Siklus Carnot: Efisiensi Mesin Maksimum yang Mungkin
1 · Memprediksi
Mesin Carnot membawa gas melalui 4 kaki (ekspansi isotermal, ekspansi adiabatik, kompresi isotermal, kompresi adiabatik) kembali ke keadaan awalnya. Apakah energi dalam gas berubah dalam satu siklus penuh?
- Energi internal meningkat sepanjang siklus, karena gas melakukan kerja positif bersih.
- Energi internal kembali ke nilai awalnya — perubahan bersih nol selama siklus tertutup.
- Energi internal berkurang sepanjang siklus.
2 · Pengaturan
- Buka preset siklus carnot dan tekan Reset. 1 mol argon (f = 3) berputar antara reservoir panas 600 K dan reservoir dingin 300 K.
- Aktifkan pembacaan pekerjaan per kaki.
- Untuk setiap bagian siklus (1 sampai 4), bacalah volume target bagian tersebut dan usaha yang dilakukan oleh gas pada bagian tersebut.
3 · Kumpulkan Data
| Nomor kaki | Volume target kaki V (L) | Usaha yang dilakukan dengan gas pada kaki ini (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Buat sketsa diagram P-V untuk keempat kaki, tandai apakah masing-masing kaki isotermal atau adiabatik dan apakah gas melakukan kerja positif atau negatif.
4 · Analisis
- Tambahkan nilai kerja kaki 4 Anda. Bandingkan totalnya dengan nR(Th − Tc)·ln(2) (kira-kira, untuk rasio volume siklus ini), dan bandingkan efisiensi siklus η = W_net/Qin dengan nilai Carnot η_c = 1 − Tc/Th = 1 − 300 /600 = 0.5 .
- Dua kaki mempunyai kerja positif (ekspansi) dan dua kaki mempunyai kerja negatif (kompresi). Jelaskan mengapa kerja *bersih* selama satu siklus penuh masih positif, sehingga menjadikannya mesin panas dan bukan putaran tanpa melakukan apa pun.
5 · Perluas
- Tidak ada mesin nyata yang beroperasi antara dua suhu reservoir yang sama yang dapat mengalahkan efisiensi Carnot. Jelaskan, dengan menggunakan η_c = 1 − Tc/Th, mengapa sebuah mesin dapat mencapai efisiensi 100% hanya jika Tc = 0 K — secara fisik tidak dapat dijangkau.
- Siklus Carnot dibangun seluruhnya dari langkah-langkah yang dapat dibalik (isotermal dan adiabatik, keduanya diidealkan sebagai sangat lambat). Jelaskan mengapa mesin sebenarnya, yang pasti memiliki gesekan dan perpindahan panas berkecepatan terbatas, tidak akan pernah dapat mencapai efisiensi ideal ini.
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Efisiensi Carnot
Efisiensi maksimum yang mungkin dari setiap mesin kalor yang beroperasi antara reservoir panas Th dan reservoir dingin Tc hanya bergantung pada rasio temperaturnya: η_c = 1 − Tc/Th.