Besar Usaha dan Efisiensi Mesin Carnot

Besar usaha (W) dan efisiensi mesin Carnot (η) dipengaruhi oleh nilai kalor (Q) dan suhu (T) yang terlibat dalam sebuah sistem. Di mana besar usaha yang dilakukan mesin Carnot sama dengan banyak kalor yang diserap. Sementara efisiensi mesin Carnot adalah perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem terhadap energi kalor yang diserapnya. Satuan usaha mesin Carnot dinyatakan dalam Joule (J) dan efisiensi mesin Carnot dinnyatakan dalam persen.

Mesin Carnot disebut juga mesin kalor adalah alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Konsep mengenai kerja mesin Carnot diperkenalkan oleh Sadi Carnot yang pemanfaatannya terdapat di berbagai kerja mesin seperti pada lokomotif uap.

Bahasan mesin Carnot termasuk dalam termodinamika yaitu cabang ilmu Fisika yang mempelajari hubungan antara panas/kalor dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Pokok bahasan dalam mesin Carnot adalah bagaimana suatu mesin kalor dapat menghasilkan efisiensi tertinggi. Kerja mesin Carnot sesuai siklus Carnot yang terdiri dari empat tahapan proses termodinamika yaitu pemuaian isotermal, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal, dan pemampatan adibatik.

Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Sedangkan proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor (Q) yang masuk atau keluar dari sistem. Diketahui bahwa kalor yang masuk atau keluar mesin Carnot sebanding dengan suhu mutlaknya. Dengan demikian dapat diperoleh persamaan antara nilai kalor dan suhunya dengan hubungan sebanding yaitu Q2/Q2= T2/T1.

Siklus Mesin Carnot

Baca Juga: Penerapan Asas Black untuk Memecahkan Masalah Kalor

Bagaimana cara menghitung besar usaha (W) yang dilakukan mesin Carnot? Bagaimana cara mengetahui besar efisiensi mesin Carnot? Sobat idschool dapat mencari tahu jawabannya melalui ulasan di bawah.

Table of Contents

Rumus Usaha Mesin Carnot

Proses yang terjadi dalam siklus Carnot adalah sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2. Pada siklus Carnot, proses selalu kembali ke keadaan semula sehingga ΔU = 0.

Besar usaha yang dilakukan mesin Carnot sama dengan luas daerah di dalam siklus suatu sistem. Sehingga besar usaha (W) yang dilakukan mesin Carnot sesuai dengan persamaan berikut.

Rumus Usaha Mesin Carnot

Contoh S0al:
Suatu mesin Carnot bekerja di antara suhu 600oK dan 300oK serta menerima kalor sebesar 1.000 joule. Berapakah besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus?

Penyelesaian:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh beberapa informasi seperti berikut.

  • Kalor yang diterima: Q1 = 1.000 J
  • Rentang suhu kerja mesin: T1 = 600oK dan T2 = 300oK

Sebelum menghitung besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus, perlu mengetahui besar kalor yang dilepas terlebih dahulu.

Menghitung kalor yang dilepas sistem pada mesin Carnot (Q2):

Cara Menghitung Usaha yang Dilakukan Mesin Carnot

Menghitung besar usaha yang dilakukan mesin:
W = Q1 – Q2
W = 1.000 J – 500 J = 500 J

Jadi, besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah 500 J.

Baca Juga: Cara Menghitung Suhu Akhir Campuran

Rumus Efisiensi Mesin Carnot

Sebuah mesin mengubah energi kalor (Q) dengan besar usaha (W) yaitu banyak kalor yang diserap atau diubah ke bentuk energi lain. Efisiensi mesin secara umum adalah perbandingan usaha yang dilakukan oleh mesin dengan energi yang dibutuhkan. Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling tinggi sehingga diketahui sebagai efisiensi yang paling besar.

Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q1) disebut sebagai efisiensi mesin Carnot. Efisiensi mesin Carnot secara matematik dapat dinyatakan melalui tiga persamaan berikut.

Rumus Efisiensi Mesin Carnot

Dalam prakteknya, mesin ideal hanya ada di dalam teori karena tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Kondisi ini terjadi karena semua mesin mendapat pengaruh faktor lain seperti hambatan udara/angin atau gesekan.

