Siklus Carnot merupakan siklus termodinamika ideal (teoritis) yang digunakan untuk menghitung efisiensi tertinggi yang mungkin terjadi pada sebuah mesin yang bekerja di antara dua suhu reservoir. Aplikasi mesin secara riil di dunia nyata selalu memiliki efisiensi di bawah efisiensi Carnot.

Contoh siklus yang diaplikasikan di dunia nyata antara lain:

• Siklus Rankine → pada pembangkit listrik tenaga uap.
• Siklus Brayton → pada pembangkit listrik tenaga gas.
• Siklus Otto → pada kendaraan bermesin pembakaran internal (internal combustion engine) dengan bahan bakar bensin.
• Siklus Diesel → pada kendaraan bermesin pembakaran internal (internal combustion engine) dengan bahan bakar solar.

Jadi, siklus termodinamika yang digunakan pada mesin riil adalah (1), (2), dan (3).

Siklus Carnot merupakan siklus termodinamika ideal (teoritis) yang digunakan untuk menghitung efisiensi tertinggi yang mungkin terjadi pada sebuah mesin yang bekerja di antara dua suhu reservoir. Aplikasi mesin secara riil di dunia nyata selalu memiliki efisiensi di bawah efisiensi Carnot.

Contoh siklus yang diaplikasikan di dunia nyata antara lain:

• Siklus Rankine → pada pembangkit listrik tenaga uap.
• Siklus Brayton → pada pembangkit listrik tenaga gas.
• Siklus Otto → pada kendaraan bermesin pembakaran internal (internal combustion engine) dengan bahan bakar bensin.
• Siklus Diesel → pada kendaraan bermesin pembakaran internal (internal combustion engine) dengan bahan bakar solar.

Jadi, siklus termodinamika yang diaplikasikan pada kendaraan bermotor adalah siklus Otto dan siklus Diesel.

Diketahui:

Suhu reservoir dingin $T_{\text{C}}$ = 27 °C = 300 K

Efisiensi $\eta$ = 80% = 0,8

Ditanya:

Suhu reservoir panas $T_{\text{H}}$ = ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$ di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin.

Lakukan sedikit manipulasi terhadap persamaan tersebut

$\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$

$\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}=1-\eta$

$T_{\text{H}}=\frac{T_{\text{C}}}{1-\eta}$

Sehingga,

$T_{\text{H}}=\frac{T_{\text{C}}}{1-\eta}$

$=\frac{300}{1-0,8}$

$=\frac{300}{0,2}$

$=1.500$ K

atau

$T\left(°\text{C}\right)=T\left(\text{K}\right)-273$

$=1.500-273$

$=1.227$ °C

Jadi, suhu pada reservoir panas adalah sebesar 1.227 °C.

Diketahui:

Koefisien performansi $C_P$ = 4,5

Suhu ruang di luar mesin atau suhu reservoir panas $T_{\text{H}}$ = 27 °C = 300 K

Ditanya:

Suhu di dalam mesin pendingin atau suhu reservoir dingin $T_{\text{C}}$ = ?

Jawab:

Mesin pendingin disebut juga sebagai pompa kalor (heat pump). Mesin ini memanfaatkan usaha ($W$) untuk memindahkan kalor melawan gradien suhu, yaitu dari reservoir dingin ( $T_{\text{C}}$) menuju reservoir panas ($T_{\text{H}}$). Efisiensi pada mesin pendingin dapat dicari menggunakan koefisien performansi $C_P=\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}-T_{\text{C}}}$ dimana $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas dan $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin.

$C_P=\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}-T_{\text{C}}}$

$4,5=\frac{T_{\text{C}}}{300-T_{\text{C}}}$

$1.350-4,5T_{\text{C}}=T_{\text{C}}$

$5,5T_{\text{C}}=1.350$

$T_{\text{C}}=245,45$ K

atau

$T\left(°\text{C}\right)=T\left(\text{K}\right)-273$

$=245,45-273$

$=-27,55$ °C

Jadi, suhu di dalam mesin pendingin tersebut adalah -27,55 °C.

Diketahui:

Grafik siklus carnot.

Suhu reservoir dingin $T_{\text{C}}$ = 300 K

Suhu reservoir panas $T_{\text{H}}$ = 400 K

Kalor dari reservoir panas $Q_{\text{H}}$ = 500 J

Ditanya:

Besar usaha $W$ = ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal dimana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$ dimana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin.

Efisiensi ini adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}$ dimana $W$ adalah usaha dan $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas.

Cari efisiensinya terlebih dahulu.

 $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$

$=1-\frac{300}{400}$

$=1-0,75$

$=0,25$

Lalu, cari usaha yang dihasilkan.

 $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}$

 $W=\eta Q_{\text{H}}$

$=0,25\left(500\right)$

$=125$ J

Jadi, besarnya usaha yang dilakukan oleh siklus tersebut adalah 125 J.

Diketahui:

Suhu reservoir dari beberapa mesin.

