Sejarah Siklus Carnot.docx

THERMODINAMIKA “SIKLUS CARNOT”

DISUSUN OLEH:

NAMA

: PUSPITA MAYANG SARI

NIM

: 06101281520063

PROGRAM STUDI

: PENDIDIKAN KIMIA

DOSEN PEMBIMBING

: Dr. EFFENDI NAWAWI, S.Pd., M.Si.

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2017

KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan karunia-Nya, serta tak lupa pula kami haturkan shalawat serta salam kepada junjungan kita nabi besar muhammad SAW yang telah membawa kita dari alam kegelapan menuju alam yang terang benderang dan penuh dengan rahmat ini. Sehingga atas izin Allah kami dapat menyelesaikan makalah tugas kelompok mata kuliah Termodinamika yang berjudul “Siklus Carnot”. Tujuan pembuatan makalah ini adalah untuk memenuhi tugas Mata kuliah Termodinamika dan sebagai asahan pengetahuan mahasiswa. Makalah ini disusun dari berbagai referensi yang terkait dengan Termodinamika seperti situs internet dan buku. Ucapan terimakasih kepada dosen pengampu dan juga kepada teman-teman yang terkait dalam penyusunan makalah ini. Kami menyadari dalam pembuatan makalah ini masih banyak kekurangan baik dari segi isi ataupun struktur penyusunan makalahnya. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk pembuatan makalah selanjutnya. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Palembang,Juni 2017

Penulis

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara specific

membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Seperti telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energy listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gaya magnit, dan lain-lain . Supaya proses – proses dalam siklus Carnot bersifat reversible, proses-proses tersebut harus dilakukan dengan sangat perlahan. Jadi, walaupun mesin Carnot merupakan mesin paling efisien yang mungkin ada, ia tidak memiliki daya keluaran, karena ia memerlukan selang waktu yang tak hingga untuk menyelesaikan satu siklus. Untuk sebuah mesin yang nyata, selang waktu yang singkat untuk setiap siklus akan menghasilkan zat kerjanya mencapai suhu tinggi yang rendah daripada reservoir yang panas dan suhu rendah yang lebih tinggi dari pada reservoir yang dingin. Setiap proses penambahan dan pembuangan kalor, dari pemuaian atau penekanan gas, dianggap di lakukan dengan sebaliknya (reversible). Yaitu, setiap proses dilakukan dengan lambat sehingga proses dapat dianggap sebagai serangkaian keadaan setimbangan, dan seluruh proses bisa dilakukan sebaliknya tanpa perubahan besar kerja yang dilakukan atau kalor yang dipertukarkan. Walaupun mesin-mesin kalor riel tidak dapat beroperasi pada sebuah siklus yang terbalikkan, namun siklus carnot, yang merupakan siklus terbalikkan, member informasi yang berguna mengenai sifat dari setiap mesin kalor. Siklus carnot tersebut khususnya adalah penting karena, seperti yang akan kita lihat, siklus tersebut menetapkan batas atas (upper limit) kepada daya guna mesin-mesin riel dan dengan demikian memberikan kita ke akita untuk bekerjarah tujuan (Resnick, 1985). 1.2

Rumusan masalah

Adapun beberapa rumusan masalah dalam makalah ini, sebagai berikut :

1.3

1.

Bagaimana sejarah terbentuk teoritis tentang mesin carnot?

2.

Sebutkan isi teorema mesin carnot?

3.

Jelaskan kelemahan mesin carnot?.

Tujuan tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk mengetahui sejarah

penemuan siklus carnot, menjelaskan kekurangan dari siklus carnot, dan pengaplikasiannya dalam kehidupan sehari-hari. 1.4

