Mesin panas dan Refrigerator Sejumlah proses yang membawa sistem kembali ke keadaan semula di sebut daur atau siklus. Pada tiap bagian proses itu dapat terjadi aliran panas masuk ke atau keluar dari sistem Bila panas yang masuk ke dalam sistem lebih besar daripada panas yang dikeluarkan dari sistem dan kerja dilakukan oleh sistem, maka sistem itu disebut mesin panas ( heat engine). Bila panas yang keluar dari sistem lebih besar dan kerja yang dilakukan terhadap sistem maka sistem disebut refrigerator.

Tujuan mesin panas adalah menghasilkan kerja terus-menerus ke luar, dengan cara melakukan siklus itu secara berulang-ulang. Bila panas yang masuk adalah Q2 dan panas yang keluar adalah Q1 serta kerja yang dilakukan oleh sistem adalah W, maka efisiensi termal mesin didefinisikan sebagai 5.40 Karena proses itu adalah siklik, maka  U = 0 , sehingga Dari hukum I termodinamika diperoleh I W I = IQ2I – IQ1I

Persamaan 5.40 menjadi 5.41 Transformasi panas menjadi kerja dapat diperoleh dari dua mesin: yaitu: mesin bakar luar ( seperti mesin stirling dan mesin uap), dan mesin bakar dalam ( seperti, mesin diesel).

Mesin Stirling Mesin ini diciptakan oleh Robert Stirling pada tahun 1816, sebelum termodinamika sendiri berkembang. Mesin udara panas ini dapat mengubah sebagian dari tenaga yang dilepaskan oleh bahan bakar yang terbakar menjadi kerja. Setelah mesin uap dan mesin bakar dalam berkembang, mesin stirling tidak lagi banyak dipakai. Mesin ini memiliki efisiensi yang tinggi, tetapi biaya pembuatannya mahal.

Mesin ini memiliki dua piston, yaitu piston untuk ekspansi dan piston untuk kompresi. Siklus terdiri atas dua isotermal dan dua isometrik. 3 p I Q2I 4 T2 2 T1 I Q1I 1 V Gbr.5.1

Pada proses 1  2 : proses kompresi isotermal pada suhu T1, panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem. Pada proses 2  3 proses isometrik , suhu naik dari T1 ke T2 dan tekanan juga naik dari p1 ke p2, tidak ada kerja yang dilakukan. Pada proses 3  4: proses ekspansi isotermal pada suhu T2, panas Q2 masuk ke dalam sistem, sementara kerja dilakukan oleh sistem, akhirnya Pada proses 4  1: proses isometrik, suhu turun dari T2 ke T1 dan tekanan juga turun dari p4 ke p1, tidak ada kerja yang dilakukan.

Pada proses 1  2 adalah proses isotermal pada suhu T1 , sehingga tidak ada perubahan energi dalam, karena itu Q1 = W1-2, dan apabila zat pelaku kerja itu adalah gas sempurna, maka Pada proses dari 3  4 adalah proses isotermal pada suhu T2 sehingga

Dari kedua persmaan diperoleh Q1/Q2 = nRT1 (ln V2- ln V1)/ nRT2(lnV1 – lnV2) = - T1/T2 5.42

Mesin Carnot Carnot, dalam tahun 1824,adalah orang yang pertama kali memperkenalkan suatu proses siklik sederhana ke dalam teori termodinamika yang sekarang dikenal sebagai siklus Carnot. Carnot pada awalnya tertarik dalam meningkatkan efisiensi mesin uap. Perhatian Carnot bukan hanya dicurahkan pada masalah mekanis, tetapi lebih dicurahkan pada usaha untuk memahami asas-asas fisis mendasar yang menyangkut masalah efisiensi. Usaha Carnot merupakan landasan pengetahuan tentang termodinamika.

Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan sistem apapun (boleh zat padat, cair atau gas, atau juga selaput permukaan, atau zat paramagnetik). Siklus Carnot untuk gas sempurna adalah sebagai berikut a v p T1 T2 b c d Q2 Q1 Gbr. 5.2

Siklus Carnot terdiri dari empat proses Ekpansi isotermal dari a ke b pada suhu T1, Q2 masuk dan kerja dilakukan oleh sistem. Ekspansi adiabatik dari b ke c, suhu turun menjadi T1 dan kerja dilakukan oleh sistem Pemampatan isotermal pada suhu T1 dari c ke d.Panas Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap sistem. Pemampatan adiabatik dari d ke a, suhu naik dari T1 menjadi T2, dan kerja dilakukan terhadap siustem

Dari hukum I termodinamika W = (Q2-Q1) – (U2-U1) Karena U2 = U1 (karena proses siklik), maka W = Q2-Q1 Diagram alir siklus Carnot adalah sebagai berikut T2 Q2 W T1 Q1

Sesuai definisi efisiensi  = I W I/ IQ2I = (IQ2I – IQ1I) / IQ2I  = 1 – IQ1I) / IQ2I 5.43

W = kerja keluaran olehmesin, yang dapat dimanfaatkan Q2 = energi panas yang masuk, yang harus dibayar Q1= energi panas keluaran, yang tak berguna

Andaikan zat yang digunakan adalah gas sempurna, maka untuk proses isotermal dari a ke b, besar kerjanya Wa-b = nRT2 ln (Vb/Va) 5.44 Proses dari b k c adalah adiabatik ,Q = 0 W = - dU = - ncv dT, bila diintegralkan diperoleh Wb-c = ncv(T2-T1) 5.45 Proses dari c ke d adalah isotermal pada suhu T1 dan besar kerjanya W c-d = nRT1 ln(Vd/Vc) Proses dari d ke a adalah adiabatik W d-a = ncv (T1 –T2)

Q2 = (Ub-Ua) + Wa-b = Wa-b ( isotermal , U tetap) Q1 = - Wc-d ( negatif karena Wc-d negatif ) Dengan mengingat bahwa W da = - Wbc 5.45

Dari kedua proses adiabatik dapat diperoleh T2Vb-1 = T1Vc-1 dan T2Va-1 = T1Vd-1 Dari kedua persamaan yang terakhir diperoleh Vd/Vc = Va/Vb atau ln (Vd/Vc) = ln (Va/Vb) Atau ln (Vd/Vc) = - ln (Vb/Va) Bila hasil terakhir dimasukkan ke dalampersamaan 5. 45 diperoleh 5.46

Refrigerator Untuk refrigerator: Q1 = energi panas yang dihasilkan , yaitu energi panas yang dikeluarkan dari zat yang didinginkan W = kerja dari luar, yang harus dibayar Q2 = energi panas yang dibuang ke reservoir dengan suhu yang lebih tinggi Pada refrigerator didefinisikan koefisien unjuk kerja (coeficient of performance) sebagai;