Jika kalor yang terbuang 2000 joule, besar usaha yang dihasilkan mesin adalah

Table of Contents Show

Table of Contents
Rumus Usaha Mesin Carnot
Rumus Efisiensi Mesin Carnot
Soal latihan mesin Carnot
Video yang berhubungan

10th-13th grade
Ilmu Pengetahuan Alam

Siswa

Qanda teacher - Q_chan

Beritahu apabila masih ada yang tidak dimengerti yah!

Besar usaha (W) dan efisiensi mesin Carnot (η) dipengaruhi oleh nilai kalor (Q) dan suhu (T) yang terlibat dalam sebuah sistem. Di mana besar usaha yang dilakukan mesin Carnot sama dengan banyak kalor yang diserap. Sementara efisiensi mesin Carnot adalah perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem terhadap energi kalor yang diserapnya. Satuan usaha mesin Carnot dinyatakan dalam Joule (J) dan efisiensi mesin Carnot dinnyatakan dalam persen.

Mesin Carnot disebut juga mesin kalor adalah alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Konsep mengenai kerja mesin Carnot diperkenalkan oleh Sadi Carnot yang pemanfaatannya terdapat di berbagai kerja mesin seperti pada lokomotif uap.

Bahasan mesin Carnot termasuk dalam termodinamika yaitu cabang ilmu Fisika yang mempelajari hubungan antara panas/kalor dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Pokok bahasan dalam mesin Carnot adalah bagaimana suatu mesin kalor dapat menghasilkan efisiensi tertinggi. Kerja mesin Carnot sesuai siklus Carnot yang terdiri dari empat tahapan proses termodinamika yaitu pemuaian isotermal, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal, dan pemampatan adibatik.

Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Sedangkan proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor (Q) yang masuk atau keluar dari sistem. Diketahui bahwa kalor yang masuk atau keluar mesin Carnot sebanding dengan suhu mutlaknya. Dengan demikian dapat diperoleh persamaan antara nilai kalor dan suhunya dengan hubungan sebanding yaitu Q2/Q2= T2/T1.

Baca Juga: Penerapan Asas Black untuk Memecahkan Masalah Kalor

Bagaimana cara menghitung besar usaha (W) yang dilakukan mesin Carnot? Bagaimana cara mengetahui besar efisiensi mesin Carnot? Sobat idschool dapat mencari tahu jawabannya melalui ulasan di bawah.

Rumus Usaha Mesin Carnot

Proses yang terjadi dalam siklus Carnot adalah sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2. Pada siklus Carnot, proses selalu kembali ke keadaan semula sehingga ΔU = 0.

Besar usaha yang dilakukan mesin Carnot sama dengan luas daerah di dalam siklus suatu sistem. Sehingga besar usaha (W) yang dilakukan mesin Carnot sesuai dengan persamaan berikut.

Contoh S0al:
Suatu mesin Carnot bekerja di antara suhu 600oK dan 300oK serta menerima kalor sebesar 1.000 joule. Berapakah besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus?

Penyelesaian:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh beberapa informasi seperti berikut.

Kalor yang diterima: Q1 = 1.000 J
Rentang suhu kerja mesin: T1 = 600oK dan T2 = 300oK

Sebelum menghitung besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus, perlu mengetahui besar kalor yang dilepas terlebih dahulu.

Menghitung kalor yang dilepas sistem pada mesin Carnot (Q2):

Menghitung besar usaha yang dilakukan mesin:
W = Q1 – Q2
W = 1.000 J – 500 J = 500 J

Jadi, besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah 500 J.

Baca Juga: Cara Menghitung Suhu Akhir Campuran

Rumus Efisiensi Mesin Carnot

Sebuah mesin mengubah energi kalor (Q) dengan besar usaha (W) yaitu banyak kalor yang diserap atau diubah ke bentuk energi lain. Efisiensi mesin secara umum adalah perbandingan usaha yang dilakukan oleh mesin dengan energi yang dibutuhkan. Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling tinggi sehingga diketahui sebagai efisiensi yang paling besar.

Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q1) disebut sebagai efisiensi mesin Carnot. Efisiensi mesin Carnot secara matematik dapat dinyatakan melalui tiga persamaan berikut.

Dalam prakteknya, mesin ideal hanya ada di dalam teori karena tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Kondisi ini terjadi karena semua mesin mendapat pengaruh faktor lain seperti hambatan udara/angin atau gesekan.

Contoh Soal:
Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 oK dan memiliki efisiensi 40%. Berapakah suhu pada reservoir bersuhu rendah?

Diketahui:Efisiensi mesin Carnot: η = 40%
Suhu pada reservoir bersuhu tinggi: T1 = 800 oK

Cara menghitung suhu pada reservoir bersuhu rendah (T2):

Jadi, besar suhu pada reservoir bersuhu rendah mesin Carnot tersebut adalah 480oK.

Baca Juga: Besar Kalor yang Dibutuhkan pada Perubahan Wujud Benda dan Grafiknya

Postingan ini membahas contoh soal mesin Carnot / siklus Carnot dan pembahasannya atau penyelesaiannya. Mesin Carnot merupakan model mesin ideal yang dapat meningkatkan efisiensi melalui suatu siklus yang dikenal dengan siklus Carnot. Rumus yang berlaku pada mesin Carnot sebagai berikut:

E = ( ) x 100 %
E = (1 – ) x 100 %
E = (1 – ) x 100 %

Keterangan:

E = Efisiensi mesin Carnot
W = usaha
Q1 = kalor masuk / kalor yang diserap mesin
Q2 = kalor keluar / kalor yang dilepas mesin
T2 = suhu rendah (K)
T1 = suhu tinggi (K)

Contoh soal 1 (UN 2013)

Perhatikan grafik siklus Carnot ABCDA dibawah ini.

