Penerapan Aplikasi Carnot

 📚Aplikasi Mesin Carnot📚

dalam kehidupan sehari-hari

Halo Sobat Fisika, kembali lagi Bersama saya Verren dan pada kesempatan kali ini saya ingin membagikan informasi seputar penerapan aplikasi mesin carnot dalam kehidupan sehari-hari. Pastinya kita mengetahui bahwa setiap hukum-hukum dan segala hal yang mempelajari tentang ilmu fisika tidak pernah lepas kaitannya dengan kehidupan nyata. Dan tahukah kalian? Bahwa tanpa kita sadari mesin carnot sebenarnya dapat kita temui di sekitar kita bahkan pemakaian mesin ini sudah bukan menjadi hal yang tidak asing lagi.

Tapi sebelum kita masuk lebih lanjut ke penerapannya, ada baiknya kita mengetahui terlebih dahulu apa sih itu Mesin Carnot?

Jadi, secara umum sebenarnya mesin carnot merupakan alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Jadi secara mudah kita dapat memahami bila di mesin carnot terdapat perubahan/perpindahan energi. Mesin Carnot diciptakan untuk memenuhi kebutuhan para ilmuwan dalam merancang mesin yang dapat melakukan perpindahan kalor secara spontan. Wah, bisa kita bayangkan apa jadinya hidup kita tanpa mesin carnot. Ternyata Penerapan ilmu fisika sangat menunjang kelangsungan hidup kita ya sobat!

Nicolas Léonard Sadi Carnot

Mesin Carnot yang dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot  pastinya tidak akan menyala tanpa menjalani siklus carnot. Dari kata Siklus berarti artinya ada sebuah perulangan kejadian / proses / aktivitas secara terus menerus makanya mesin carnot bersifat reversible (Bolak Balik). Karena bersifat reversible maka kita dapat mengetahui bahwa aliran kalor memiliki arah sesuai dengan bunyi hukum termodinamika 2. Hebat sekali ya ilmuwan Nicolas ini, gimana menurutmu sobat?

Sambil belajar penerapannya, saya akan menjelaskan pula siklus-siklus yang terjadi pada mesin carnot karena penerapan mesin carnot ada kaitannya dengan siklus tersebut. Yuk kita perhatikan gambar di bawah ini.

                          

Jika diperhatikan dari grafik, ternyata terdapat 4 siklus carnot yang keempatnya memiliki proses yang saling berhubungan, yakni :

1.      1. Ekspansi Isotermal Reversible (A → B).

2.      2. Ekspansi Adiabatik Reversible (B → C).

3.      3. Kompresi Isotermal Reversible (C → D).

4.      4. Kompresi Adiabatik Reversible (D → A).

Ekspansi dan Kompresi ternyata hanya melibatkan sifat isothermal dan adiabatik saja. Jika kalian bertanya-tanya mengapa proses ekspansi dan kompresi dari mesin carnot hanya ada isothermal dan adiabatik, Itu semua dikarenakan karena beberapa alasan teori yang mendasari seperti :

1  1. Peristiwa ekspansi dan kompresi tidak terdapat pada proses isokhorik (Volume yang sama) karena ketika sistem dari mesin carnot menyerap kalor berarti ada usaha yang dikerjakan (W). Padahal, secara teori proses isokhorik menyatakan bahwa jika volumenya sama maka V=0 dan W=0 sehingga ekspansi dan kompresi reversible tidak mungkin terjadi pada kondisi isokhorik.

2.  2. Peristiwa ekspansi dan kompresi tidak terjadi pada proses Isobarik karena kita mengetahui bahwa pergerakan kalor sendiri dipengaruhi oleh luas permukaan yang mana luas / sempitnya permukaan bidang akan menentukan pula tekanannya. Berarti tekanan yang terjadi pada perubahan kalor di proses ekspansi dan kompresi akan mengalami perubahan sedangkan hal ini sangat bertentangan dengan kharakteristik dari proses isobarik sendiri. 

      Setelah kita mengetahui siklus-siklus carnot, Yuk kita cari lebih jauh penjelasan dari proses-prosesnya supaya kita bisa membedakan kondisi dan perubahan yang terjadi dari A → B →C→D hingga siklus itu kembali keadaan awal.

