Mengenal Siklus Carnot & Penerapannya Dalam Kehidupan Sehari-hari

Artikel ini ditulis oleh Gracia Kristy Tarigan, Mahasiswi Universitas Negeri Medan (UNIMED), Prodi Bilingual Pendidikan Kimia 2020.

APA ITU SIKLUS CARNOT??

Siklus Carnot adalah sebuah siklus reversible (sebuah proses yang dapat dibalik tanpa meninggalkan jejak pada lingkungan), yang pertama kali dikemukakan oleh Sadi Carnot pada tahun 1824, seorang insinyur Perancis. Mesin teoritis yang menggunakan siklus Carnot disebut dengan Mesin Kalor Carnot. Siklus Carnot yang dibalik dinamakan dengan siklus Carnot terbalik dan mesin yang menggunakan siklus carnot terbalik disebut dengan Mesin refrigerasi Carnot.

Carnot merupakan adanya sebuah proses termodinamika yang terjadi dengan bahan yang digunakan dalam mesin Carnot. Siklus ini terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Dalam proses isotermal pertama, yang terjadi pada suhu yang lebih tinggi, zat tersebut berdifusi dan menyerap panas.

Proses dalam isotermal yang kedua terjadi karena pada suhu rendah adalah bahwa zat tersebut menekan dan mengeluarkan panas. Garis isotermal pertama dan kedua dihubungkan oleh dua proses adrenal. Zat adiabatik pertama diperluas sementara zat adiabatik kedua dikompres.

Langkah-langkah siklus Carnot :

1. Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T₁. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q₁ dari reservoir bersuhu tinggi T₁ dan melakukan usaha W_AB.
2. Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T₁ menjadi T₂ sambil melakukan usaha W_BC.
3. Proses CD adalah pemampatan isotermal pada suhu T₂. Pada proses ini sistem menerima usaha W_CD dan melepas kalor Q₂ ke reservoir bersuhu rendah T₂.
4. Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T₂ menjadi T₁ akibat menerima usaha W_DA.

Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus pada diagram p - V. Mengingat selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Q₁ dari reservoir bersuhu tinggi T₁ dan melepas kalor Q₂ ke reservoir bersuhu rendah T₂, maka usaha yang dilakukan oleh sistem menurut hukum I termodinamika adalah sebagai berikut.

Q = ∆U + W

Q₁ – Q₂ = 0 + W

W = Q₁ – Q₂

Dalam menilai kinerja suatu mesin, efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin ( η dibaca eta ) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadapkalor masukan yang diberikan.

Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reservoir. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikkan).

Dalam alat elektronik seperti kulkas dan AC (Air Conditioner), digunakan prinsip hukum II Terkmodinamika, dimana dihukum II Termodinamika ini kita menggunakan satu siklus yaitu dengan siklus carnot, yang bekerja dengan prinsip masing-masing pada alat-alat tersebut.

Bagaimana Siklus Carnot Bekerja di Lemari Es?

Siklus Pendinginan Carnot

Siklus refrigerasi Carnot adalah kebalikan dari mesin Carnot. Mesin Carnot menerima energi panas dari suhu tinggi, energi tersebut kemudian diubah menjadi bekerja dan energi yang tersisa dibuang ke sumber panas pada suhu rendah. Sedangkan siklus refrigerasi Carnot menerima energi pada temperatur rendah dan melepaskannya energi pada suhu tinggi. Karena Dalam siklus pendinginan, pekerjaan tambahan dari luar diperlukan.

Proses-proses yang membentuk siklus refrigerasi Carnot:

• Proses kompresi adiabatik 
• Proses pelepasan panas isotermal 
• Proses ekspansi adiabatik 
• Proses penyerapan panas isotermal 

Tujuan utama dari siklus ini adalah penyerapan panas dari suhu rendah sumber, yaitu penyerapan panas isotermal.

Kerja Siklus Carnot di Kulkas

• Energi panas dipindahkan ke dalam lemari es menjadi cairan dingin yang melewati mesin evaporator. Kemudian refrigeran yang telah dibahas sebelumnya menyerap energi panas menjadi lebih hangat dan akhirnya berubah menjadi gas. Gas yang sudah terbentuk dialirkan melalui kompresor sehingga pendingin memiliki temperatur yang lebih tinggi.
• Refrigeran dengan temperatur yang lebih tinggi kemudian mengalir melalui kondensor, dimana energi panas berpindah ke koil pendingin kondensor. Akhirnya, refrigeran kehilangan energi panasnya dan berubah menjadi energi dingin lagi, dan mengalami peristiwa kondensasi menjadi cairan.
• Kemudian refrigerant masuk ke tabung ekspansi, yaitu tempat yang memiliki ruang untuk menyebarkan cairan keluar guna menurunkan temperatur ke level yang lebih rendah. Cairan dingin dari refrigeran kemudian mengalir kembali ke evaporator. Kemudian siklus diulangi lagi.

Bagaimana Siklus Carnot Bekerja di AC (Air Conditioner)?

Mesin pendingin

Mesin pendingin seperti air conditioner (AC) menggunakan proses yang berbeda dengan proses pemanasan yang menggunakan siklus Carnot. Mesin pendingin menyerap panas dingin sebagai sumber dan membuangnya dalam bentuk panas panas. Kalor dapat dipaksa mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan kerja pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara ini disebut mesin refrigerasi. Udara dingin sebenarnya merupakan keluaran dari suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen yaitu; Kompresor AC, kondensor, tabung orifice, evaporator, katup ekspansi, dan evaporator.

Dengan melakukan kerja W pada sistem (pendingin), sebagian panas Q₂ diekstraksi dari reservoir suhu rendah T₂ (misalnya, dari lemari es). Kemudian, sebagian panas Q₁ dibuang ke reservoir suhu tinggi T₁ (misalnya, lingkungan di sekitar lemari es).

Kerja Siklus Carnot di AC (Air Conditioner)

• Proses  adiabatik (kompresi): Gas refrigeran yang keluar dari evaporator masuk dan dikompresi di kompresor untuk menghasilkan gas refrigeran dengan tekanan dan temperatur yang lebih tinggi. Temperatur yang tinggi merupakan hasil dari proses kompresi isentropik.
• Proses isotermik (kondensasi) : Gas refrigeran bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi dikondensasikan dan menghasilkan refrigeran cair jenuh. Proses yang terjadi adalah pelepasan kalor ke lingkungan. Proses kondensasi bekerja pada tekanan konstan. Pada awal proses temperatur gas refrigerant sedikit menurun, kemudian fase gas berubah menjadi cair pada temperatur konstan.
• Proses adiabatik (strangulasi): Tekanan refrigeran cair diturunkan melalui katup ekspansi. Ketika terjadi penurunan tekanan maka terjadi pula penurunan suhu dan peningkatan kualitas gas refrigeran, karena dengan penurunan tekanan dan temperatur sebagian refrigeran cair berubah menjadi gas.
• Proses isotermik (penguapan): Proses penguapan terjadi pada suhu yang sama, di mana hanya fase refrigeran cair yang berubah menjadi gas. Panas laten penguapan diambil dari lingkungan sehingga lingkungan menjadi dingin. Jumlah pendinginan yang terjadi dinyatakan dalam efek pendinginan (ton refrigerasi).

Jadi mesin pendingin adalah kebalikan dari mesin kalor carnot, mesin pendingin menyerap kalor dingin sebagai sumber dan membuangnya dalam bentuk kalor panas, sebaliknya mesin kalor carnot menyerap kalor panas sebagai sumber dan membuangnya. dalam bentuk panas dingin.