Siklus Carnot contoh soal 1

Berdasarkan data grafik diatas, efisiensi mesin Carnot adalah…A. 10% B. 20% C. 25% D. 30%

E. 35%

Pembahasan / penyelesaian soal

E = (1 – ) x 100 %
E = (1 – ) x 100 %
E = ( – ) x 100 %
E = x 100% = 30%

Soal ini jawabannya D.

Contoh soal 2 (UN 2013)

Pada grafik P-V mesin Carnot berikut diketahui reservoir suhu tinggi 600 K dan suhu rendah 400 K.

Jika usaha yang dilakukan mesin W, maka kalor yang dikeluarkan pada suhu rendah adalah…A. W B. 2 W C. 3 W D. 4 W

E. 6 W

Pembahasan / penyelesaian soal

E = 1 –
E = – = =
E =
Q

= = = 3W
W = Q

– Q

= Q

– W = 3W – W = 2W

Soal ini jawabannya B.

Contoh soal 3 (UN 2013)

Pada grafik P-V mesin Carnot dibawah ini diketahui usaha yang dilakukan 7200 J.

Grafik mesin Carnot nomor 3

Besar kalor yang dilepas sistem adalah…A. 21.600 J B. 18.400 J C. 10.800 J D. 3.600 J

E. 1.800 J

Pembahasan / penyelesaian soal

E = 1 –
E = – = =
E =
Q

= = = 10.800 J
W = Q

– Q

= Q

– W = 10.800 J – 7.200 J = 3.600 J

Soal ini jawabannya D.

Contoh soal 4

Sebuah mesin menyerap panas sebesar 2.000 J dari suatu reservoir suhu tinggi dan membuangnya sebesar 1.200 J pada reservoir suhu rendah. Efisiensi mesin itu adalah…A. 80% B. 75% C. 60% D. 50%

E. 40%

Pembahasan / penyelesaian soal

E = (1 – ) x 100 %
E = (1 – ) x 100 %
E = ( – ) x 100 % = x 100% = 60%

Soal ini jawabannya C.

Contoh soal 5

Perhatikan grafik P-V dibawah ini.

Grafik P-V mesin Carnot nomor 5

Jika kalor yang diserap (Q1) = 10.000 joule maka besar usaha yang dilakukan mesin Carnot adalah…A. 1.500 J B. 4.000 JC. 5.000 J D. 6.000 J

E. 8.000 J

Pembahasan / penyelesaian soal

E = 1 – = 0,5
E =
W = W. Q

= 10.000 J x 0,5 = 5.000 J

Soal ini jawabannya C.

Contoh soal 6 (UN 2014)

Sebuah mesin Carnot bekerja pada reservoir suhu tinggi 600 K mempunyai efisiensi 40%. Supaya efisiensi mesin menjadi 75% dengan suhu reservoir rendah tetap, maka reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi…A. 480 K B. 840 K C. 900 K D. 1028 K

E. 1440 K

Pembahasan / penyelesaian soal

E = (1 – ) x 100 %
40% = (1 – ) x 100 %
1 – = = 0,4
= 1 – 0,4 = 0,6
T

= 0,6 . 600 K = 360 K.

Selanjutnya kita hitung suhu T1 ketika efisiensi dinaikkan menjadi 75% = 0,75 dengan cara dibawah ini:

E = 1 –
0,75 = 1 –
= 1 – 0,75 = 0,25
T

= = 1.440 K

Soal ini jawabannya E.

Contoh soal 7

Sebuah mesin Carnot dengan reservoir suhu tinggi 800 K memiliki efisiensi 20%. Agar efisiensinya meningkat menjadi 36% dengan reservoir suhu rendah tetap, maka suhu pada reservoir suhu tinggi diubah menjadi…A. 527°C B. 727°C C. 840°C D. 1000 °C

E. 1.273 °C

Pembahasan / penyelesaian soal

E = 1 –
0,2 = 1 –
= 1 – 0,2 = 0,8
T

= 0,8 x 800 K = 640 K Selanjutnya kita hitung suhu tinggi ketika efisiensi = 36% = 0,36

0,36 = 1 –

= 1 – 0,36 = 0,64
T

= = 1000 K = 1273 °C

Soal ini jawabannya E.

Soal latihan mesin Carnot

Soal 1 – Sebuah mesin Carnot dengan reservoir suhu tinggi 600 K memiliki efisiensi 20%. Agar efisiensinya meningkat menjadi 52%, maka suhu pada reservoir tinggi diubah menjadi…A. 720 K B. 840 K C. 920 K D. 1000 K

E. 1200 K

Soal 2 – Suatu mesin Carnot mempunyai reservoir suhu tinggi 373°C dan reservoir suhu rendah 50°C. Efisiensi mesin yang dihasilkan mesin tiap siklus adalah…A. 50% B. 58% C. 70% D. 85%

E. 137%

Soal 3 – Suatu mesin Carnot menggunakan reservoir suhu tinggi 900 K mempunyai efisiensi 60%. Suhu reservoir rendah adalah…A. 700 K B. 400 K C. 387°C D. 360°C

E. 187°C

Soal 4 – Sebuah mesin bekerja dalam suatu mesin Carnot seperti gambar dibawah ini.

Jika kalor yang terbuang 2000 J, besar usaha yang dihasilkan mesin adalah…A. 800 J B. 8000 J C. 12.000 J D. 20.000 J

E. 80.000 J

Soal 5 – Perhatikan gambar.

Sebuah mesin kalor bekerja dalam suatu siklus Carnot dari suhu tinggi ke suhu rendah. