SMA · 8 menit · Hukum Termodinamika & Siklus
Mesin kalor, kulkas, dan siklus
Mesin kalor tidak dapat mengubah seluruh kalor menjadi kerja dalam siklus antara dua reservoir bersuhu hingga. Kulkas justru membutuhkan kerja untuk memindahkan kalor ke tempat lebih panas.
Yang akan kamu pelajari
- Mesin kalor
- Mesin pendingin
- Efisiensi
- Siklus termodinamika
Pahami konsepnya
Mesin menerima Q_H, membuang Q_C dan menghasilkan W=Q_H−Q_C. Efisiensi η=W/Q_H. Siklus Carnot terdiri dua isoterm dan dua adiabat reversibel; batas efisiensinya η_C=1−T_C/T_H dengan kelvin.
Luas bertanda pada diagram P–V memberi kerja neto kuasistatik. Kulkas memiliki COP_R=Q_C/W dan pompa kalor COP_HP=Q_H/W; COP boleh lebih dari satu karena membandingkan kalor yang dipindahkan dengan kerja, bukan energi keluaran yang diciptakan.
Analisis lanjut
Gas ideal isoterm memiliki ΔU=0 dan Q=W=nRT ln(V₂/V₁). Pada adiabat reversibel gas ideal dengan kapasitas kalor konstan, PV^γ tetap. Hubungan entropi reversibel Q_H/T_H=Q_C/T_C menghasilkan batas Carnot.
Mesin nyata memiliki irreversibilitas sehingga efisiensinya di bawah batas untuk pasangan reservoir yang sama. Siklus Otto dan Diesel berbeda lintasan ideal dan tidak mengikuti efisiensi Carnot secara otomatis.
Pendalaman: Batas kulkas Carnot
Siklus reversibel mempunyai Q_H/T_H=Q_C/T_C dan W=Q_H−Q_C. Substitusi memberi COP_R=T_C/(T_H−T_C). Pada T_C=270 K dan T_H=300 K, batas ideal COP=9.
Jika selisih suhu membesar, COP batas menurun. Nilai ini tidak menyatakan kulkas nyata mencapai 9; gradien hingga, gesekan, perpindahan kalor dan kompresor menambah irreversibilitas. Tugas: turunkan COP_HP=T_H/(T_H−T_C) dan periksa bahwa COP_HP=COP_R+1.
Contoh terurai
Mesin antara 600 K dan 300 K memiliki η_C=0,5. Bila Q_H=1000 J, kerja maksimal 500 J dan Q_C=500 J. Kulkas memindahkan 300 J dari ruang dingin dengan kerja 100 J: COP=3 dan panas yang dibuang 400 J.
Coba, amati, jelaskan
Di lab Carnot, naikkan T_H dengan T_C tetap. Amati η dan luas loop. Uji apakah η pernah mencapai 100% pada suhu reservoir yang diizinkan.
Cek pemahaman
COP kulkas 3 berarti apa?
- Efisiensi mesin kalor 300%
- Memindahkan 3 J kalor dingin per 1 J kerja
- Menciptakan 3 J energi dari nol
Jawab dan baca pembahasannya di aplikasi.
Sumber & bacaan lanjutan
openstax.org · Rujukan Mesin kalor, kulkas, dan siklus