Siklus Carnot

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Mesin kalor didefinisikan sebagai sebuah perangkat yang dapat mengkonversi energi kalor menjadi kerja. Kerja di sini dapat diartikan sebagai gerakan piston dalam silinder atau putaran mesin. Contoh mesin kalor adalah mesin otto, mesin diesel, mesin brayton, dan mesin stirling. Sedangkan pompa kalor adalah perangkat yang dapat menciptakan kondisi di mana satu bagian mesin menjadi dingin dan bagian lainnya menjadi panas. Dingin dan panas ini relatif terhadap lingkungan. Pompa kalor biasanya diterapkan di pendingin ruangan (AC). Contoh pompa kalor antara lain sistem refrigerasi kompresi uap.

Prinsip kerja dari mesin kalor dan pompa kalor biasanya sebuah siklus termodinamika yang terdiri dari beberapa proses termodinamika. Siklus Carnot adalah siklus ideal (tidak real) yang dimodelkan untuk mengetahui efisiensi dan kinerja tertinggi yang mungkin dapat dicapai dari sebuah mesin kalor atau pompa kalor. Hal ini dikarenakan siklus carnot mengasumsikan beberapa prosesnya berlangsung isentropik dimana proses dianggap reversible (tidak ada gesekan) dan adiabatik (terinsulasi sempurna). Skema proses sistem piston-silinder dan diagram P-v siklus carnot dapat dapat dilihat pada gambar 1 dan 2:

Gambar 1.Skema Proses dalam Siklus Carnot

Gambar 2. Siklus Carnot dalam Diagram P-v

Seperti yang dapat dilihat pada gambar 1, siklus carnot terdiri dari empat proses termodinamika, yaitu:

Proses 1 – 2, yaitu proses ekspansi isothermal pada temperature tinggi T_H. Dalam proses ini sistem (mesin) menerima kalor kemudian terjad proses ekspansi dengan temperatur konstan. Proses ini sulit sekali diterapkan secara nyata. Bisa dibayangkan, jika sebuah sistem piston silinder yang kemudan diberikan kalor (dipanaskan) sehingga sistem memuai tetapi temperaturnya tetap (tidak naik). Dalam hukum termodinamika I, dalam proses isothermal tidak ada perubahan energi dalam (ΔU=0), yang artinya semua kalor yang masuk menjadi kerja. 

Proses 2-3, yaitu proses ekspansi isentropik. Setelah menerima kalor (proses 1-2), proses masih mengalami ekspansi yang mungkin diakibatkan masih adanya momentum dari proses sebelumnya. Akibat proses ini temperatur sistem menjadi turun dari T_H menjadi temperature rendah T_L. Proses ini diasumsikan berlangsung secara reversible (tidak ada geseskan) dan adiabatic (terinsulasi sempurna). Hal ini juga sulit direalisasikan karena gesekan tidak mungkin dihindari dan kalor pasti mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Proses 3-4 proses kompresi secara isothermal. Dalam proses ini pembuangan kalor terjadi dari sistem ke lingkungan.

Proses 4-1, yaitu proses kompresi isentropik. Proses ini juga terjadi secara reversible dan adiabatik.

Proses dari 1-2-3-4-1 terus berlangsung sehingga kerja dalam bentuk putaran mesin atau pergerakan piston juga selalu terjadi selama sistem menerima dan membuang kalor dengan baik. Untuk menunjukkan seberapa baik sebuah mesin kalor, digunakan istilah efisiensi, yaitu perbandingan anta kerja yang didapatkan dengan kalor yang diberikan ke sistem.