MESIN CARNOT

Mesin kalor yang beroperasi paling efisien di antara suatu penampung temperatur tinggi dan suatu penampung temperatur renah adalah mesin carnot. Ini adalah suatu mesin ideal yang menggunakan proses-proses reversibel untuk membentuk siklus operasinya; jadi mesin ini disebut juga sebagai mesin reversibel. Kita akan menentukan efisiensi dari mesin carnot dan mengevaluasi operasi baliknya. Mesin carnot sangat berguna, karena efisiensinya menentukan efisiensi maksimum yang mungkin dapat dicapai oleh mesin faktual manapun. Jika efisiensi dari suatu mesin faktual jauh lebih rendah dari efisiensi dari mesin carnot yang di operasikan diantara limit-limit  yang sama, maka masih dapat dilakukan perbaikan-perbaikan.

Siklus yang diasosiasikan dengan mesin carnot ditunjukkan dalam Gbr. 5-8 dengan menggunakan gas ideal sebagai zat kerjanya. Siklus ini terdiri dari empat proses reversibel berikut:

1→2: Ekspansi isotermal. Kalor dipindahkan secara reversibel dari penampung temperatur tinggi pada temperatur konstan T_H. Piston di dalam silinder ditarik dan volume bertambah.

2→3: Ekspansi adiabatik reversibel. Silinder sepenuhnya terinsulasi sehingga tidak terjadi perpindahan kalor selama proses reversibel berlangsung. Piston terus ditarik dan volume semakin bertambah.

3→4: Kompresi isotermal. Kalor dipindahkan secara reversibel ke penampung temperatur rendah pada temperatur konstan T_L. piston menekan zat kerja dan volume berkurang.

4→1: Kompresi adiabatik reversibel. Silinder yang sepenuhnya terinsulasi menyebabkan tidak terjadinya perpindahan kalor selama proses reversibel ini. Piston terus menekan zat kerja sampai volume, temperatur dan tekanan awal tercapai, dan dengan demikian menyelesaikan siklus ini.

Dengan menerapkan hukum pertama pada siklus ini, kita perhatikan bahwa

Q_H – Q_L = W_net

Di mana Q_L diasumsikan memiliki nilai positif untuk perpindahan kalor ke penampung temperatur rendah. Ini memungkinkan kita untuk menuliskan efisiensi termal untuk siklus carnot sebagai

Contoh-contoh berikut akan digunakan untuk membuktikan dua di antara tiga postulasi:

Postulasi 1: Tidaklah mungkin untuk membuat sebuah mesin, yang dioperasikan di antara dua penampung temperatur tertentu, yang memiliki efisiensi lebih dari mesin carnot.

Postulasi 2: Efisiensi mesin carnot tidak bergantung pada zat kerja yang digunakan atau fitur design tertentu dari mesin tersebut.

Portulasi 3: semua mesin yang reversibel, yang dioperasikan di antara dua penampung temperatur tertentu, memiliki efisiensi yang sama dengan mesin carnot yang dioperasikan di antara dua penampung temperatur yang sama.

Sumber: Potter, Merle C dan Somerton, Craig W. 2008. Termodinamika Teknik. Erlangga: Jakarta.