Contoh Soal:
Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 oK dan memiliki efisiensi 40%. Berapakah suhu pada reservoir bersuhu rendah?

  • Diketahui:
    Efisiensi mesin Carnot: η = 40%
    Suhu pada reservoir bersuhu tinggi: T1 = 800 oK

Cara menghitung suhu pada reservoir bersuhu rendah (T2):

Cara Menghitung Efisiensi Mesin Carnot

Jadi, besar suhu pada reservoir bersuhu rendah mesin Carnot tersebut adalah 480oK.

Baca Juga: Besar Kalor yang Dibutuhkan pada Perubahan Wujud Benda dan Grafiknya

Contoh Soal dan Pembahasan

Sobat idschool dapat mengukur keberhasilan memahami bahasan materi di atas dengan cara mengerjakan beberapa contoh soal di bawah. Beberapa contoh soal di bawah dapat sobat idschool gunakan untuk mengukur kemampuan sobat idschool. Setiap contoh soal dilengkapi dengan pembahasan bagaimana penggunaan rumus usaha dan efisiensi mesin Carnot. Selamat berlatih!

Contoh 1 – Kalor yang Dilepas Mesin Carnot

Sebuah mesin carnot menyerap kalor sebesar 1.000 kJ yang bekerja pada reservoir bersuhu 300oK dan 200oK. Besar kalor yang terbuang oleh mesin adalah ….
A. 1.500 kJ
B. 750 kJ
C. 6662/3 kJ
D. 3331/3 kJ
E. 1002/3 kJ

Pembahasan:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh informasi – informasi seperti berikut.

  • Kalor yang diserap mesin: Q1 = 1.000 kJ
  • Suhu awal: T1 = 300 oK
  • Suhu akhir: T2 = 200 oK

Menghitung besar kalor yang terbuang oleh mesin (Q2):

Cara Menghitung Kalor yang Dilepas pada Mesin Carnot

Jadi, besar kalor yang terbuang oleh mesin adalah 6662/3 kJ.

Jawaban: C

Contoh 2 – Besar Usaha Mesin Carnot

Besar Usaha dan Efisiensi Mesin Carnot

Jika kalor yang diserap mesin sebesar 10.000 J maka besar usaha yang dilakukan mesin Carnot sesuai grafik P – V di atas adalah ….
A. 1.500 J
B. 4.000 J
C. 5.000 J
D. 6.000 J
E. 8.000 J

Pembahasan:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh informasi – informasi seperti berikut.

  • Suhu reservoir tinggi: T1 = 800oK
  • Suhu reservoir rendah: T2 = 400oK
  • Kalor yang diserap mesin: Q1 = 10.000 J

Menghitung besar kalor pada reservoir suhu rendah (Q2):

Contoh Soal Cara Menghitung Besar Usaha dan Efisiensi Mesin Carnot

Menghitung besar usaha yang dilakukan mesin Carnot:
W = Q1 – Q2
W = 10.000 kJ – 5.000 kJ
W = 5.000 kJ

Jadi, besar usaha yang dilakukan mesin Carnot adalah 5.000 kJ

Jawaban: C

Contoh 3 – Efisiensi Mesin Carnot

Sebuah mesin kalor ideal menyerap kalor dari reservoir suhu tinggi untuk melakukan usaha dan sisanya dibuang ke reservoir rendah. Jika kalor yang dibuang 3 kali usaha yang dihasilkan maka efisiensi mesin adalah ….
A. 20%
B. 25%
C. 33%
D. 67%
E.75%

Pembahasan:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh informasi seperti berikut.

  • Kalor yang dibuang 3 kali usaha: Q2 = 3W

Menghitung besar kalor yang masuk mesin (Q1):
W = Q1 – Q2
W = Q1 – 3W
Q1 = W + 3W
Q1 = 4W

Menghitung persentase efisiensi mesin Carnot:

Contoh Soal Efisiensi Mesin Carnot

Jadi, jika kalor yang dibuang 3 kali usaha yang dihasilkan maka efisiensi mesin Carnot adalah 25%

Jawaban: B

Demikianlah tadi ulasan cara menghitung besar usaha dan efisiensi mesin Carnot. Terima kasih sudah mengunjungi idschool(dot)net, semoga bermanfaat.

Baca Juga: Rekomendasi Buku UTBK – SBMPTN

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.