Ditanya:

Efisiensi ($\eta$) tertinggi hingga terendah = ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$  di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin. 

Hitung efisiensi dari masing-masing mesin terlebih dahulu.

Mesin A

 $\eta_{\text{A}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{A}}}}{T_{\text{H}_{\text{A}}}}$

$=1-\frac{200}{400}$

$=1-0,5$

$=0,5$

Mesin B

 $\eta_{\text{B}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{B}}}}{T_{\text{H}_{\text{B}}}}$

$=1-\frac{500}{1.000}$

$=1-0,5$

$=0,5$

Mesin C

 $\eta_{\text{C}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{C}}}}{T_{\text{H}_{\text{C}}}}$

$=1-\frac{150}{300}$

$=1-0,5$

$=0,5$

Jadi, urutan efisiensi mesin dari yang tertinggi adalah semua mesin memiliki efisiensi yang sama.

Diketahui:

Suhu reservoir panas $T_{\text{H}}$ = 800 K

Suhu reservoir dingin $T_{\text{C}}$ = 400 K

Kalor masukan dari reservoir panas $Q_{\text{H}}$ = 30 kJ

Usaha riil yang dihasilkan $W_{\text{riil}}$ = 10 kJ

Ditanya:

Rugi-rugi usaha $W_{\text{rugi}}$ = ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin.

Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$  di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin.

Pada mesin kalor di kondisi riil, terdapat rugi-rugi daya yang dihasilkan akibat adanya rugi panas, rugi bunyi, rugi gesekan, dan rugi inersia. Sehingga, persamaan efisiensi sebelumnya tidak berlaku lagi. Efisiensi pada mesin kalor secara umum didefinisikan perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}$ di mana $W$ adalah usaha dan $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas.

Cari efisiensi carnotnya terlebih dahulu

 $\eta_{\text{carnot}}=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$  

$=1-\frac{400}{800}$

$=1-\frac{1}{2}$

$=\frac{1}{2}$

Sehingga apabila mesin bekerja secara maksimal tanpa adanya rugi-rugi daya yang seharusnya dihasilkan adalah

 $\eta_{\text{carnot}}=\frac{W_{\text{ideal}}}{Q_{\text{H}}}$

$W_{\text{ideal}}=\eta_{\text{carnot}}Q_{\text{H}}$

$=\frac{1}{2}\left(30\right)$

$=15$ kJ

Maka besarnya energi yang hilang adalah sebesar

$W_{\text{rugi}}=W_{\text{ideal}}-W_{\text{riil}}$

$=15-10$

$=5$ kJ

Jadi, rugi-rugi usaha yang dialami mesin ini adalah sebesar 5 kJ.

Diketahui:

Suhu reservoir panas $T_{\text{H}}$ = 1.200 K

Suhu reservoir dingin $T_{\text{C}}$ = 400 K

Suhu awal air $T_0$ = 30 °C

Debit air $D$ = 0,01 m³/s (simbol debit air diganti $D$ untuk mencegah kerancuan dengan kalor $Q$)

Kalor yang disuplai ke dalam pembangkit $\frac{Q_{\text{H}}}{t}$ = 1.200 kJ/s

Kalor jenis air $c$ = 4.200 J/kg °C

Massa jenis air $\rho$ = 1.000 kg/m³

Ditanya:

Suhu akhir air $T$ = ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Efisiensi pada sebuah mesin kalor adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}=1-\frac{Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$ di mana $W$ adalah usaha, $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas, dan $Q_{\text{C}}$ adalah kalor dari reservoir dingin.

Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$  di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin. 

Hitung efisiensi pembangkit dan kalor yang dilepaskan ke reservoir dingin (kalor buang). Bagi masing-masing $Q$ dengan $t$ untuk mendapatkan laju aliran kalor.

$\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$

$1-\left(\frac{\frac{Q_{\text{C}}}{t}}{\frac{Q_{\text{H}}}{t}}\right)=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$

$\frac{Q_{\text{C}}}{t}=\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}\left(\frac{Q_{\text{H}}}{t}\right)$

$\frac{Q_{\text{C}}}{t}=\frac{400}{1.200}\left(1.200\right)$

$\frac{Q_{\text{C}}}{t}=400$ kJ/s

$\frac{Q_{\text{C}}}{t}=400.000$ J/s

Kemudian, hitung laju alir massa air.

$\frac{m}{t}=\rho D$

$\frac{m}{t}=\left(1.000\right)\left(0,01\right)$

$\frac{m}{t}=10$ kg/s

Besarnya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 K atau 1 $^o\text{C}$ dengan nilai kalor jenis tertentu memenuhi persamaan $Q=mc\Delta T$ di mana $m$ adalah massa, $c$ adalah kalor jenis, dan $\Delta T$ adalah perubahan suhu.

