mesin carnot - arlynphysicskANDA

Pada akhir pembelajaran bab ini
anda dapat :
1. Menerapkan konsep termodinamika
2. Menerapkan konsep mesin kalor
TERMODINAMIKA
Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah
fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan
dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi,
termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses
reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya
merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam
termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses
termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.
Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan
bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.
Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak
bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat
diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer
energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan
Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang
termodinamika benda hitam.
Konsep dasar dalam termodinamika
Pengabstrakkan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem
dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam
pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem
masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih
besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat
diuraikan menjadi beberapa parameter !
Sistem termodinamika
Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah
batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut
lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistemlingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan
lingkungan:
 sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan
lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung
gas terisolasi.
 sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi
pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja
dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau
keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
o pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
o pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
 sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan
lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut
permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.
Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan,
karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit
penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama
dengan energi yang keluar dari sistem.
Keadaan termodinamika
Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut
dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan.
Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan
tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya
mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari
sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan
dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan.
Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.
Hukum-hukum Dasar Termodinamika
Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan
sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.

Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan
energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari
jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan
terhadap sistem.

Hukum kedua Termodinamika
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan
bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk
meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

Hukum ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini
menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut,
semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.
Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna
pada temperatur nol absolut bernilai nol.
Proses-proses Pada Hukum 1 Termodinamika : Isobaris Isokhoris Isotermis Adiabatis
1. Hukum I termodinamika untuk Proses Isobaris
Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.
Proses Isobaris
Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac
V1 / T1 = V2 / T2
Jika grafik ini digambarkan dalam hubungan P dan V maka dapat grafik sebagai berikut
:
Usaha luar yang dilakukan adalah : W = p ( V2 – V1 ). karena itu hukum I termodinamika
dapat dinyatakan :
dQ = dU + p ( V2 – V1 )
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan tetap dapat
dinyatakan dengan persamaan :
dQ = m cp ( T2 – T1 )
Pertambahan energi dalam gas dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
dU = m cv ( T2 – T1 )
Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobaris dapat pula dinyatakan
dengan persamaan :
dW = dQ – dU = m ( cp - cv ) ( T2 – T1 )
m = massa gas
cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap
cv = kalor jenis pada volume tetap.
2. Hukum I termodinamika untuk Proses Isokhoris
Pada proses ini volume Sistem konstan.
Proses Isokhoris
Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac dalam bentuk :
P1 / T1 = P2 / T2
Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka grafiknya sebagai berikut :
Karena dV = 0 maka W = p . dV
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
W = 0 ( tidak ada usaha luar selama proses )
dQ = U2 – U1
Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi dalam (dU)
dQ = dU
dU = m . cv ( T2 – T1 )
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
3. Hukum I termodinamika untuk Proses Isotermis
Selama proses suhunya konstan.
Proses Isotermis
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
4. Hukum I termodinamika untuk Proses Adiabatis
Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
Proses Adiabatis
MESIN CARNOT
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus
reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas
Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin
Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan
secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan
Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.
Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus
termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang
berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem
tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.
Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih
panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi
menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang
dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi
panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.
Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot berjudul Pemikiran
tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu),
diilustrasikan ada dua benda A dan B, yang temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A
memiliki temperatur lebih tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan
kalor pada atau dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai
dua reservoir kalor. Carnot menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas".[1] Carnot
lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak (usaha), dengan cara
memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.
Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam
pembahasan modern
Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi TH
melalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin TC, dan menyebabkan fluida kerja
memberikan usaha mekanis kepada lingkungan, melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan
pemuaian (ekspansi).
Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), dapat berupa benda fluida atau uap
apapun yang dapat menerima dan memancarkan kalor Q, untuk menghasilkan usaha.
Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat berupa zat apapun yang dapat mengalami
ekspansi, seperti uap air, uap alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun
begitu, pada tahun-tahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi
khusus, yaitu QH disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku, QC
biasanya adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang terletak di berbagai bagian
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
mesin. Usaha keluaran W biasanya adalah gerakan piston yang digunakan untuk memutar
sebuah engkol, yang selanjutnya digunakan untuk memutar sebuah katrol.
Penggunaannya biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot
sendiri mendefinisikan "usaha" sebagai "berat yang diangkat melalui sebuah ketinggian".
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Teorema Carnot
Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur
and
tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.
Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari
sebuah material nyata berubah terhadap temperatur. Perubahan ini ditunjukkan dengan
kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan
uap-cair ( lihat siklus Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan
(misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada
semua langkah sebuah mesin nyata.
Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada
mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah
mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum
yang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu
diberikan oleh efisiensi mesin Carnot,
Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang beroperasi antara dua
reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang sama pula.
Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat diperoleh jika dan
hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus tersebut. Jika ada, maka karena
entropi adalah fungsi keadaan, untuk membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke
keadaan semula akan melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan
proses irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di atas
hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin kalor reversibel.
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
1.
Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada volum tetap disebut ...
2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada tekanan tetap disebut ...
3. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
4. Hukum pertama termodinamika dinyatakan dengan rumus ...
5. Suatu gas dimampatkan sehingga volumnya berkurang dari 5,0 L menjadi 3,5 L
pada tekanan konstan 105 Pa. Maka usaha luar yang dilakukan pada gas adalah
...
6. Penerapan Hukum I Termodinamika pada mesin....
7. Penerapan Hukum II Termodinamika pada mesin....
8. Pengertian dari efisiensi mesin Carnot adalah...
9. Jika sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 27°C dan 127°C, maka efisiensi
mesin tersebut adalah ...
10. Tuliskan 4 ciri gas ideal!
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
II.Essay
1. Tuliskan bunyi dan rumus hukum Gay Lussac, hukum Charles dan hukum BoyleGay Lussac!
2. Tuliskan bunyi Hukum I Termodinamika beserta rumusnya!
3. Tuliskan proses dan rumus untuk proses isotermis dan isokhoris!
4. Tuliskan proses dan rumus untuk proses isobaris dan adiabatis!
5. Sebuah tangki berisi gas dengan volume 0,5 m 3 dipanaskan pada tekanan tetap
hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha yang dihasilkan 3 x 10
5
J, maka
hitunglah tekanan gas dalam tangki!
6. Suatu sistem menyerap kalor 300 J dan dikenai kerja dari lingkungan 450 J pada
saat bersamaan. Hitung perubahan energi dalam sistem!
7. Sebuah mesin mampu melakukan kerja 105 J dengan bahan bakar (energi)
sebesar 2·105 J. Hitunglah efisiensi mesin tersebut!
8. Mesin
Carnot
menerima
kalor
dari
reservoir
suhu
tinggi
227ºC
dan
melepaskannya pada reservoir bersuhu 77 ºC. Hitunglah efisiensi Mesin Carnot
tersebut!
9. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 800K
mempunyai efisiensi 40 %. Agar efisiensinya naik menjadi 50 % , maka tentukan
berapakah suhu reservoir tinggi harus dinaikkan!
10. Pada grafik PV mesin Carnot di bawah ini, W = 6.000 joule. Tentukan banyak
kalor yang dilepas oleh mesin tiap siklus!
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
EVALUASI AKHIR BAB
3
A
1.
Persamaan gas ideal ditulis dalam
bentuk
2.
3.
4.
5.
pV
 bilangan tetap, yang
T
tergantung pada....
A. Kinds of gas
B. Temperature of gas
C. Pressure of gas
D. Volume of gas
E. Amount of particles
Tekanan gas oksigen pada suhu 00C
adalah 3 x 105 N/m2. Volume gas
tersebut adalah 4,7 x 10 4 m3. Berapa
massa gas oksigen tersebut? (R = 8314
J/k mol; M = 32 kg/ k mol)
A. 0,2 g
B. 0,1 g
C. 4,0 g
D. 2,0 g
E. 0,01 g
Suatu gas ideal tekanannya 30 N/m2,
volumenya 1,38 L dan suhunya 270C.
Jumlah partikel gas adalah....
A. 1014
B. 1019
C. 1020
D. 1022
E. 1025
Dalam suatu ruangan bersuhu T kelvin,
sebuah partikel gas bergerak dengan
kecepatan v . Apabila suhu ruangan
tersebut berubah menjadi 4T, maka
kecepatannya menjadi....
