa tidak ada mesin yang dapat mempunyai yang lebih besar daripada efesiensi mesin reversibel. Hasil ini dikenal sebagai teorema Carnot yaitu :
“tidak ada mesin yang bekerja di antara dua tandon panas yang tersedia yang dapat lebih efesien daripada mesin reversibel yang bekerja di antara kedua tandon itu”.
Beberapa syarat yang diperlukan agar proses bersifat reversibel:
1. Tidak ada energi mekanik yang dapat hilang karena gesekan, gaya viskos, atau gaya disipatif lain yang menghasilkan panas.
2. Tidak ada konduksi panas karena beda temperatur.
3. Proses harus kuasi-statik agar sistem selalu dalam keadaan setimbang (atau sangat dekat dengan keadaan setimbang).
Tiap proses yang melanggar salah satu kondisi diatas merupakan proses irriversibel. Kebanyakan proses yang terjadi di alam bersifat irriversibel.
Carnot, dalam tahun 1824, adalah orang yang pertama kali memperkenalkan suatu proses siklik kedalam teori termodinamika yang sekarang dikenal sebagai siklus Carnot. Carnot terutama sekali tertarik di dalam meningkatkan mesin uap. Usaha Carnot ini dapat dikatakan sebagai landasan pengetahuan tentang termodinamika.
Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan system yang bersifat apapun. Boleh zat padat, cair atau gas, atau juga saput permikaan (surface film), atau zat paramagnetic. Bahkan system boleh juga mengalami perubahan fase selama siklus tersebut. Dan mesin reversibel yang memakai gas ideal sebagai zat kerjanya , dikenal dengan istilah yaitu siklus Carnot.
Siklus Carnot
siklus pada Mesin Carnot terdiri atas 4 proses, yaitu :
· 2 proses adiabatik ,dan
· 2 proses isotermik.(yakni pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik).
gambaran siklus mesin carnot:
Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi pada siklus Carnot yakni :
Pada langkah pertama, gas mengalami Ekspansi isotermal reversibel. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan sejumlah beban diatas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung,Temperatur sistem tidak berubah, namun volumesistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2 , sejumlah kalor dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.
Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses Ekspansi adiabatis reversibel. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang yang keluar atau masuk kedalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan mengurangi beban yang ada diatas piston. Akibatnya, Temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.
Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 dan mengalami proses Kompresi isotermal reversibel. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah menyentuh dasar silinder dan jumlah beban diatas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperatur tetap, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4 sejumlah kalor dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.
Pada langkah keempat, gas mengalami proses Kompresi adiabatis reversibel dan keadaannya berubah dari keadaaan 4 ke keadaan 1. Jumlah beban diatas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang yang keluar atau masuk kedalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya bekurang.
Siklus carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki
efesiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin carnot .Proses siklus
carnot menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas
kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2.Maka usaha yang dilakukan sistem menurut hukum 1 termodinamika adalah sebagai berikut :
Q = ∆U + W
Q1- Q2 =0 +W
W =Q1 –Q2
Dalam menilai kinrja suatu mesin,efesiesi merupakan suatu faktor yang penting.Untuk mesin kalor, efesiensi mesin ( Ƞ ) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang di beriakn.Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
Ƞ = x 100% = x 100% =1- x 100%
Untuk siklus Carnot berlaku hubungan = ,Sehingga efesiensi mesin carnot dapat dinyatakan sebagi berikut :
Ƞ = 1- x 100%
Keteranagn :
Ƞ : efesiensi mesin carnot
T1 :Suhu resevoir tinggi (K)
T2 :Suhu reservoir rendah (K)
Efesiensi mesin carnot merupakan efesiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal.Untuk mendapatkan efesiensi sebesar 100%,suhu tandon T2 harus = 0 K. Oleh sebab itu mesin ini reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikan ).
Prinsip Carnot
Hukum termodinamika kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank (adalah tidak mungkin untuk sebuah alat/mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bersih) dan Clausius (adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi). Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar
Dari pernyataan diatas dapat diambil kesimpulan yang berhubungan dengan efisiensi termal dari proses reversibel dan irreversible
1. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yangs ama.
2. Efisiensi semua mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama adalah sama.
Mesin Kalor Carnot
Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut :
1. Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).
2. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam dalam bentuk poros yang berputar)
3. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.
4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.
Mengacu pada karakteristik di atas, sebenarnya motor bakar dan turbin gas tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena fluida kerja dari motor bakar dan turbin gas tidak mengalami siklus termodinamika secara lengkap.
Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili definisi dari mesin kalor adalah pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran luar dimana fluida kerja mengalami siklus termidinamika yang lengkap.
Efisiensi termal dari semua mesin kalor reversibel atau irreversibel dapat dituliskan sebagai berikut :
Efisiensi= 1-QL/QH
dimana QH adalah panas yang ditransfer ke mesin kalor pada temperatur TH, dan QL adalah panas yang diteransfer ke mesin kalor pada temperatur TL.
Hubungan di atas adalah hubungan yang mengacu pada efisiensi Carnot, karena mesin kalor Carnot adalah mesin reversibel yang baik. Perlu dicatat bahwa TL dan TH adalah temperatur absolut. Penggunaan oC atau oF akan sering menimbulkan kesalahan.
1. Mesin kalor irreversible, jika efisiensi actual < efisi
3. Mesin kalor impossible jika efisiensi actual > efisien Hampir semua mesin kalor mempunyai efisiensi termal dibawah 40 persen, yang sebenarnya relatif rendah jika dibandingkan dengan 100 %. Tetapi bagaimanapun, ketika performance dari mesin kalor diperoleh tidak harus dibandingkan dengan 100 persen, tetapi harus dibandingkan dengan efisiensi sebuah mesin kalor reversibel yang beroperasi diantara batas temperatur yang sama.
Efisiensi maksimum sebuah pembangkit tenaga listrik yang beroperasi antara temperatur TH = 750 K dan TL = 300 K adalah 60 persen jika menggunakan rumus efisiensi mesin reversibel, tetapi aktualnya hanya sekitar 40 persen. Hal ini sebenarnya tidak begitu buruk dan hal tersebut masih membutuhkan improvisasi untuk mendekati efisiensi mesin reversibel.
Skala Temperatur Termodinamika
Skala pada termperatur akan menunjukkan nilai suhu sesuai keadaan lingkungan. Satuan dari suhu adalah Kelvin, dan merupakan satuan yang telah ditetapkan sebagai satuan Standar Internasional. Ada beberapa macam skala yang digunakan sebagai satuan dan ukuran yang digunakan termometer dalam mengukur suhu antara lain adalah : Celcius, Fahrenheit, Reamur, Kelvin, Rankine, Delisle, Newton, dan Rømer. Tetapi yang akan dibahas di dalam makalah tersebut tidak semua skala-skala suhu.
Berikut ini beberapa sejarah penemuan skala-skala termometer yang akan dibahas satupersatu.
a.SkalaCelcius
Anders Celsius lahir di Uppsala, adalah salah satu dari sejumlah besar .ilmuwan (semua yang terkait) yang berasal dari Ovanåker di provinsi Hälsingland. Celcius, yang dikatakan telah sangat berbakat dalam matematika sejak usia dini, diangkat menjadi profesor astronomi pada tahun 1730. Dia memulai “grand wisata”, yang berlangsung selama empat tahun, pada 1732, dan ia kunjungi selama tahun-tahun ini hampir semua european observatorium terkenal hari, di mana ia bekerja dengan banyak astronom terkemuka abad ke-18. Celcius ‘partisipasi dalam ekspedisi ini membuatnya terkenal dan penting dalam upaya untuk menarik perhatian pihak berwenang di Swedia menyumbang sumber daya yang diperlukan untuk membangun observatorium modern di Uppsala Dia berhasil, dan observatorium Celsius sudah siap pada 1741, yang dilengkapi dengan instrumen yang dibeli selama perjalanan panjang di luar negeri, terdiri dari alat yang paling modern pada saat itu teknologi.
