Siklus Carnot Terbalik: Kulkas
1 · Memprediksi
Menjalankan siklus Carnot mundur akan mengubah mesin menjadi lemari es - kerja bersih masuk bukannya keluar. Apakah gas masih menyerap panas dari reservoir dingin, seperti lemari es sungguhan yang mengeluarkan panas dari dalamnya?
- Tidak - membalikkan siklus juga membalikkan reservoir mana yang menyerap panas.
- Siklus terbalik tidak menukar panas dengan reservoir mana pun.
- Ya — siklus terbalik menyerap panas dari sisi dingin dan membuang lebih banyak panas ke sisi panas, menggunakan kerja masukan untuk melakukannya.
2 · Pengaturan
- Buka preset carnot-kulkas dan tekan Reset. Keempat kaki yang sama seperti siklus carnot dijalankan dengan urutan terbalik.
- Aktifkan pembacaan pekerjaan per kaki, dan pembacaan COP pendinginan/pemanasan.
- Untuk setiap bagian siklus (1 sampai 4), bacalah volume target pada 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, lacak kakinya secara berurutan. Bandingkan arah perjalanan (searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam) dengan diagram percobaan siklus carnot.
4 · Analisis
- Jumlahkan nilai kerja kaki 4 Anda — total (usaha bersih yang dilakukan OLEH gas) harusnya negatif, yang berarti usaha bersih harus disuplai ke gas. Hitung pendinginan COP = Tc/(Th − Tc) = 300 /(600−300) = 1.0 dan pemanasan COP = Th/(Th − Tc) = 2.0 .
- Bandingkan urutan kaki di sini dengan urutan kaki siklus carnot. Jelaskan bagaimana membalikkan urutan 4 kaki yang sama akan membalik siklus dari mesin (usaha bersih keluar) menjadi lemari es (usaha bersih masuk).
5 · Perluas
- COP pendinginan sebesar 1,0 berarti lemari es mengeluarkan 1 J panas dari ruang dingin untuk setiap 1 J kerja yang diberikan. COP pemanasan sebesar 2,0 (mode pompa panas) berarti ia menyalurkan 2 J panas ke ruang hangat per 1 J kerja. Jelaskan mengapa COP_heat selalu tepat 1 lebih banyak daripada COP_cool untuk reservoir yang sama.
- Berbeda dengan efisiensi mesin (selalu ≤ 1), COP dapat melebihi 1 — hal ini bukan merupakan pelanggaran terhadap konservasi energi. Jelaskan mengapa COP > 1 mungkin terjadi: energi ekstra yang dihasilkan berasal dari reservoir yang didinginkan, bukan diciptakan dari ketiadaan.
Fisika di Balik Eksperimen Ini
Koefisien Kinerja Kulkas
Kinerja pendinginan siklus Carnot terbalik diukur dengan COP_cool = Tc/(Th − Tc): berapa banyak panas yang dipindahkan dari ruang dingin per unit kerja yang diberikan. Kesenjangan suhu yang lebih kecil menghasilkan COP yang lebih baik (lebih tinggi).