Mesin carnot – rumus, cara kerja, kegunaan

Apa itu mesin Carnot?

Mesin Carnot adalah siklus mesin ideal di mana panas yang digunakan untuk melakukan usaha. Sistem dapat dipahami sebagai piston yang bergerak di dalam silinder menekan gas. Siklus yang dilakukan adalah siklus Carnot, yang diucapkan oleh bapak termodinamika, fisikawan dan insinyur Prancis Nicolas Léonard Sadi Carnot.

Carnot mengucapkan siklus ini pada awal abad ke-19. Mesin mengalami empat variasi keadaan, kondisi bolak-balik seperti suhu dan tekanan konstan, di mana variasi volume terlihat saat mengompresi dan mengembangkan gas.

Rumus

Menurut Carnot, menjadikan mesin ideal pada variasi suhu dan tekanan adalah mungkin untuk memaksimalkan kinerja yang diperoleh.

Siklus Carnot harus dianalisis secara terpisah di masing-masing dari empat fase: ekspansi isotermal, ekspansi adiabatik, kompresi isotermal , dan kompresi adiabatik.

mesin carnot

Rumus yang terkait dengan masing-masing fase siklus yang dilakukan di mesin Carnot akan dirinci di bawah ini.

Ekspansi isotermal (A → B)

Premis dari fase ini adalah sebagai berikut:

  • Volume gas : dari volume minimum ke volume sedang.
  • Suhu mesin : suhu konstan T1, nilai tinggi (T1> T2).
  • Tekanan mesin : turun dari P1 ke P2.

Proses isotermal menyiratkan bahwa suhu T1 tidak berubah selama fase ini. Perpindahan kalor menginduksi pemuaian gas, yang menginduksi gerakan pada piston dan menghasilkan kerja mekanis.

Saat gas mengembang, ia memiliki kecenderungan untuk mendingin. Namun, ia menyerap panas yang dipancarkan oleh sumber suhu dan mempertahankan suhu konstan selama ekspansi.

Karena suhu tetap konstan selama proses ini, energi internal gas tidak berubah, dan semua kalor yang diserap oleh gas secara efektif diubah menjadi usaha A):

mesin carnot

Untuk bagiannya, pada akhir fase siklus ini juga dimungkinkan untuk mendapatkan nilai tekanan menggunakan persamaan gas ideal. Dengan demikian, kita memiliki yang berikut:

mesin carnot

Dalam ungkapan ini:

  • P 2 : Tekanan pada akhir fase.
  • V b : Volume di titik b.
  • n : Jumlah mol gas
  • A: Konstanta universal gas ideal. R = 0,082 (atm * liter) / (mol * K).
  • T1: Suhu mutlak awal, derajat Kelvin.

Ekspansi adiabatik (B → C)

Selama fase proses ini, ekspansi gas terjadi tanpa perlu pertukaran panas. Dengan demikian, tempat tersebut dirinci di bawah ini:

  • Gas Volume: ia pergi dari volume yang menengah ke volume maksimal.
  • Temperatur mesin : turun dari T1 ke T2.
  • Tekanan mesin : tekanan konstan P2.

Proses adiabatik menyiratkan bahwa tekanan P2 tidak bervariasi selama fase ini. Temperatur menurun dan gas terus memuai hingga mencapai volume maksimumnya; yaitu, piston mencapai berhenti.

Dalam hal ini, usaha yang dilakukan berasal dari energi dalam gas dan nilainya negatif karena energinya berkurang selama proses ini.

mesin carnot

Dengan asumsi itu adalah gas ideal, teori menyatakan bahwa molekul gas hanya memiliki energi kinetik. Menurut prinsip termodinamika, ini dapat disimpulkan dengan rumus berikut:

mesin carnot

Dalam rumus ini:

  • U b → c : Variasi energi dalam gas ideal antara titik b dan c.
  • n : Jumlah mol gas
  • Cv : Kapasitas kalor molar gas
  • T1: Suhu mutlak awal, derajat Kelvin.
  • T2: Suhu akhir mutlak, derajat Kelvin.

Kompresi isotermal (C → D)

Pada fase ini kompresi gas dimulai; yaitu, piston bergerak ke dalam silinder, di mana gas mengecilkan volumenya.

Kondisi yang melekat pada fase proses ini dirinci di bawah ini:

  • Volume gas : itu pergi dari volume maksimum ke volume menengah.
  • Temperatur mesin : temperatur konstan T2, nilai tereduksi (T2 <T1).
  • Tekanan mesin : meningkat dari P2 ke P1.

Di sini tekanan pada gas meningkat, sehingga mulai memampatkan. Namun, suhu tetap konstan dan, oleh karena itu, variasi energi internal gas adalah nol.

Analog dengan ekspansi isotermal, pekerjaan yang dilakukan sama dengan panas sistem. A) Ya:

mesin carnot

Hal ini juga layak untuk menemukan tekanan pada titik ini menggunakan persamaan gas ideal.

Kompresi adiabatik (D → A)

Ini adalah fase terakhir dari proses, di mana sistem kembali ke kondisi awal. Untuk ini, kondisi berikut dipertimbangkan:

  • Volume gas : itu pergi dari volume menengah ke volume minimum.
  • Temperatur mesin : meningkat dari T2 ke T1.
  • Tekanan mesin : tekanan konstan P1.

Sumber panas yang tergabung dalam sistem pada fase sebelumnya ditarik, sehingga gas ideal akan menaikkan suhunya selama tekanan tetap konstan.

Gas kembali ke kondisi awal suhu (T1) dan volumenya (minimum). Sekali lagi, usaha yang dilakukan berasal dari energi internal gas, jadi Anda harus:

mesin carnot

Serupa dengan kasus pemuaian adiabatik, variasi energi gas dapat diperoleh melalui persamaan matematis berikut:

mesin carnot

Bagaimana cara kerja mesin Carnot?

Mesin Carnot bekerja sebagai mesin di mana kinerja dimaksimalkan dengan memvariasikan proses isotermal dan adiabatik, bergantian fase ekspansi dan kompresi gas ideal.

mesin carnot

Mekanisme dapat dipahami sebagai perangkat ideal yang melakukan kerja yang dikenai variasi panas, mengingat adanya dua sumber suhu.

Dalam fokus pertama, sistem terkena suhu T1. Ini adalah suhu tinggi yang memberi tekanan pada sistem dan menyebabkan gas mengembang.

Pada gilirannya, ini diterjemahkan ke dalam pelaksanaan pekerjaan mekanis yang memungkinkan mobilisasi piston keluar dari silinder, dan yang berhentinya hanya mungkin melalui ekspansi adiabatik.

Kemudian datang fokus kedua, di mana sistem terkena suhu T2, lebih rendah dari T1; yaitu, mekanisme mengalami pendinginan.

Ini menginduksi ekstraksi panas dan penghancuran gas, yang mencapai volume awalnya setelah kompresi adiabatik.

Kegunaan

Mesin Carnot telah banyak digunakan berkat kontribusinya dalam memahami aspek terpenting termodinamika.

Model ini memungkinkan pemahaman yang jelas tentang variasi gas ideal yang tunduk pada perubahan suhu dan tekanan, menjadikannya metode referensi saat merancang mesin nyata.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan