Mesin Carnot

Mesin Carnot yaitu mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model landasan 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 pemikiran dari entropi mulai muncul.

Setiap sistem termodinamika berada dalam kondisi tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan berkesudahan kembali ke kondisi semula. Dalam babak melewati siklus ini, sistem tersebut bisa menerapkan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.

Sebuah mesin kalor bertugas dengan metode memindahkan energi dari kawasan yang semakin panas ke kawasan yang semakin dingin, dan dalam babaknya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bertugas sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor bisa menyebabkan babak yang memindahkan energi panas dari kawasan yang semakin dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot berjudul Pemikiran mengenai 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 semakin tinggi daripada B. Kita bisa 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 metode memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.

Diagram modern

Dibawah ini yaitu diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam pembahasan modern

Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), bisa berupa benda fluida atau uap apapun yang bisa menerima dan memancarkan kalor Q, untuk berproduksi usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini bisa berupa zat apapun yang bisa mengalami ekspansi, seperti uap air, uap alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahun-tahun permulaan, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi khusus, yaitu Q_H disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah tungku, Q_C biasanya yaitu arus air dingin dalam bentuk embun yang terletak di berbagai anggota mesin. Usaha keluaran W biasanya yaitu gerakan piston yang dipakai untuk memutar sebuah engkol, yang selanjutnya dipakai untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot sendiri mendefinisikan "usaha" sebagai "berat yang diangkat melewati sebuah ketinggian".

Teorema Carnot

Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur and tidak mungkin menjadi lebih efisiensi mesin Carnot.

Teorema Carnot yaitu pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi di selang dua reservoir panas yang semakin 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 yaitu mesin reversibel yang beroperasi selang dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang sama pula.

Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas bisa diperoleh bila dan hanya bila tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus tersebut. Bila ada, maka sebab entropi yaitu fungsi kondisi, untuk membuang kelebihan entropi agar bisa kembali ke kondisi semula akan melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan babak irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di atas hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin kalor reversibel.

Catatan kaki

Referensi

• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (ed. 2nd ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.