Meskipun fisika digunakan untuk menggambarkan sistem dunia nyata yang kompleks, banyak masalah yang akan Anda hadapi dalam kehidupan nyata pertama kali diselesaikan dengan menggunakan pendekatan dan penyederhanaan. Ini adalah salah satu keterampilan terbesar yang akan Anda pelajari sebagai fisikawan: Kemampuan untuk menelusuri hingga yang paling penting komponen masalah dan meninggalkan semua detail yang berantakan untuk sesudahnya, ketika Anda sudah memiliki pemahaman yang baik tentang bagaimana a sistem bekerja.
Jadi, sementara Anda mungkin berpikir tentang seorang fisikawan yang mencoba memahami proses termodinamika sebagai melalui perjuangan panjang untuk beberapa hal persamaan yang lebih panjang, pada kenyataannya, fisikawan kehidupan nyata lebih cenderung melihat masalah menggunakan idealisasi seperti ituSiklus Carnot.
Siklus Carnot adalah siklus mesin kalor khusus yang mengabaikan kompleksitas yang berasal dari hukum kedua termodinamika - kecenderungan semua sistem tertutup untuk meningkatkan entropi dari waktu ke waktu - dan hanya mengasumsikan efisiensi maksimum untuk sistem. Hal ini memungkinkan fisikawan untuk memperlakukan proses termodinamika sebagai
siklus reversibel, membuat segalanya lebih mudah untuk dihitung dan dipahami secara konseptual, sebelum melangkah ke sistem nyata, dan proses yang biasanya tidak dapat diubah yang mengaturnya.Mempelajari cara bekerja dengan siklus Carnot melibatkan pembelajaran tentang sifat proses reversibel seperti proses adiabatik dan isotermal dan tentang tahapan siklus Carnot.
Mesin Panas
Sebuah mesin panas adalah jenis sistem termodinamika yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik, dan sebagian besar mesin dalam kehidupan nyata, termasuk mesin mobil, adalah beberapa jenis mesin panas.
Sejakhukum pertamatermodinamika memberi tahu Anda bahwa energi tidak diciptakan, hanya diubah dari satu bentuk ke bentuk lain (karena menyatakan kekekalan energi), mesin kalor adalah salah satu cara mengekstrak energi yang dapat digunakan dari bentuk energi yang lebih mudah untuk dihasilkan, dalam hal ini, panas. Secara sederhana, pemanasan suatu zat menyebabkannya memuai, dan energi dari pemuaian ini dimanfaatkan menjadi beberapa bentuk energi mekanik yang dapat terus melakukan pekerjaan lain.
Bagian teoretis dasar dari mesin panas termasuk penangas panas atau sumber panas suhu tinggi, reservoir dingin suhu rendah dan mesin itu sendiri, yang berisi gas. Pemandian panas atau sumber panas mentransfer energi panas ke gas, yang mengarah pada ekspansi yang menggerakkan piston. Ekspansi ini dilakukan oleh mesinkerjapada lingkungan, dan dalam prosesnya, ia melepaskan energi panas ke reservoir dingin, yang mengembalikan sistem ke keadaan awalnya.
Proses yang Dapat Dibalikkan
Ada banyak proses termodinamika yang berbeda dalam siklus mesin panas, tetapi siklus Carnot yang diidealkan - dinamai "bapak termodinamika" Nicolas Leonard Sadi Carnot - melibatkanproses reversibel. Proses dunia nyata umumnya tidak dapat dibalik karena setiap perubahan dalam suatu sistem cenderung meningkat entropi, tetapi jika prosesnya secara teoritis dianggap sempurna, maka komplikasi ini dapat menjadi diabaikan.
Proses reversibel adalah proses yang pada dasarnya dapat dijalankan "mundur dalam waktu" untuk mengembalikan sistem ke keadaan awalnya tanpa melanggar hukum kedua termodinamika (atau hukum fisika lainnya).
Proses isotermal adalah contoh proses reversibel yang terjadi pada suhu konstan. Ini tidak mungkin dalam kehidupan nyata karena untuk menjaga keseimbangan termal dengan lingkungan, dibutuhkan waktu yang tidak terbatas untuk menyelesaikan prosesnya. Dalam praktiknya, Anda dapat memperkirakan proses isotermal dengan membuatnya terjadi sangat, sangat lambat, tetapi sebagai konstruksi teoretis, ia bekerja cukup baik untuk berfungsi sebagai alat untuk memahami termodinamika dunia nyataworld proses.
