Apa itu 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

idealsebagai zat kerjanya , dikenal dengan istilah yaitu siklus Carnot. 

Siklus Carnot

Siklus dimulai pada keadaan 1 dengan absorsi panas isotermal kuasi-statik dari tandon panas pada temperatur T_h. kerena panas diserap secara isotermal, proses dapat dibalik tanpa melanggar hukum kedua Termodinamika. Usaha dilakukan oleh gas ketika berekspansi ke keadaan 2. Dari keadaan 2 ke keadaan 3, gas berekspansi secara adiabatik, artinya tanpa pertukaran panas. Jika ekspansi ini  dilakukan secara kuasi statik, maka proses ini bersifat reversibel. Lebih banyak usaha dikerjakan oleh gas, dan temperatur gas turun menjadi T_c. bagian ketiga siklus ini adalah kompresi isotermal pada temperatur T_c, dari keadaan 3 ke keadaan 4. Selama tahapan siklus ini, usaha dilakukan pada gas, dan panas │Q_c│ dibuang ke tandon dingin pada temperatur T_c. bagian terakhir siklus ini adalah kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan awal 1. Usaha kembali dilakukan selama kompresi ini. Usaha neto yang dilakukan selama siklus ini dinyatakan oleh luasan bayang-bayang dalam gambar.

Dengan cara yang sama, panas yang dibuang ke tandon dingin sama dengan usaha yang dilakukan pada gas sealama kompresi isotermal pada temperatur T_c dari keadaan 3 ke keadaan 4. Usaha ini besarnya sama dengan usaha yang dilakukan oleh gas jika mengembang dari keadaan  4 ke keadaan 1 jadi panas yang dibuang adalah:

Kita dapat menghubungkan volume V₁, V₂, V₃,dan V₄ dengan menggunakan persamaan untuk ekspansi adiabatik kuasi-statik:

Dengan menggunakan persamaan ini pada ekspansi dari keadaan 2 ke keadaan 3, kita mendapat

Dengan cara yang sama, untuk kompresi adiabatik dari keadaan 4 ke keadaan 1, kita mendapatkan

Dengan membagi kedua persamaan ini, kita dapatkan

Dengan demikian, V₂/V₁= V₃/V₄. Selanjutnya ln(V₂/V₁)= ln(V₃/V₄), sehingga kita dapat meniadakan suku logaritmik pada persamaan

Persamaan diatas berlaku untuk tiap mesin reversibel yang bekerja di antara tandon dengan temperatur T_h dan T_c. mesin ini menghasilkan efesiensi  terbesar yang mungkit untuk mesin yang bekerja di antara temperatur-temperatur ini. Tidak ada mesin yang dapat mempunyai efisiensi carnot, mesin dengan efisiensi yang lebih besar dari mesin ini akan melanggar hukum II Termodinamika.