Manfaat Adapun manfaat dari pembuatan makalah ini adalah untuk menambah

pengetahuan dan memperluas wawasan serta eksperimennya dapat diaplikasikan dalam kehidupan masyarakat.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Sejarah Siklus Carnot Nicolas Leonard Sa’di Carnot di Paris Perancis pada tanggal 1 juni tahun 1796. Ia adalah seorang fisikawan perancis. Ayahnya adalah Lazare Carnot. Seorang ilmuan, perwira, dan politikus. Nicolas Leonard Sa’di Carnot dinamai seorang penyair asal persia Sa’di. Di bawah bimbingan sang ayah Sadi Carnot mulai menunjukkan bakat besarnya ia dikirim ke Lycee Charlemagne di Paris guna. Mempersiapkan diri untuk menghadapi ujian masuk Eciole Polytechnique, yang terletak di paris. Umur 16 tahun usia yang minimum masuk Ecole, Carnot mulai belajar di Ecole. Nama-nama terkenal seperti poisson, Ampere dan Arago adalah beberapa gurunya. Disini Carnot menjadi satu kelas dengan chasles yang akan menjadi teman akrab sepanjang hidupnya. Carnot lulus pada tahun 1814, tetapi sebelum ia lulus ia menggalang gerakan mahasiswa menentang kebijakan Napoleon. Setelah lulus, Carnot melanjutkan studi di Ecole du genie di Metz dan selama dua tahun mempelajari rekayasa militer. Tahun 1815 Napoleon pulang dari tempat penahanannya dan membentuk pemerintah yang lazim disebut dengan peraturan seratus hari. Napoleon kembali mengangkat Lazare(ayah Nicolas Carnot) menjadi menteri dalam negeri dan menempatkan Sadi Carnot pada posisi yang sulit dalam akademi militer karena posisi ayahnya relatif tinggi. Oktober 1815, Napoleon menderita kekalahan dan Lazare melarikan diri ke Jerman dan tidak pernah lagi menginjakkan kakinya ke bumi Perancis lagi. Nicolas Carnot hidup terlunta-lunta, karir dalam bidang militer untuk Sadi siring dengan mengungsinya sang ayahanda ke Jerman. Nasib Sadi makin tak jelas. Pindah dari satu kota ke kota lain, mencari pekerjaan sesuai dengan bidangnya, memeriksa persiapan dan peralatan di benteng-benteng, membuat gambar-gambar dan menulis laporan tidak pernah diperolehnya. Nasibnya tidak membaik karna semua surat rekomendasinya di anggap sebagai angin lalu belaka. Tidak puas dengan situasi ini, Sadi memutuskan untuk memanfaatkan ilmu yang didapat dari pelatihan dengan mendaftar, sebelum akhirnya diterima untuk bergabung dalam Korps Staf umum yang berkedudukan di paris, termasuk di Sorbonne dan Perancis collage. Nicolas Sadi Carnot meninggal dunia dalam usuia yang relatif muda, pada usia 36 tahun karna menderita penyakit kolera.

2.2 Sejarah Penemuan Konsep Nicolas Carnot menenemukan dan merumuskan hukum kedua termodinamika dan memberikan model universal atas mesin panas, sebuah mesin yang mengubah energi panas ke dalam bentuk energi lain misalnya energi kinetik (sekarang bernama siklus carnot) atau bisa disebut mesin carnot. Mesin canot adalah sebuah mesin kalor dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Penemuan ini berawal dari ketertarikan dari Nicolas Carnot dengan mesin uap, pada saat Sadi menengok ayahnya pada tahun 1821 di Magdeburg. Adiknya Hippolyte Carnot, tinggal bersama sang ayah. Pertemuan ayah dengan anaknya ini, selain melepas rindu juga banyak berdiskusi tentang mesin uap. Mesin uap dari revolusi industri Inggris mulai menjamur. Sepulang dari reuni ini, sadi dengan penuh antusias berusaha mengembangkan teori tentang mesin uap. Sesampainya di Paris, Sadi sudah fokus dengan cita-citanya yaitu memulai dengan mengerjakan teori tentang kalor(panas) dan membantu menjabarkan teori termodinamika modern. Apa yang ada di otak Sadi adalah bagaimana merancang mesin uap dengan baik? Tenaga uap mempunyai banyak manfaat : Mengeringkan air dalam pertambangan, mengangkat air dari sungai untuk irigasi, menggiling bijibijian, memintal benang tapi saat itu belum efesien. Jaman ini mesin-mesin uap masih diimpor dari Inggris karena belum ada insinyur dan designer mesin Perancis yang memahaminya. Mesin-mesin buatan Inggris sudah dilengkapi dengan spesifiksi : Jenis/tipe mesin, mesin tekanan tinggi/rendah.

