135: Fisika SMA: Mesin Kalor Paling Ideal – Mesin Carnot

Efisiensi mesin kalor yang dibuat hingga sekarang tidak terlampau tinggi. Hampir tidak ada mesin kalor yang dibuat dengan efisiensi di atas \( 50 \% \). Pertanyaan berikutnya, berapakah efisiensi tertinggi yang dapat dimiliki mesin kalor?

Mesin kalor dengan efisiensi tertinggi adalah mesin Carnot, yang pertama kali dikaji oleh ilmuwan Prancis Sadi Carnot (1796-1832). Mesin Carnot memiliki siklus yang terdiri dari dua proses adiabtik dan dua proses isotermal. Proses AB dan CD adalah isobarik dan proses BC dan DA adalah isotermal (Gambar 135.1,kiri). Kalor diserap dari reservolir bersuhu tinggi hanya pada proses BC dan kalor dibuang ke reservoit bersuhu rendah hanya pada proses DA.

Gambar 135.1 kanan adalah siklus lengkap mesin carnot dan pada lokasi mana kalor diserap dan diepas. Besar kerja yang dilakukan sama dengan luas daerah yang diarsir.

Efisiensi mesin Carnot adalah

\( \epsilon = ( 1 – {T_2 \over T_1}) \quad \quad \quad \quad \quad \quad (135.1) \)

Mesin Carnot adalah mesin yang paling sempurna. Namun, mesin ini tidak dapat dibuat. Mesin Carnot hanyalah mesin yang ada dalam teori. Dari persamaan (135.1) kita akan dapatkan bahwa efisiensi mesin Cernot sama dengan \( 100 \% \) jika \( T_1 = \infty \) atau \( T_2 = 0 \). Tetapi suhu nol dan tak berhingga tidak dapat dihasilkan. Jadi, efisiensi mesin Carnot tidak mungkin mencapai seratus persen. Karena mesin Carnot merupakan mesin yang paling efisien, maka efisiensi mesin kalor umumnya berada jauh di bawah \( 100 \% \).

Gambar fitur adalah mesin Dynamic Force Engine yang dibuat Toyota. Mesin tersebut merupakan mesin bakar dengan efisiensi tertinggi, yaitu mencapai 40% (sumber gambar: https://www.thedrive.com)

*******************

Contoh 135.1

Suhu ruang pembakaran dalam mesin diesel sekitar 700 ^oC, sedangkan suhu gas buangan sekitar 400 ^oC. Gas di dalam ruang pembakaran dapat dianggap sebagai reservoir bersuhu tinggi sedangkan gas buangan dapat dianggapsebagai reservoir bersuhu rendah. Jika dua reservoir tersebut dibuat untuk mesin Carnot, berapakah efisiensi yang dapat dihasilkan?

Jawab

Suhu harus dinyatakan dalam skala kelvin

Suhu reservoir tinggi \( T_1 = 700 +273 = 973 \) K

Suhu reservoir rendah \( T_2 = 400+ 273 = 673 \) K

Efisiensi mesin

\( \epsilon = 1 – {T_2 \over T_1} = 1 – {673 \over 973} = 0,31 = 31 \% \)

——————

Contoh 135.2

Suhu dalam ruang pembakaran mesin bensin (premuin, pertalite, atau pertamax) sekitar 700 ^oC. Jika kita menginginkan mesin Carnot dengan eifisiensi 60% menggunakan bahan bakar bensin, berapa harusnya suhu tempat pembuangan hasil pembakaran?

Jawab

Ruang pembakaran merupakan reservoir suhu tinggi dan tempat pembuangan hasil pembakaran merupakan reservoir suhu rendah. Dengan demikian, kita dapat dari soal

\( T_1 = 700 + 273 = 973 \) K

\( T_2 \) adalah suhu yang ditanyakan

\( \epsilon = 60 \% = 0,6 \)

Dengan menggunakan persamaan efisiensi mesin Carnot \( \epsilon = 1 – T_2/T_1 \) maka

\( T_2 = (1 – \epsilon) T_1 = (1-0,6) \times 973 = 389 \) K = \( 116 \) ^oC

————–

Contoh 135.3

Jika kita dapat mengatur sehingga suhu hasil pembakaran yang dibuanh dari mesin Carnot sama denhan suhu udara luar sekitar 27 ^oC, berapakan suhu dalam ruang pembakaran agas dapat diperoleh efisiensi 80%.

Jawab

Informasi yang diberikan di soal

\( T_2 = 27 + 273 = 300 \) K

\( T_1 \) adalah suhu yang ditanyakan

\( \epsilon = 80 \% = 0,8 \)

Dengan menggunakan persamaan efisiensi mesin Carnot \( \epsilon = 1 – T_2/T_1 \) maka

\( T_1 = {T_2 \over {1 – \epsilon}} = {300 \over {1-0,8}} = 1.500 \) K = \( 1.227 \) ^oC