Pada masa itu ukuran geografis, metereological pengamatan dan lain-lain, tidak dianggap sebagai astronomi hari ini, termasuk dalam pekerjaan seorang profesor astronomi. Dia membawa keluar banyak geografis pengukuran untuk Swedia peta Umum, dan juga salah satu yang pertama untuk dicatat bahwa tanah dari negara-negara nordic perlahan-lahan naik di atas permukaan laut, sebuah proses yang telah berlangsung sejak mencairnya es dari zaman es terbaru. Walaupun ia percaya, bahwa itu adalah air yang menguap. Untuk dibangun metereological pengamatan ia terkenal di dunianya termometer Celcius, dengan 0 untuk titik didih air dan 100 untuk titik beku. Setelah kematiannya pada 1744 skala terbalik ke bentuk yang sekarang.
b.Skala Fahrenheit
Ada beberapa perdebatan mengenai bagaimana Fahrenheit memikirkan skala temperaturnya. Ada yang menyatakan bahwa Fahrenheit menentukan titik nol (0 °F) dan 100 °F pada skala temperaturnya dengan cara mencatat temperatur di luar terendah yang dapat ia ukur, dan temperatur badannya sendiri. Temperatur di luar terendah ia jadikan titik nol yang ia ukur pada saat musim dingin tahun 1708 menjelang tahun 1709 di kampung halamannya, Gdánsk (Danzig) (-17.8 °C). Fahrenheit ingin menghindari suhu negatif di mana skala Ole Rømer seringkali menunjuk temperatur negatif dalam penggunaan sehari-hari. Fahrenheit memutuskan bahwa suhu tubuhnya sendiri adalah 100 °F (suhu tubuh normal adalah mendekati 98.6 °F, berarti Fahrenheit saat itu sedang demam ketika bereksperimen atau termometernya tidak akurat). Dia membagi skala normalnya menjadi 12 divisi, dan kemudian ke-12 divisi masing-masing dibagi lagi atas 8 sub-divisi. Pembagian ini menghasilkan skala 96 derajat. Fahrenheit menyebut bahwa pada skalanya, titik beku air pada 32 °F, dan titik didih air pada 212 °F, berbeda 180 derajat. Fahrenheit menghendaki agar semua temperatur yang diukur bernilai positif. Karenanya, ia memilih 0 oF untuk temperatur campuran es dan air garam (temperatur terdingin yang bisa dicapai air). Ketika mengukur temperatur titik es dan titik uap, angka yang ditunjukkan pada skala Fahrenheit berupa bilangan pecahan. Akhirnya beliau mengoprek lagi skalanya sehingga temperatur titik es dan titik uap berupa bilangan bulat.Untuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih sebagai 32 derajat Fahrenheit (32o F) dan temperatur titik titik didih normal air (titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212o F).
Diantara titik es dan titik uap terdapat 180 derajat.
c.Skala Reamur
Skala Reamur adalah skala suhu yang dinamai menurut Rene Antoine Ferchault de Reaumur, yang pertama mengusulkannya pada 1731. Titik beku air adalah 0 derajat Reamur, titik didih air 80 derajat. Jadi, satu derajat Reamur sama dengan 1,25 derajat Celsius atau kelvin. Skala ini mulanya dibuat dengan alcohol, jadi termometer Reamur yang dibuat dengan raksa sebenarnya bukan termometer Reamur sejati. Reamur mungkin memilih angka 80 karena dapat dibagi-dua sebanyak 4 kali dengan hasil bilangan bulat (40, 20, 10, 5), sedangkan 100 hanya dapat dibagi 2 kali dengan hasil bilangan bulat (50, 25). Skala Reamur digunakan secara luas di Eropa, terutama di Perancis dan Jerman, tapi kemudian digantikan oleh Celsius. Saat ini skala Reamur jarang digunakan kecuali di industri permen dan keju.
