Mesin Kalor & Efisiensi Carnot
Mesin Kalor & Batas Carnot
Sebuah mesin kalor menyerap kalor dari sumber panas, mengubah sebagiannya menjadi kerja berguna, dan membuang sisanya sebagai kalor buangan ke tempat yang lebih dingin. Tidak ada mesin — sebaik apa pun rancangannya — yang bisa mengubah seluruh kalor itu menjadi kerja; selalu ada sebagian yang harus dibuang. Efisiensi terbaik yang mungkin dicapai sebuah mesin hanya bergantung pada seberapa panas dan seberapa dingin kedua reservoirnya.
Rumus
η = 1 − T_c / T_h
- η — efisiensi (—): sebagian energi kalor yang diubah mesin menjadi kerja berguna
- T_c — suhu reservoir dingin (K): suhu tempat dingin di mana kalor buangan dibuang
- T_h — suhu reservoir panas (K): suhu sumber panas yang memasok kalor ke mesin
Contoh yang diselesaikan
Reservoir panas sebuah pembangkit listrik, uap, berada pada 400 kelvin, dan reservoir dinginnya, air sungai, berada pada 300 kelvin. Berapa efisiensi terbaik yang mungkin untuk mesin yang bekerja di antara keduanya?
- T_h = 400 K
- T_c = 300 K
- η = 1 − T_c / T_h
- η = 1 − 300 K / 400 K
η = 0.25 = 25%
Uji diri Anda
Sebuah mesin kalor bekerja di antara reservoir panas pada 800 kelvin dan reservoir dingin pada 200 kelvin. Berapa efisiensi maksimum yang mungkin?
- 25%
- Jawaban benar: 75%
- 50%
Benar! η = 1 − 200 K / 800 K = 1 − 0.25 = 75%.
Perubahan mana yang akan meningkatkan efisiensi maksimum sebuah mesin kalor?
- Menaikkan suhu reservoir dingin
- Menurunkan suhu reservoir panas
- Jawaban benar: Menurunkan suhu reservoir dingin
Benar! Reservoir dingin yang lebih dingin membuat T_c / T_h lebih kecil, sehingga satu dikurangi rasio itu — efisiensinya — menjadi lebih besar.
Di mana Anda melihatnya
Pembangkit listrik sungguhan dibangun mengikuti batas ini: uap dari boiler pada ratusan kelvin menggerakkan turbin, dan sisa kalornya harus dibuang ke sungai, danau, atau menara-menara pendingin ikonik itu — reservoir dingin adalah bagian dari pembangkit sama seperti halnya tungkunya. Di antara uap pada 400 K dan air sungai pada 300 K, tidak ada mesin yang pernah dibuat dapat melampaui 25%.
Kesalahan umum
Mitos yang terus bertahan adalah bahwa insinyur yang cukup cerdik bisa mengubah kalor sepenuhnya menjadi kerja — batas Carnot hanya bergantung pada suhu kedua reservoir, bukan pada keahlian pembuatnya. Jebakan aljabarnya adalah berhenti pada rasionya: η = 1 − T_c / T_h berarti panas 800 K dan dingin 200 K memberikan 1 − 0.25 = 75%, bukan 25%. Dan suhu-suhunya dalam kelvin, seperti selalu dalam termodinamika.
Bagaimana ini terhubung
Inilah tempat mekanika bertemu termodinamika: pembukuan mesin itu adalah kekekalan energi — kalor masuk sama dengan kerja keluar ditambah kalor yang dibuang — itulah sebabnya prasyarat pelajaran ini adalah kekekalan energi itu sendiri. Tak tercapainya 100% adalah hukum kedua yang mengumumkan dirinya sejak dini: kalor buangan adalah pajak entropi, yang dirumuskan secara presisi pada pelajaran berikutnya.