Mesin kalor (Heat Engine)

Taufiqur Rokhman

03/06

Mesin uap dan mesin mobil mengkonversi panas menjadi energi mekanik. Mesin uap dalam Gambar 1 memperoleh panas dari pembakaran batubara atau minyak di dalam ketel; mesin mobil (Gambar 2) memperoleh panas dari pembakaran (eksplosif) bensin di dalam silindernya. Agar mesin dapat terus-menerus mengkonversi panas menjadi energi mekanik, mesin tersebut harus beroperasi secara siklis. Pada akhir setiap siklus, mesin harus kembali ke konfigurasi awalnya, sehingga dapat mengulangi proses konversi panas menjadi kerja berulang kali. Mesin uap dan mesin mobil jelas bersifat siklis—setelah satu (atau kadang-kadang dua) putaran poros engkol atau roda gila mereka, mereka kembali ke konfigurasi awalnya. Mesin-mesin ini tidak efisien 100%. Kondensor pada mesin uap dan radiator serta knalpot pada mesin mobil mengeluarkan sejumlah besar panas ke lingkungan; panas buangan ini mewakili energi yang hilang.

Gambar 1. Mesin Uap

Gambar 2. Mesin Mobil

Setiap perangkat yang mengkonversi panas menjadi kerja melalui proses siklis disebut mesin kalor. Mesin ini menyerap panas dari reservoir panas pada suhu tinggi, mengkonversi panas ini sebagian menjadi kerja, dan membuang sisanya sebagai panas buangan ke dalam reservoir pada suhu rendah. Dalam konteks ini, reservoir panas adalah benda yang tetap pada suhu konstan, bahkan ketika panas dikeluarkan atau ditambahkan padanya. Dalam praktiknya, reservoir panas bersuhu tinggi sering kali berupa ketel yang suhunya dijaga konstan oleh pembakaran terkontrol dari bahan bakar tertentu, dan reservoir bersuhu rendah biasanya berupa kondensor yang bersentuhan dengan badan air atau bersentuhan dengan atmosfer bumi, yang volumenya besar sehingga memungkinkan untuk menyerap panas buangan tanpa perubahan suhu yang berarti.

Gambar 3 adalah diagram alir energi, yang menunjukkan panas Q1 mengalir ke mesin dari reservoir bersuhu tinggi, panas Q2 (panas buangan) mengalir keluar dari mesin ke reservoir bersuhu rendah, dan kerja yang dihasilkan.

Gambar 3. Diagram Alir Energi Pada Mesin Kalor

Kerja yang dihasilkan oleh mesin adalah selisih antara Q1 dan Q2.

W = Q₁ - Q₂

Efisiensi mesin didefinisikan sebagai rasio dari kerja yang dihasilkan terhadap panas yang diserap dari reservoir bersuhu tinggi:

Ini berarti bahwa jika Q₂ = 0 (tidak ada panas buangan), maka efisiensinya akan menjadi e = 1, atau 100%. Jika demikian, mesin akan mengkonversi seluruh panas bersuhu tinggi menjadi kerja. Namun, seperti yang akan kita lihat nanti, efisiensi ekstrem ini tidak dapat dicapai. Bahkan dalam kondisi ideal, mesin akan menghasilkan beberapa panas buangan. Ternyata, efisiensi mesin ideal hanya bergantung pada suhu reservoir panas.

Contoh Soal 1:

Mesin uap lokomotif menghasilkan kerja sebesar 5.4 × 10⁸ J per menit dan menerima panas sebesar 3.6 × 10⁹ J per menit dari ketelnya. Berapakah efisiensi mesin ini? Berapa banyak panas yang terbuang per menit?

SOLUSI:

Dari Persamaan efisiensi, efisiensi adalah rasio dari kerja yang dihasilkan terhadap panas yang diserap:

Jadi, efisiensi mesin adalah sekitar 0.15 atau 15%.

Panas yang terbuang adalah selisih antara panas yang diterima dan kerja yang dihasilkan:

Panas yang terbuang=Panas yang diterima−Kerja yang dihasilkan

Contoh Soal 2:

Selama bersepeda berat di sepeda stasioner (Gambar 4), seorang atlet menghasilkan 220 W tenaga mekanik pada pedal sepeda dan, pada saat yang sama, menghasilkan 760 W panas terbuang. Berapakah efisiensi keseluruhan yang tersirat dari data ini?

Gambar 4. sepeda stasioner

SOLUSI:

Satu watt setara dengan satu joule per detik (1 W = 1 J/s). Jadi, dalam satu detik, kerja mekanik yang diberikan oleh atlet adalah 220 J dan panas yang terbuang yang dihasilkan adalah 760 J. Oleh karena itu, energi kimia yang mengalir ke otot-otot atlet adalah:

𝑄₁=𝑄₂+𝑊=760 J+220 J=980J

Efisiensi sistem dapat dihitung sebagai rasio kerja yang dihasilkan terhadap total energi yang diinput:

Jadi, efisiensi proses ini adalah 22%.