A. ¼ v
B. ½ v
C. 2 v
D. 4 v
E. 16 v
Pada temperatur tertentu, kecepatan
efektif molekul- molekul suatu gas ideal
6.
7.
8.
9.
adalah v. Jika pada tekanan tetap
temperatur gas diubah sehingga
volumenya menjadi dua kali semula,
maka kecepatan efektifnya menjadi....
A. 0,5 v
B. 1/√2 v
C. √2 v
D.
v
E. 2 v
Gas dalam tabung yang suhunya 270C
dipanaskan pada volum tetap, sehingga
kecepatan rata- rata partikel gas
menjadi dua kali semula. Berapakah
kenaikan suhu gas?
A. 1200 0C
B. 900 0C
C. 627 0C
D. 108 0C
E.
90 0C
Apabila usaha per siklus yang dilakukan
suatu mesin Carnot sebesar 2000 J
maka banyaknya kalor yang dilepas
dalam tiap siklus adalah....
A. – 2000 J
B.
0J
C.
2000 J
D.
4000 J
E.
8000 J
Jika suatu mesin Carnot bekerja pada
suhu 300 K dan 400 K, maka
efisiensinya adalah...
A. 20 %
B. 25 %
C. 30 %
D. 35 %
E. 40 %
Sebuah
mesin
Carnot
yang
menggunakan reservoir suhu tinggi 800
K mempunyai efisiensi 40 %. Agar
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
efisiensinya naik menjadi 50 % maka
suhu reservoir tinggi harus dinaikkan
menjadi…
a.
900 K
b.
960 K
c.
1.000K
d.
1.180K
e.
1.600K
10. Sebuah ruangan pada tekanan 105Pa
berisi dua mol gas oksigen. Jika suhu
gas 270C, maka volume ruang tersebut
adalah…
a.
30 liter
b.
40 liter
c.
50 liter
d.
60 liter
e.
70 liter
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
B
URAIAN
1. Suatu mesin Carnot yang bekerja antara suhu 270C dan 227 0C digunakan untuk mengoperasikan
sebuah generattor yang tegangannya 220 V. Jika setiap detik mesin Carnot menyerap kalor 5500 J,
berapakah kuat arus keluaran maksimum generator tersebut?
2. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4. Berapa banyak energi listrik yang digunakan untuk
memindahkan 4000 J kalor dari makanan yang terdapat di dalam kulkas?
3.
Diketahui volum tabung B dua kali volume tabung A, keduanya
diisi gas ideal. Volume tabung penghubung dapat diabaikan. Gas
A bersuhu 300 K, maka gas B bersuhu ...
N
4.
A
C
1.
3N
B
Remidiasi
Suatu mesin menerima 200 kalori reservoir bersuhu tinggi dan melepaskan 175 kalori ke sebuah
reservoir lain yang suhunya rendah. Efisiensi mesin itu adalah ..
A. 12,5 %
B. 14,3 %
C. 25,0 %
D. 87,5 %
E.
2.
200 %
Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
A. proses Isokhorik
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
B. proses Isotermik
C. proses Isobarik
D. proses Adiabatik
E. proses Asimilasi
3.
Hukum pertama termodinamika menyatakan ...
A. kalor tidak dapat masuk ke dalam dan keluar suatu sistem
B. energi adalah kekal
C. energi dalam adalah kekal
D. suhu adalah tetap
E. sistem tidak mendapat usaha dari luar
4.
Grafik-grafik berikut ini menunjukan hubungan antara tekanan (P) dengan volume (V) gas yang
mengalami suatu proses.
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Proses yang menghasilkan usaha terbesar ditunjukkan pada grafik nomor …
A. (1)
B. (2)
C. (3)
D. (4)
E. (5)
5.
Jika sebuah mesin Carnot menggunakan reservoir dengan suhu tinggi 900oK dan mempunyai effisiensi 60
%, maka suhu yang rendah adalah …
A. 700oK
B. 400oK
C. 387oC
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
D. 360oK
E. 187oC
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013