2.3 Pengembangan Konsep Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotesis yang beroprasi dalam suatu siklus reversible yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer perancis pada tahun 1824. Mesin model Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Emile Clapeyron, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausiusdan Clapeyron. Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam melalui proses siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor. Sebuah mesin kalor bekerja dengan memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya

eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas.

2.4 Temodinamika Aplikasi Thermodinamika Prinsip dan metode thermodinamika digunakan oleh para insinyur untuk merancang mesin-mesin pembakaran internal, pembangkit energi nuklir dan konvensional, sistem pengondisi udara, sistem penggerak propulasi roket, misil, pesawat terbang, kapal, mesin Carnot, sistem magnet dan listrik dan sistem thermolistrik. Hukum- Hukum Dasar Termodinamika Terdapat empat Hukum dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu : 1.

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hal ini dikarenakan kalor yang terdapat pada sistem berupa partikel yang bervibrasi, partikel tersebut berpindah dan mengalirkan energinya ke partikel disebelahnya.

2.

Hukum Pertama Termodinamika Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Aliran kalor / kerja (usaha) yang dialami oleh suatu sistem dapat menyebabkan sistem tersebut memperoleh atau kehilangan energi, tetap secara keseluruhan energi itu tidak ada yang hilang, energi tersebut hanya mengalami perubahan. Hukum I Thermodinamika: Untuk setiap proses , apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka selisih energi, Q – W, sama dengan pebahan energi dalam ∆U dari system.

3.

Hukum kedua Termodinamika Hukum kedua thermodinamika membatasi perubahan energi mana yang

dapat berlangsung dan perubahan energi mana yang tidak dapat berlangsung. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, yaitu: 1.

Rudolf Clasius (1822-1888) menyatakan rumusan Clasius tentang hukum II thermodinamika dengan pernyataan aliran kalor. Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

2. Hukum II thermodinamika dinyatakan dalam entropi: Total entropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi. 3. Kelvin dan Planck menyatakan rumusan yang setara sehingga dikenal rumusan Kelvin-Planck tentang hukum thermodinamika tentang mesin kalor. Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar. 4.

Hukum ketiga Termodinamika Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut.

Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

2.5 Mesin kalor Mesin Kalor didefinisikan sebagai alat yang mengubah kalor menjadi energi mekanis atau lebih tepat suatu sistem yang bekerja secara terus menerus dan hanya kalor dan usaha yang dapat melalui permukaan batasnya. Beberapa contoh mesin kalor adalah Mesin Carnot, mesin Brayton, mesin Otto, mesin Rankine, dan mesin diesel. Pada mesin kalor selalu terdapat dua buah tandon. Tandon yang memberikan kalor besar disebut tandon kalor. Sedang tandon lainnya

disebut tandon dingin. Tandon dingin ini berfungsi untuk menyerap kalor dalam jumlah yang besar tanpa terjadi perubahan panas yang berarti. Perubahan energi dalam mesin kalor secara skematis diberikan pada gambar diatas. Lingkaran menggabarkan mesinnya sendiri. Kalor QP yang diberikan kepada mesin oleh tandon kalor adalah sebanding dengan luas penampang pipa. Kalor QD yang terbuang melalui saluran pembuangan ke tandon dingin berbanding lurus dengan lua penampang pipa keluar. Sebagian kalor diubah menjadi kerja mekanis W yang dilukiskan pada pipa cabang kekanan. Jadi QP adalah kalor yang diserap oleh mesin dan QD adalah kalor yang dibuang oleh mesin per siklus. Kalor neto yang diserap adalah: Ket : Q : Jumlah kalor (J)

Q = Qp – QD

Qp : Kalor terima (J) QD : Kalor lepas (J)

Kalor yang diserap dari tandon biasanya diperoleh dari pembakaran bahan bakar. Dengan menggunakan hukum pertama untuk satu siklus lengkap dan dengan dengan mengingat tidak ada perubahan neto energi dalam, kita peroleh: Ket : W = Q P – QD

W : Usaha (N)

(Siklus Daya)