Terakhir, hitung kenaikan suhu. Bagi $t$ pada kedua ruas untuk mendapatkan laju aliran kalor. $Q$ yang digunakan adalah suhu buangan yaitu $Q_{\text{C}}$

$Q=mc\Delta T$

$\frac{Q_{\text{C}}}{t}=\frac{mc\Delta T}{t}$

$\Delta T=\frac{\left(\frac{Q_{\text{C}}}{t}\right)}{\left(\frac{m}{t}\right)c}$

$\Delta T=\frac{400.000}{10\left(4.200\right)}$

$\Delta T=9,52$ °C

Sehingga suhunya menjadi

$T=T_0+\Delta T$

$T=30+9,52$

$T=39,52$ °C

Jadi, suhu air naik menjadi 39,52 °C.

Diketahui:

Suhu reservoir panas mesin A $T_{\text{H}_{\text{A}}}$= 1.000 K

Suhu reservoir dingin mesin A $T_{\text{C}_{\text{A}}}$= 500 K

Suhu reservoir panas mesin B $T_{\text{H}_{\text{B}}}$= 500 K

Suhu reservoir dingin mesin B $T_{\text{C}_{\text{B}}}$= 300 K

Kalor panas ke mesin A $Q_{\text{H}_{\text{A}}}$= 100 kJ

Ditanya:

Kalor dingin dari mesin B $Q_{\text{C}_{\text{B}}}$= ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Efisiensi pada sebuah mesin kalor adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}=\frac{Q_{\text{H}}-Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$ di mana $W$ adalah usaha, $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas, dan $Q_{\text{C}}$ adalah kalor dari reservoir dingin.

Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$  di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin. 

Hitung efisiensi dari masing-masing mesin terlebih dahulu.

Mesin A

 $\eta_{\text{A}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{A}}}}{T_{\text{H}_{\text{A}}}}$

$=1-\frac{500}{1.000}$

$=1-0,5$

$=0,5$

Mesin B

 $\eta_{\text{B}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{B}}}}{T_{\text{H}_{\text{B}}}}$

$=1-\frac{300}{500}$

$=1-0,6$

$=0,4$

Ubah persamaan efisiensi untuk mendapatkan nilai $Q_{\text{C}}$.

$\eta=\frac{Q_{\text{H}}-Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$

$\eta=1-\frac{Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$

$Q_{\text{C}}=\left(1-\eta\right)Q_{\text{H}}$

Besar kalor yang keluar dari mesin A adalah

$Q_{\text{C}_{\text{A}}}=\left(1-\eta_{\text{A}}\right)Q_{\text{H}_{\text{A}}}$

$=\left(1-0,5\right)\left(100\right)$

$=50$ kJ

Karena dipakai kembali, kalor buangan dari mesin A akan menjadi kalor masukan bagi mesin B. Besar kalor yang keluar dari mesin B adalah

$Q_{\text{C}_{\text{B}}}=\left(1-\eta_{\text{B}}\right)Q_{\text{H}_{\text{B}}}$

$=\left(1-0,4\right)\left(50\right)$

$=30$ kJ

Jadi, besarnya kalor gas buang mesin B adalah 30 kJ.

Diketahui:

Massa lokomotif $m$ = 10 ton = 10.000 kg

Reservoir suhu tinggi $T_{\text{H}}$ = 2.000 K

Reservoir suhu rendah $T_{\text{C}}$ = 400 K

Efisiensi mesin $\eta$ = $25\%\times\eta_{\text{maks}}$

Jarak $d$ = 100 km = 100.000 m

Koefisien gesekan $\mu$ = 1

Percepatan gravitasi $g$ = 10 m/s

Ditanya:

Kalor yang dibutuhkan $Q_{\text{H}}$ = ?

Jawab:

Mesin pembakaran internal merupakan salah satu jenis mesin kalor riil, mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$ di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin.

Efisiensi ini adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}$ di mana $W$ adalah usaha dan $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas.

Pertama, cari terlebih dahulu usaha yang diperlukan oleh lokomotif kereta. Karena koefisien gesekan rel adalah 1, maka besarnya gaya gesek sama dengan gaya beratnya.

$W=Fd$

$W=mgd$

$W=\left(10.000\right)\left(10\right)\left(100.000\right)$

$W=10^{10}$ J

Efisiensi tertinggi yang bisa dicapai oleh sebuah mesin kalor adalah efisiensi mesin carnot. Karena efisiensi mesin hanya 25% dari efisiensi maksimalnya, maka:

$\eta=\frac{1}{4}\eta_{\text{maks}}$

$\frac{W}{Q_{\text{H}}}=\frac{1}{4}\left(1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}\right)$

$Q_{\text{H}}=\frac{W}{\frac{1}{4}\left(1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}\right)}$

$Q_{\text{H}}=\frac{10^{10}}{\frac{1}{4}\left(1-\frac{400}{2.000}\right)}$

$Q_{\text{H}}=5\times10^{10}$ J

Jadi, kalor yang dibutuhkan untuk mengerakkan lokomotif adalah $5\times10^{10}$ J.