I. Ekspansi Isotermal Reversible

Kita pasti sering mendengar kata ekspansi? Saat mendengar ekspansi pasti yang terlintas di benak kita tidak jauh dari hal-hal perluasan atau pertambahan bukan? Dalam siklus carnot, ekspansi merupakan pemuaian. Yang memuai dalam siklus pasti tidak jauh dan tidak lain merupakan gas / material / partikel yang terlibat dalam ekspansi. Jadi, pada proses yang pertama ini gas menyerap kalor Ketika suhu tinggi sehingga system melakukan kerja. Perubahan energi dalam pada proses isotermal adalah 0 sehingga Δ=0. Maka Perumusan gas idealnya adalah =

II. Ekspansi Adiabatik Reversible

Adiabatik merupakan  proses yang muncul tanpa perpindahan panas. Berarti dalam kondisi yang seperti ini menyatakan bahwa material / gas / partikel yang terlibat sedang melakukan usaha Ketika suhunya mengalami penurunan dari suhu sebelumnya. Atau bisa dikatakan bahwa suhunya mengalami pendinginan.

III. Kompresi Isotermal Reversible

Kompresi berarti proses pemampatan. Material / gas / partikel akan melepaskan kalor pada suhu rendah sehingga usaha akan dikerjakan pada system W(-). Gas harus dimampatkan supaya suhu tidak mengalami perubahan saat melepaskan kalor.

IV. Kompresi Adiabatik Reversible

Kompresi adiabatik mengakibatkan terjadinya sebuah pemampatan gas / partikel yang terlibat supaya material / gas yang bekerja dalam sebuah siklus akan kembali ke kondisi atau keadaan semula dimana system dikenai kerja / W(-). Dalam kompresi adiabatik reversible , energi dalam akan mengalami pertambahan sebagai modal dalam siklus selanjutnya.

Penerapan mesin carnot dapat kita temui dalam kehidupan sehari-hari yaitu pada mesin kalor yang terdapat pada kendaraan bermotor, mesin uap pada kereta uap dan mesin diesel kendaraan berbahan bakar diesel, dan pada pompa kalor yang terdapat di mesin pendingin seperti AC dan Kulkas. Dimana masing-masing mesin ini memiliki proses yang berbeda dalam pengerjaannya karena siklus-siklusnya juga berbeda sobat. Jadi kalian harus simak baik-baik ya sobat!

I. MESIN KALOR PADA KENDARAAN BERMOTOR

            Mesin kalor bisa disebut juga dengan Mesin Carnot. Mesin ini merupakan alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor harus kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah menjadi energi mekanik.

    Selain itu, Kita juga akan membahas mengenai mesin bermotor. Kerja mesin bermotor bila disamakan dengan siklus carnot akan seperti berikut ini :

1. Hasil pembakaran bensin dalam ruang bakar menghasilkan sumber suhu tinggi.

2. Gas panas (fluida kerja) melakukan usaha mekanik pada penghisap silinder.

3. Kalor (panas) dibuang ke lingkungan melalui system pendingin (radiator) dan knalpot.

         Mesin menyerap sejumlah kalor Q1 dari sumber panas, melakukan usaha mekanik W, dan kemudian membuang kalor Q2 ke sumber dingin. Karena fluida kerja melalui suatu proses siklus (berawal dari satu keadaan dan kembali ke keadaan tersebut). Maka jelas Δ=0.

            Jika fluida kerjanya adalah gas, seperti yang telah dibahas sebelumnya maka usaha yang dilakukan fluida kerja untuk sebuah proses sebuah siklus yang sama dengan luas yang dimuat pada diagram p-V. Efisiensi Termal sebuah mesin kalor adalah nilai perbandingan antara usaha yang dilakukan dan kalor yang diserap dari sumber suhu tinggi selama satu siklus.

    II. MESIN UAP PADA KERETA UAP

    Tahukah kalian bahwa mesin Uap, pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi. di mana turbin ini terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air dan pipa tegak yang menyangga bola di mana pada bola terdapat dua nosel uap. 

    kemudian dikembangkan turbin uap oleh Thomas Savery (1650-1715) adalah orang Inggris yang membuat mesin uap bolak-balik pertama, mesin ini tidak populer karena mesin sering meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki kinerja dari mesin Savery, Denis Papin (1647-1712) membuat katup-katup pengaman dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan uap air dan air dengan menggunakan torak.

    Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan oleh James Watt. Gagasan James Watt yang paling penting adalah mengkonversi gerak bolak-balik menjadi gerakan putar (1781). Mesin tersebut kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss (1817-1888), yaitu dengan mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu bara separo dari batu bara yang digunakan mesin uap James Watt.

    Kemudian Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk mengurangi susut kondensasi. Lalu,  Gustav De Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal, dan namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De laval, Parson mengembang turbin rekasi tingkat banyak, turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut. Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Wah, berkat mereka lah akhirnya mesin uap tercipta! Hebat sekali ya sobat. 

    Dalam Kehidupan sehari-hari, penerapan mesin uap dapat ditemukan pada kereta uap. Dimana pemanfaatan mesin uap ini tidak lepas dari siklus rankine. suatu model operasi mesin uap panas yang secara umum sering dijumpai pada pembangkit listrik. Sumber panas utama yang digunakan dalam siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari. Siklus Rankine dapat pula diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam proses menghitung efisiensi. Perbedaannya yaitu siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan menggunakan gas.

        Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).

• Proses 1 : Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.

• Proses 2 : Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.

• Proses 3 : Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.

• Proses 4 : Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.

        Untuk bahan bakar kereta api jenis ini ialah uap air. Iya. Uap air. Bayangin kamu lagi manasin air di sebuah panci buat nyeduh teh atau kopi. Nah, pas udah panas terus mendidih kan muncul asap tuh, hampir sama nih cara kerjanya dengan ketel uap di kereta api.

          Kalau uap yang menjadi bahan bakar kereta ini dihasilkan dari pemanasan air yang dipanaskan menggunakan kayu bakar, batu bara, atau minyak. Uap air akan menekan piston (penggerak di dalam mesin kereta) sehingga menghasilkan tenaga untuk menggerakan roda kereta.

      Coba lihat deh kepala kereta (lokomotif) uap pada kereta jarak jauh. Pasti lokomotifnya mengeluarkan asap.

    III. MESIN DIESEL PADA KENDARAAN DIESEL

           Mesin Diesel ditemukan oleh Rudolf Christian Karl Diesel, sarjana mesin dari Jerman. Diesel lahir di Paris, Perancis pada tahun 1858 dari orangtua yang berkebangsaan Jerman dan berimigrasi ke Perancis. Diesel kemudian merancang sebuah mesin dengan bahan bakar yang disemprotkan kedalam ruang kompresi dimana bahan bakar tersebut akan terbakar akibat panas yang timbul akibat kompresi. Mesin inilah yang kita kenal sekarang dengan Mesin Diesel. Impian Diesel untuk menciptakan mesin dengan efisiensi tinggi menjadi tercapai, karena sumber bahan bakar untuk mesin diesel yang dipakai sekarang dan kita kenal dengan nama 'diesel' adalah minyak sisa dari hasil penyaringan bensin.

        Setelah kematian Rudolf Diesel, mesin diesel menjadi pengganti mesin uap. Mesin Diesel adalah mesin yang berat dan memiliki bentuk yang lebih kaku dan kokoh dari mesin bensin sehingga mesin diesel tidak digunakan untuk mesin pesawat terbang, tetapi mesin diesel berkembang luas sehingga banyak dipakai oleh pabrik, kapal laut, kapal selam, lokomotif dan mobil modern.Mesin diesel mempunyai keuntungan karena lebih irit bahan bakar daripada mesin dengan bahan bakar bensin. Rudolf Diesel khususnya tertarik untuk menggunakan abu batu bara ataupun minyak sayur sebagai bahan bakar, dan kenyataannya, mesin yang dirancangnya memang dapat berjalan dengan menggunakan minyak sayur. Wah, aku gak habis pikir sama idenya rudolf yang sangat keren banget nih. Gimana menurutmu sobat? bayangin aja kalau rudolf diesel gak ciptain mesin ini mungkin kita masih menggunakan mesin uap yang secara garis besar tingkat efisiensinya sangat rendah sekali.