Proses adiabatik adalah proses yang terjadi tanpa perpindahan panas antara sistem dan lingkungan. Sekali lagi, ini tidak mungkin karena akan selalu adabeberapaperpindahan panas dalam sistem nyata, dan agar benar-benar terjadi, itu harus terjadi secara instan. Tapi, seperti proses isotermal, ini bisa menjadi pendekatan yang berguna untuk proses termodinamika dunia nyata.
Ikhtisar Siklus Carnot
Siklus Carnot adalah siklus mesin panas yang ideal dan efisien secara maksimal yang terdiri dari proses adiabatik dan isotermal. Ini adalah cara sederhana untuk menggambarkan mesin panas dunia nyata (dan mesin serupa kadang-kadang disebut mesin Carnot), dengan idealisasi hanya memastikan bahwa itu adalah siklus yang sepenuhnya dapat dibalik. Ini juga membuatnya lebih mudah untuk dijelaskan menggunakan hukum pertama termodinamika dan hukum gas ideal.
Secara umum, mesin Carnot dibangun di sekitar pusat reservoir gas, dengan piston terpasang di bagian atas yang bergerak ketika gas mengembang dan menyusut.
Tahap 1: Ekspansi Isotermal
Pada tahap pertama dari siklus Carnot, suhu sistem tetap konstan (ini adalah proses isotermal) saat sistem mengembang, menarik energi panas dari reservoir panas dan mengubahnya ke dalam pekerjaan. Pada mesin kalor, usaha hanya dilakukan bila volume gas berubah, jadi pada tahap ini mesin bekerja pada lingkungan saat ia memuai.
Namun, energi internal gas ideal hanya bergantung pada suhunya, dan dalam proses isotermal, energi internal sistem tetap konstan. Perhatikan bahwa hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa:
U = Q - W
Dimanakamuadalah perubahan energi dalam,Qadalah panas yang ditambahkan danWadalah pekerjaan yang dilakukan, untukkamu= 0 ini memberikan:
Q = W
Atau dengan kata lain, perpindahan kalor ke sistem sama dengan kerja yang dilakukan sistem terhadap lingkungan. Jika Anda tidak ingin menggunakan kalor secara langsung (atau soal tidak memberikan informasi yang cukup untuk menghitungnya), Anda dapat menghitung kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan menggunakan ekspresi:
W = nRT_{tinggi} \ln \bigg(\frac{V_2}{ V_1}\bigg)
DimanaTtinggi mengacu pada suhu pada tahap siklus ini (suhu berkurang menjadiTrendah kemudian dalam proses, jadi Anda menyebutnya "suhu tinggi"),tidakadalah jumlah mol gas dalam mesin,Radalah konstanta gas universal,V2 adalah volume akhir danV1 adalah volume awal.
Tahap 2: Ekspansi Isentropik atau Adiabatik
Pada tahap ini, kata "isentropik" atau "adiabatik" memberitahu Anda bahwa tidak ada panas yang dipertukarkan antara sistem dan sekelilingnya, jadi menurut hukum pertama, seluruh perubahan energi internal diberikan oleh kerja sistem tidak.
Sistem mengembang secara adiabatik, sehingga peningkatan volume (dan karena itu kerja yang dilakukan) menyebabkan penurunan suhu di dalam sistem. Anda juga dapat memikirkan tentang perbedaan suhu dari awal hingga akhir proses sebagai menjelaskan pengurangan energi internal sistem, menurut ekspresi:
U = \frac{3}{2}nR∆T
DimanaTadalah perubahan suhu. Kedua fakta ini menyiratkan bahwa kerja yang dilakukan oleh sistem (W) dapat dikaitkan dengan perubahan suhu, dan ekspresi untuk ini adalah:
W = nC_v∆T
DimanaCv adalah kapasitas kalor zat pada volume tetap. Ingatlah bahwa pekerjaan yang dilakukan dianggap negatif karena selesaiolehsistem daripadadiitu, yang diberikan secara otomatis di sini oleh fakta bahwa suhu berkurang.
Ini juga disebut "isentropik" karena entropi sistem tetap sama selama proses ini, yang berarti sepenuhnya dapat dibalik.
Tahap 3: Kompresi Isotermal
Kompresi isotermal adalah pengurangan volume sementara sistem dijaga pada suhu konstan. Namun, ketika Anda meningkatkan tekanan gas, ini biasanya disertai dengan peningkatan suhu, sehingga energi panas ekstra harus pergi ke suatu tempat. Dalam tahap siklus Carnot ini, panas tambahan ditransfer ke reservoir dingin, dan dalam hal hukum pertama, perlu dicatat bahwa untuk memampatkan gas, lingkungan harus melakukan kerja pada sistem.
Sebagai bagian isotermal dari siklus, energi internal sistem tetap konstan sepanjang. Seperti sebelumnya, ini berarti bahwa kerja yang dilakukan oleh sistem seimbang dengan panas yang hilang ke sistem, menurut hukum pertama termodinamika. Ada ekspresi analog dengan yang ada di tahap 1 untuk bagian proses ini:
W = nRT_{rendah} \ln \bigg(\frac{V_4}{ V_3}\bigg)
Pada kasus ini,Trendah adalah suhu yang lebih rendah,V3 adalah volume awal danV4 adalah volume akhir. Perhatikan bahwa kali ini, suku logaritma natural akan keluar dengan hasil negatif, yang mencerminkan fakta bahwa dalam dalam hal ini, kerja yang dilakukan pada sistem oleh lingkungan, dan perpindahan panas dari sistem ke lingkungan Hidup.
Tahap 4: Kompresi Adiabatik
Tahap terakhir melibatkan kompresi adiabatik, atau dengan kata lain, sistem dikompresi karena kerja yang dilakukan oleh lingkungannya tetapi dengantidakperpindahan panas antara keduanya. Ini berarti suhu gas meningkat, sehingga ada perubahan energi internal sistem. Karena tidak ada pertukaran panas di bagian proses ini, perubahan energi internal sepenuhnya berasal dari kerja yang dilakukan pada sistem.
Dengan cara yang analog dengan tahap 2, Anda dapat menghubungkan perubahan suhu dengan pekerjaan yang dilakukan pada sistem, dan sebenarnya ekspresinya persis sama:
W = nC_v∆T
Namun, kali ini, Anda harus ingat bahwa perubahan suhu positif, sehingga perubahan energi internal juga positif, dengan persamaan:
U = \frac{3}{2}nR∆T
Pada titik ini, sistem telah kembali ke keadaan awalnya, dan demikian juga energi internal, volume, dan tekanan awal. Siklus Carnot membentuk loop tertutup padaPV-diagram (plot tekanan vs. volume) atau memang pada diagram T-S suhu vs. entropi.
Efisiensi Carnot
Dalam siklus Carnot penuh, perubahan total energi internal adalah nol karena keadaan akhir dan keadaan awal adalah sama. Menjumlahkan usaha yang dilakukan dari keempat tahap, dan mengingat bahwa pada tahap 1 dan 3 usaha sama dengan kalor yang dipindahkan, usaha total yang dilakukan diberikan oleh:
\begin{aligned} W &= Q_h + nC_v∆T - Q_c - nC_v∆T \\ &= Q_h- Q_c \end{aligned}
DimanaQh adalah panas yang ditambahkan ke sistem pada tahap 1 danQc adalah panas yang hilang dari sistem pada tahap 3, dan ekspresi untuk pekerjaan pada tahap 2 dan 4 dibatalkan (karena ukuran perubahan suhu adalah sama). Karena mesin dirancang untuk mengubah energi panas menjadi kerja, Anda menghitung efisiensi mesin Carnot menggunakan: efisiensi = kerja / kalor yang ditambahkan, jadi:
\begin{aligned} \text{Efisiensi }&= \frac{W}{Q_h} \\ \\ &= \frac{Q_h - Q_c}{Q_h} \\ \\ &= 1 - \frac{T_c}{ T_h} \end{selaras}
Sini,Tc adalah suhu reservoir dingin danTh adalah suhu reservoir panas. Ini memberikan batas efisiensi maksimum untuk mesin panas, dan ekspresi menunjukkan bahwa Carnot efisiensi lebih besar ketika perbedaan antara suhu reservoir panas dan dingin adalah lebih besar.