Mesin Carnot: Rumus, Cara Kerja dan Aplikasi
Mesin Carnot adalah model siklik yang ideal di mana panas digunakan untuk melakukan pekerjaan. Sistem ini dapat dipahami sebagai piston yang bergerak di dalam silinder yang menekan gas. Siklus yang dilakukan adalah siklus Carnot, diucapkan oleh bapak termodinamika, fisikawan dan insinyur Prancis Nicolas Léonard Sadi Carnot.
Carnot mengumumkan siklus ini pada awal abad ke-19. Mesin mengalami empat variasi keadaan, kondisi bolak-balik seperti suhu dan tekanan konstan, di mana variasi volume dibuktikan ketika mengompresi dan memperluas gas.
Formula
Menurut Carnot, dengan mengirimkan mesin yang ideal ke variasi suhu dan tekanan, dimungkinkan untuk memaksimalkan hasil yang diperoleh.
Siklus Carnot harus dianalisis secara terpisah di masing-masing empat fase: ekspansi isotermal, ekspansi adiabatik, kompresi isotermal dan kompresi adiabatik.
Selanjutnya, rumus yang terkait dengan masing-masing fase dari siklus yang dilakukan di mesin Carnot akan dirinci.
Ekspansi isotermal (A → B)
Tempat dari fase ini adalah sebagai berikut:
- Volume gas: beralih dari volume minimum ke volume sedang.
- Temperatur mesin: suhu konstan T1, nilai tinggi (T1> T2).
- Tekanan mesin: turun dari P1 ke P2.
Proses isotermal menyiratkan bahwa suhu T1 tidak bervariasi selama fase ini. Perpindahan panas menginduksi ekspansi gas, yang menginduksi pergerakan pada piston dan menghasilkan kerja mekanis.
Saat mengembang, gas cenderung mendingin. Namun, itu menyerap panas yang dipancarkan oleh sumber suhu dan selama ekspansi mempertahankan suhu konstan.
Karena suhu tetap konstan selama proses ini, energi internal gas tidak berubah, dan semua panas yang diserap oleh gas diubah secara efektif menjadi pekerjaan. Demikian:
Di sisi lain, pada akhir fase siklus ini juga dimungkinkan untuk mendapatkan nilai tekanan menggunakan persamaan gas ideal untuknya. Dengan cara ini, Anda memiliki yang berikut ini:
Dalam ungkapan ini:
P 2 : Tekanan di akhir fase.
V b : Volume dalam poin b.
n: Jumlah mol gas.
R: Konstanta universal gas ideal. R = 0, 082 (atm * liter) / (mol * K).
T1: Suhu awal absolut, derajat Kelvin.
Ekspansi adiabatik (B → C)
Selama fase proses ini, ekspansi gas berlangsung tanpa perlu menukar panas. Dengan cara ini, bangunannya dirinci di bawah ini:
- Volume gas: beralih dari volume rata-rata ke volume maksimum.
- Temperatur mesin: turun dari T1 ke T2.
- Tekanan mesin: tekanan konstan P2.
Proses adiabatik menyiratkan bahwa tekanan P2 tidak bervariasi selama fase ini. Suhu menurun dan gas terus mengembang hingga mencapai volume maksimum; yaitu, piston mencapai bagian atas.
Dalam hal ini, pekerjaan yang dilakukan berasal dari energi internal gas dan nilainya negatif karena energi berkurang selama proses ini.
Dengan asumsi bahwa itu adalah gas yang ideal, teori ini berpendapat bahwa molekul gas hanya memiliki energi kinetik. Menurut prinsip-prinsip termodinamika, ini dapat disimpulkan dengan rumus berikut:
Dalam rumus ini:
ΔU b → c : Variasi energi internal gas ideal antara titik b dan c.
n: Jumlah mol gas.
Cv: Kapasitas panas molar gas.
T1: Suhu awal absolut, derajat Kelvin.
T2: Suhu akhir absolut, derajat Kelvin.
Kompresi isotermal (C → D)
Dalam fase ini kompresi gas dimulai; yaitu, piston bergerak ke dalam silinder, dengan mana gas berkontraksi volumenya.
Kondisi yang melekat pada fase proses ini dirinci di bawah ini:
- Volume gas: beralih dari volume maksimum ke volume menengah.
- Temperatur mesin: suhu konstan T2, nilai berkurang (T2 <T1).
- Tekanan mesin: meningkat dari P2 ke P1.
Di sini tekanan pada gas meningkat, sehingga mulai mengompres. Namun, suhu tetap konstan dan, karenanya, variasi energi internal gas adalah nol.
Analog dengan ekspansi isotermal, pekerjaan yang dilakukan sama dengan panas sistem. Demikian:
Juga layak untuk menemukan tekanan pada titik ini menggunakan persamaan gas ideal.
Kompresi adiabatik (D → A)
Ini adalah fase terakhir dari proses, di mana sistem kembali ke kondisi awalnya. Untuk ini, kondisi berikut dipertimbangkan:
- Volume gas: beralih dari volume antara ke volume minimum.
- Temperatur mesin: meningkat dari T2 ke T1.
- Tekanan mesin: tekanan konstan P1.
Sumber panas yang tergabung dalam sistem pada fase sebelumnya dihilangkan, sehingga gas ideal akan menaikkan suhunya sementara tekanan tetap konstan.
Gas kembali ke kondisi suhu awal (T1) dan volumenya (minimum). Sekali lagi, pekerjaan yang dilakukan berasal dari energi internal gas, jadi Anda harus:
Mirip dengan kasus ekspansi adiabatik, layak untuk mendapatkan variasi energi gas dengan menggunakan ungkapan matematika berikut:
Bagaimana cara kerja mesin Carnot?
Mesin Carnot bekerja seperti motor di mana kinerjanya dimaksimalkan melalui variasi proses isotermal dan adiabatik, bergantian fase ekspansi dan pemahaman gas ideal.
Mekanisme ini dapat dipahami sebagai perangkat ideal yang memberikan pekerjaan yang mengalami variasi panas, mengingat adanya dua fokus suhu.
Dalam fokus pertama, sistem terpapar ke suhu T1. Ini adalah suhu tinggi yang membuat sistem stres dan menghasilkan ekspansi gas.
Pada gilirannya, ini menghasilkan eksekusi pekerjaan mekanis yang memungkinkan piston bergerak keluar dari silinder, dan yang berhenti hanya dimungkinkan oleh ekspansi adiabatik.
Kemudian muncul fokus kedua, di mana sistem terpapar pada suhu T2, kurang dari T1; artinya, mekanisme ini tunduk pada pendinginan.
Ini menginduksi ekstraksi panas dan penghancuran gas, yang mencapai volume awalnya setelah kompresi adiabatik.
Aplikasi
Mesin Carnot telah banyak digunakan berkat kontribusinya dalam memahami aspek terpenting dari termodinamika.
Model ini memungkinkan untuk memahami dengan jelas variasi gas ideal yang mengalami perubahan suhu dan tekanan, yang merupakan metode referensi saat merancang mesin nyata.