d.Skala Kelvin
Penemu dari skala tersebut adalah Daniel Gabriel Fahrenheit. Fahrenheit was born in 1680the Hanseatic city of Danzig (German).Lord Kelvin adalah seorang fisikawan dan matematikawan Britania (1824 – 1907). Lahir dengan nama William Thomson di Belfast. Kelvin adalah orang pertama yang mengusulkan skala mutlak dari suhu. Studinya terhadap teori Carnot (teori tentang mesin ideal dengan efisiensi mendekati 100%) menuntunnya ke ide bahwa kalor tidak pernah berpindah secara spontan dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi, teori ini dikenal sebagai hukum kedua termodinamika. Pada skala Kelvin, tidak ada skala negatif karena titik beku air ditetapkan sebesar 273 K dan titik didih air ditetapkan sebesar 373 K. Hal ini berarti suhu 0 K sama dengan –273 °C. Suhu ini dikenal sebagai suhu nol mutlak. Para ilmuwan yakin bahwa pada suhu nol mutlak, molekul-molekul diam atau tidak bergerak. Dengan alasan inilah skala Kelvin sering digunakan untuk keperluan ilmiah. Skala Kelvin merupakan satuan internasional untuk temperature
e.Skala Newton
Skala suhu yang diciptakan oleh Isaac Newton sekitar 1700. Ia melakukan percobaan-percobaan dengan meletakkan sekitar 20 titik rujukan suhu mulai dari “udara di musim dingin” sampai “arang yang membara di dapur”. Pendekatan ini dianggapnya terlalu kasar, sehingga ia merasa tidak puas. Ia tahu bahwa banyak zat memuai jika dipanaskan, jadi ia menggunakan minyak dan mengukur perubahan volumenya pada titik-titik rujukan suhunya. Ia menemukan bahwa minyak itu memuai 7,25% dari suhu salju meleleh sampai suhu air mendidih. Karena itu ia menempatkan “derajat panas ke-0° pada salju meleleh dan “derajat panas ke-33° pada air mendidih. Ia menyebut alatnya termometer.
f. Skala Delisle
Skala suhu yang dinamai menurut astronom Perancis Joseph-Nicolas Delisle (1688–1768). Ia menciptakan satuan ini pada 1732. Skala ini mirip skala Réaumur. membuat sebuah termometer pada 1732 yang menggunakan raksa sebagai cairan ukurnya. Ia menetapkan skala temperaturnya dengan titik beku air sebagai 0 derajat dan titik didih air sebagai 100 derajat. Pada 1738, Josias Weitbrecht (1702–1747) mengkalibrasi ulang termometer Delisle sehingga 0 derajat adalah titik beku air dan 150 derajat adalah titik didih air.
SkalaRomer
Skala suhu yang tidak digunakan lagi, dinamai menurut astronom Denmark Ole Christensen Rømer yang mengusulkannya pada 1701.
Skala suhu yang tidak digunakan lagi, dinamai menurut astronom Denmark Ole Christensen Rømer yang mengusulkannya pada 1701.
Dalam skala ini, nol adalah titik beku brine dan titik didih air adalah 60 derajat. Rømer kemudian mengamati bahwa titik beku air adalah 7,5 derajat, dan ini juga diambil sebagai titik rujukan ketiga. Jadi satuan skala ini, satu derajat Rømer, adalah 40/21 kelvin (atau derajat Celsius). Lambang satuan ini biasanya °R, namun untuk menghindari kerancuan dengan skala Rankine digunakan °Rø
g.Skala Rankine
Skala suhu termodinamis yang dinamai menurut insinyur Skotlandia William John Macquorn Rankine, yang mengusulkannya pada 1859. Lambangnya adalah °R (atau °Ra untuk membedakannya dari Rømer dan Réaumur). Seperti skala Kelvin, titik nol pada skala Rankine adalah nol absolut, tapi satu derajat Rankine didefinisikan sama dengan satu derajat Fahrenheit.
Konversi Masing-Masing Skala Termometer
Untuk mencari nilai suatu skala dari skala yang lain perlu adanya suatu konversi yang sudah ada aturannya. Semua konversi memiliki aturan dan nilai yang akan sama dengan nilai skala yang belum dikonversikan ke skala lainnya. Selain itu kita juga mengetahui perbandingan antar skala. Sebagai berikut :
Untuk mencari nilai suatu skala dari skala yang lain perlu adanya suatu konversi yang sudah ada aturannya. Semua konversi memiliki aturan dan nilai yang akan sama dengan nilai skala yang belum dikonversikan ke skala lainnya. Selain itu kita juga mengetahui perbandingan antar skala. Sebagai berikut :
1. Skala Celcius : titik lebur = 0°C dan titik didih = 100°C
2. Skala Reamur : titik lebur = 0°R dan titik didih = 80°R
3. Skala Fahrenheit : titik lebur = 32°F dan titik didih = 212°F
4. Skala Kelvin : titik lebur = 273 K dan titik didih = 373 K
Berikut ini pengkonversian dari skala yang satu keskala yang lainnya. Untuk konversi dari nilai skala Celcius
Tidak ada komentar:
Posting Komentar