Siklus yang menghasilkan kerja neto yang dipindahkan ke lingkungan pada setiap siklus disebut siklus daya. Nilai dari efisiensi tidak pernah lebih besar 1 (100%). Pada mesin aktual, nilai efisiensi selalu kurang dari satu. Hal ini menunjukkan bahwa tidak semua kalor yang diserap diubah menjadi kerja. 2.6 Siklus Carnot

Siklus Carnot adalah proses termodinamika yang dialami oleh zat kerja (working substance) pada mesin Carnot. Siklus ini terdiri atas dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Pada proses isotermal pertama yang terjadi pada temperatur lebih tinggi, zat mengalami ekspansi dan menyarap kalor. Proses isotermal kedua, yang terjadi pada temperatur rendah, zat mengalami kompresi dan melepas kalor. Garis isotermal pertama dan kedua dihubungkan oleh dua proses adiabatik. Adiabatik pertama zat mengalami ekspansi, sedangkan adiabatik kedua zat mengalami kompresi. Siklus Carnot terdiri dari empat tahapan proses, sebagai berikut: Proses 1 : Ekspansi isotermal reversible, reversible, dimana working substance berkurang tem Proses Isothermal pertama pada siklus carnot ini terjadi pada temperatur tinggi, zat akan mengalami ekspansi dan penyerapan kalor. Dimana kalor Q1 diserap dari reservoir kalor ( tempat kalor ) pada temperatur T1 dan sistem bekerja. Reservoir dengan suhu yang tinggi akan menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston berkurang. Temperatur sistem tetap, namun volume sistem bertambah selama proses berlangsung Proses 2 : Proses Adiabatik pertama ini terjadi zat akan mengalami ekspansi Dimana zat akan mengalami penurunan temperatur dari T1 menjadi T2 dan sistem bekerja. Tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem saat proses berlangsung. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah. Proses 3 : Kompersi isothermal reversible, dimana working substance melepaskan kalor Q₂ ke reservoil dingin dengan temperatur T₂ dan kerja dikenakan terhadap sistem. Proses Isothermal kedua ini terjadi pada temperatur rendah, zat akan mengalami kompresi dan kalor akan dilepaskan. Dimana zat melepaskan kalor Q2 ke reservoir dingin dengan temperatur T2 dan sistem dikenai kerja. reservoir dengan suhu 200 K menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Tekanan pada sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q2)

dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tetap. Proses 4 : Kompresi adiabatic reversible, dimana working substance dikembalikan ke keadaan awal (semula), temperatur sistem berubah dari T₂ menjadi T₁ dan kerja dikenakan terhadap sistem. Dimana zat akan dikembalikan ke keadaan semula, temperatur sistem akan berubah dari T2 menjadi T1 dan sistem dikenai kerja. Jumlah beban di atas piston bertambah. Tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem selama proses berlangsung, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang.

Keempat proses di atas dilukiskan dalam bentuk diagram P versus V, seperti di bawah ini :

Gambar 1. Grafik siklus carnot Karena sistem dikembalikan ke keadaan semula, maka perubahan besaran keadaan (besaran termodinamika) seperti energi dalam maupun entalpi sistem proses adalah nol. Dengan menggunakan hukum I termodinamika dapat dihitung kalor dan kerja pada masing-masing tahap proses di atas. Misalnya substansi melakukan kerja aadaalah suatu gas ideal. Proses Ekspaansi Isotermal Reversible

Ket : n : Jumlah mol zat R : Tetapan umum gas (8,31 J/molK) T : Suhu (Kelvin) V1 : Volume Awal (Liter) V2 : Volume Akhir (Liter) Proses Ekspansi Adiabatik Reversibel Ket : CV : Kapasitas kalor (J/K) T1 : Suhu awal (Kelvin) T2 : Suhu akhir (Kelvin)

Proses Kompresi Isotermal Reversible Dengan menggunakan penjalasan yang mirip dengan proses ekspansi isotermal reversible, maka diperoleh kerja pada proses ini adalah :

Proses Kompresi Adiabatik Reversible Dengan menggunakan penjelasan yang mirip dengan proses ekspansi adiabatik reversible. Maka diperoleh kerja untuk proses ini adalah :

W4 = Cv (T1 – T2) Dimana T1 > T2

Total kerja, W yang dilakukan oleh mesin carnot dalam satu siklus adalah:

Q₂ berharga negatif kaarena V₄. Sesuai dengan fakta bahwa kalor ini dilepaskan oleh sistem. Dengan demikian, Kerja yang dilakukan oleh mesin adalah selisih antara kalor yang diserap, Q₁ dengan kalor yang dilepaskan Q₂.