Sekarang kita akan menghitung efisiensi mesin kalor ideal yang mengubah panas menjadi kerja dengan efisiensi maksimum. Seperti yang akan kita lihat di bagian berikutnya, untuk mencapai efisiensi maksimum, proses termodinamika dalam mesin harus reversibel, yang berarti bahwa mesin tersebut, secara prinsip, dapat dioperasikan secara terbalik dan kemudian mengubah kerja menjadi panas dengan laju yang sama seperti ketika mengubah panas menjadi kerja saat beroperasi dalam arah maju (lihat Gambar 5).

Gambar 5. Diagram Aliran untuk Mesin yang Beroperasi dalam Kondisi Terbalik. Saat mesin beroperasi dalam arah maju, mesin mengubah sejumlah panas menjadi kerja. Ketika mesin beroperasi dalam arah terbalik, mesin mengubah kembali jumlah kerja tersebut menjadi panas yang semula.

Jenis mesin reversibel yang paling sederhana adalah mesin Carnot, yang terdiri dari sejumlah gas ideal yang tertutup dalam silinder dengan piston (lihat Gambar 6). Kita dapat secara bergantian menempatkan silinder dalam kontak termal dengan reservoir suhu tinggi (di mana ia menyerap panas) atau reservoir suhu rendah (di mana ia membuang panas sisa). Gas menghasilkan kerja ketika mendorong piston keluar, dan gas menyerap kerja ketika kita mendorong piston masuk. Untuk mencapai reversibilitas dengan mesin ini, gerakan piston harus cukup lambat, sehingga gas selalu berada dalam konfigurasi kesetimbangan. Jika kita memberikan gerakan tiba-tiba pada piston, gangguan tekanan akan menyebar melalui gas, dan gerakan gangguan tekanan ini tidak dapat dibalik dengan memberikan gerakan tiba-tiba pada piston dalam arah berlawanan—ini hanya akan menciptakan gangguan tekanan kedua. Lebih jauh lagi, suhu gas harus sesuai dengan suhu reservoir panas selama kontak. Jika gas berada pada suhu yang lebih rendah, misalnya, daripada suhu reservoir panas yang bersentuhan dengannya, panas akan mengalir dengan cepat dari reservoir ke gas, dan aliran panas ini tidak dapat dibalik oleh manipulasi piston apa pun. Dalam praktiknya, kita tidak dapat mencapai reversibilitas yang tepat; namun demikian, masih layak untuk mempertimbangkan mesin Carnot ideal dengan reversibilitas yang tepat, karena ini memberi tahu kita apa yang terbaik yang dapat kita harapkan saat mencoba mengubah panas menjadi kerja.

Gambar 6. Mesin Carnot: sebuah silinder berisi gas dengan piston

Operasi mesin Carnot membawa gas melalui urutan empat langkah dengan volume dan tekanan yang bervariasi, tetapi pada akhir langkah terakhir, gas kembali ke volume dan tekanan awalnya. Empat langkah ini diilustrasikan dalam Gambar 7. Urutan empat langkah ini disebut siklus Carnot:

Kami memulai siklus dengan menempatkan silinder dalam kontak dengan reservoir panas bertemperatur tinggi, yang menjaga suhu gas pada nilai konstan T1. Gas kemudian dibiarkan mengembang dari volume awal V1 ke volume baru V2. Ekspansi pada suhu konstan ini disebut ekspansi isotermal. Selama ekspansi, gas melakukan kerja pada piston, yaitu mesin menyerap panas Q1 dari reservoir bertemperatur tinggi dan mengubahnya menjadi kerja.
Ketika gas telah mencapai volume V2 dan tekanan p2, kami melepaskannya dari reservoir panas dan membiarkannya melanjutkan ekspansi secara mandiri, dalam isolasi termal. Kita tahu dari Bagian 20.6 bahwa ekspansi gas yang terisolasi secara termal, yang tidak menerima panas dari lingkungannya maupun kehilangan panas, disebut ekspansi adiabatik. Selama ekspansi ini, suhu gas menurun, seperti yang kita lihat di Bagian 20.6.
Ketika suhu gas telah menurun ke suhu T2 dari reservoir bertemperatur rendah, kami menghentikan piston dan menempatkan gas dalam kontak dengan reservoir bertemperatur rendah ini. Volume pada saat ini adalah V3 dan tekanannya adalah p3. Kami sekarang mulai mendorong piston kembali ke posisi awalnya, yaitu, kami mengompresi gas secara isotermal. Ini berarti bahwa mesin mengubah kerja menjadi panas dan melepaskan panas Q2 ini ke dalam reservoir bertemperatur rendah.
Ketika gas telah mencapai volume V4 dan tekanan p4, kami melepaskannya dari reservoir dan melanjutkan untuk mengompresinya secara adiabatik hingga volume dan tekanan kembali ke nilai awalnya. Selama kompresi adiabatik ini, suhu meningkat dari T2 ke nilai awalnya T1.