            Mesin Diesel dapat kita temukan dalam segala kendaraan berbahan bakar diesel. Dimana penerapan aktivitasnya tidak pernah terlepas dari siklus diesel. Siklus motor diesel merupakan siklus udara pada tekanan konstan. Pada umumnya jenis motor bakar diesel dirancang untuk memenuhi siklus ideal diesel yaitu seperti siklus otto tetapi proses pemasukan kalornya dilakukan pada tekanan konstan. 

                Keterangan siklus diesel, yaitu :

·Langkah isap (0 → 1) merupakan proses tekanan konstan.

·Langkah kompresi (1 → 2) merupakan proses isentropic.

·Proses pembakanan pada tekanan konstan (2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.

·Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses isentropic.

·Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan.

·Langkah buang (1 → 0) terjadi pada tekanan konstan.

siklus diesel terdapat rasio pancung (cutoff ratio) yang terjadi pada proses pembakaran seperti yang terlihat pada diagram diatas proses 2-3. Untuk proses pada siklus diesel 4 langkah dapat dilihat pada gambar:

Pada gambar pertama (kiri ke kanan) merupakan langkah kompresi setelah udara masuk ke dalam ruang bakar. Udara ini dikompresi hingga mempunyai tekanan

yang sangat tinggi sekali. Pada gambar kedua merupakan proses injeksi bahan bakar. Akibat tekanan udara yang sangat tinggi sekali dan injeksi dari bahan bakar tersebut menyebabkan terjadinya pembakaran. Pada gambar ketiga merupakan langkah tenaga dimana akibat   ledakan dari pembakaran tadi piston didorong ke bawah dan menyebabkan terjadinya daya/power. Pada gambar keempat merupakan langkah buang, dimana sisa dari pembakaran dibuang ke lingkungan. Untuk kompresi rasio yang sama siklus diesel mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan siklus otto.

 IV. POMPA KALOR

        Heat pump atau pompa kalor adalah suatu sistem yang dapat menyerap kalor dari suatu tempat kemudian membuangnya di tempat lain. Pompa kalor dapat digunakan sebagai pendingin jika memanfaatkan sisi penyerapan kalor , inilah yang disebut dengan sistem refrigerasi.  Sebaliknya pompa kalor juga dapat digunakan sebagai pemanas jika memanfaatkan sisi pembuangan kalornya. Contoh sederhana pompa kalor adalah air conditioner. Air conditioner menyerap kalor yang ada diruangan kemudian membuangnya ke luar ruangan.

        Untuk memahami prinsip pompa kalor maka analogi pompa air dapat digunakan karena secara prinsip keduanya tidak berbeda. Air secara alami akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi dibutuhkan suatu alat (pompa)  dan usaha/kerja/energi dari luar (mekanik). Dengan menggunakan pompa, maka air yang ada di tempat yang lebih dapat dihisap dan dikeluarkan di tempat yang lebih tinggi.

       ada kalor pun terjadi hal yang sama. Kalor secara alami mengalir/berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Tinggi atau rendahnya temperatur merupakan salah satu indikasi besarnya energi kalor yang dimiliki suatu zat. Semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi energi kalornya. Untuk memindahkan kalor dari tempat yang temperaturnya lebih rendah maka dibutuhkan sistem pompa kalor. Seperti halnya pompa air, untuk menyerap kalor dan membuang kalor dibutuhkan kerja/usaha/energi dari luar. 

             Sistem pompa kalor itu tidak hanya berfungsi untuk mendinginkan atau mempertahankan temperatur sumber kalor yang rendah. Tetapi juga dapat mengalirkan energi kalor ke suatu benda atau penyerap kalor untuk menaikkan temperatur atau mempertahankan temperaturnya pada tingkat yang tinggi secara baik. Dalam ilmu termodinamika, refrigerator dan pompa kalor (heat pump) relatif sama. Perbedaannya, terletak hanya pada proses kerjanya. Mesin kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Misalnya pada mesin mobil, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. 

            Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu – sudu sebuah turbin, membuat sudu – sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik.  Pada banyak penggunaan, untuk mesin yang sama dapat dipakai sebagai refrigerator dan juga sebagai pompa kalor. Pada beberapa situasi, baik efek pendinginan pada satu tingkat temperatur maupun efek pemanasan pada temperatur lain bisa saja dinginkan, dan dengan demikian sistem akan beroperasi serentak sebagai mesin refrigerasi dan sebagai pompa kalor.

        Penggunaan Mesin Kalor Terdapat pada mesin pendingin yaitu AC dan Kulkas. Yang membedakan kulkas dan AC dalam penerapannya hanyalah pada lingkup ruangannya saja. Lingkup ruangan yang didinginkan pada kulkas jauh lebih kecil / sempit dibandingkan dengan ruang lingkup ruangan yang didinginkan oleh AC. Mungkin diantara kalian bingung, kok kulkas dan AC bisa termasuk ke dalam perpindahan kalor? padahal kan katanya kalor itu panas? eitss.. jangan salah dulu sobat, meskipun kulkas dan AC bekerja untuk proses pendinginan tapi ini termasuk ke dalam perpindahan kalor loh. Karena dingin merupakan ketiadaan panas, jadi jangan sampai salah sangka ya sobat.

Kerja mesin pendingin AC dan kulkas bila disamakan dengan siklus carnot akan seperti berikut ini :

1       1. Ekspansi Isotermal Reversibel pada mesin pendingin kulkas dan AC terjadi Ketika AC / Kulkas dinyalakan dan terdapat bunyi, mesin blower pada AC dan Kulkas akan menyerap panas dari luar untuk menyamakan suhu yang didalam mesin dengan suhu di luar sehingga AC / Kulkas gak bisa langsung dingin karena butuh waktu untuk memproses panas dari luar. Maka mesin akan terkondisikan pada suhu tinggi.

         2. Ekspansi Adiabatik Reversible terjadi pada saat pemrosesan AC dan kulkas dalam mengolah panas karena AC serta kulkas melakukan usaha dan suhunya dirubah dari T₁ dan T₂. Saat kondisi ini, kulkas dan AC sedang melakukan pendinginan suhu di luar.

3.     3. Kompresi Isotermal Reversibel terjadi pada saat AC / Kulkas sudah bisa menurunkan suhunya pada system, kalornya mulai dilepas dan menukar suhu dari luar. Ketika AC sudah melepaskan panas maka system memiliki suhu rendah.

4.     4. Kompresi adiabatik reversible terjadi Ketika suhu rendah (T₂) mulai diolah menjadi suhu tinggi (T₁) dimana AC / Kulkas sedang melakukan persiapan untuk beralih ke proses pertama.

        Jika kalian menanyakan mengapa sisi samping kulkas terasa panas ketika sedang bekerja. Itu semua disebabkan karena terdapat Mesin kompresor yang bertugas untuk menciptakan sirkulasi refrigerant dari uap panas menjadi cairan bertekanan tinggi hingga berwujud akhir sebagai pendingin ruangan dalam kulkas. Selama sirkulasi ini, ada potensi terjadi pengembunan yang bisa berakibat fatal yaitu korosi atau karat pada bodi kulkas. Disinilah fungsi kondensor di sisi kiri dan kanan bodi kulkas yang bekerja memberikan efek hangat untuk mencegah jangan sampai terjadinya pengembunan tersebut. Hal ini juga disebabkan aliran listrik yang berubah menjadi energi mekanik yaitu pergerakan mesin kompresor kulkas sehingga menghasilkan sebuah panas. Jika berbicara listrik maka terdapat daya listrik, dimana daya listrik sendiri berhubungan dengan efisiensi pada siklus carnot. Jadi jangan penasaran lagi ya sobat ketika kamu merasakan bahwa sisi samping kulkas mu panas.

        Nah, Gimana sobat, Apakah informasi ini sudah menghilangkan rasa bingung dan penasaranmu terhadap Penerapan siklus carnot? Semoga informasi ini bermanfaat buat kalian semua ya! dan jangan lupa share ke temen-temen kalian biar bukan cuma kalian aja tapi semuanya bisa kebagian ilmu fisika dari blog ini. Sekian dari penjelasan mengenai penerapan atau aplikasi mesin carnot dalam kehidupan sehari-hari, sampai ketemu di postingan blog selanjutnya. Terimakasih!