Efesiensi mesin carnot, e adalah perbandingan antara kerja yang dilakukan mesin dengan kalor yang diserap,Q₁.

Sejumlah kalor Q₁ diserap dari reservoil kalor yang temperaturnya T₁, sejumlah kalor Q₂ di lepaskan ke reservoil kalor yang temperaturnya T₂ dan kerja dilakukan oleh sistem, demikian seterusnya. Kalor yang ditransfer tergantung pada beda temperatur antara dua reservoil tersebut. Temperatur reservoil ini disebut temperatur termodinamika T. Karena Q₂/Q₁ sebanding dengan termodinamika dari reservoil, maka efesiensi mesin carnot dapat dinyatakan sebagai berikut :

e = Efisiensi mesin

Dari hasil yang diperolehnya, Carnot menyampaikan hasil teoremanya bahwa tidak ada mesin kalor yang bekerja antara dua reservoil kalor mempunyai efesiensi lebih besar dari mesin Carnot(ideal) yang bekerja pada dua reservoil kalor yang sama. Teorema diatas menunjukkan bahwa mesin kalor yang irrevesible mempunyai efesiensi lebih rendah dari mesin yang reversible. Simpulan dari rumusan efesiensi mesin Carnot :  Semua mesin Carnot yang bekerja pada dua reservoir yang sama mempunyai efesiensi yang sama.  Efesiensi mesin kalor tidak tergantung pada jenis material(working subtance) yang digunakan.  Temperatur termodinamika tidak tergantung pada jenis material(working substance).

2.7 Aplikasi Konsep Temuan dari hasil pemikiran Carnot diaplikasikan dalam berbagai bidang yang kemudian digunakan secara luas sampai saat ini diantaranya :  Pesawat pendingin misalnya : kulkas, air conditioner(AC) yang menggunakan daur kalor yang menghasilkan kerja terhadap zat.  Motor bakar misalnya : mesin mobil, generator listrik.

Gambar 1

Gambar 2 2.8 Kelemahan Mesin carnot:    

Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan tekanan terjadi pada saat proses pelepasan panas. Proses pindah panas dengan menggunakan gas yaitu sebuah media yang mempunyai kapasitas Panas tertentu dan terbatas. BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan Adapun beberapa kesimpulan yang ditarik dlam makalah ini, berikut sebagai berikut : 1. Menjelaskan siklus Carnot yang terjadi antara suhu TL dan TH, kita anggap bahwa zat kerjanya adalah gas ideal yang tersimpan dalam sebuah silinder dengan piston yang dapat digerakkan pada salah satu ujungnya. Dinding silinder dan piston tidak mengalami konduksi termal. 2. Persamaan eC dapat diterapkan pada zat kerja dalam suatu siklus Carnot diantara dua reservoir energi. Menurut persamaan ini, efiensinya adalah nol

jika TL = TH, seperti yang telah kita perkirakan. Efisiensinya meningkat saat TL diturunkan dan saat TH dinaikkan. 3. Efiensinya adalah nol jika TL = TH, maka Efisiensinya meningkat saat TL diturunkan walaupun TH dinaikkan. Meskipun demikian, efisiensinya dapat mencapai suhu (100%) hanya jika TL= 0 K.

DAFTAR PUSTAKA

Castka, Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E. (2002). Modern Chemistry. Holt, Rinehart and Winston Maron, Samuel H, and Lando, J.B. Fundamentals oh Physical Chemistry. New York : Macmillan publishing co.inc. Mascetta, Joseph A. (1998). How to Prepare for the SAT II Chemistry. Barron's.

http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia_dasar/gas1/gas-ideal-dan-gasnyata/ http://www.ilmukimia.org/2012/11/gas-ideal-dan-gas-nyata.html http://data-smaku.blogspot.com/2012/12/contoh-soal-dan-pembahasan-tentanggas.html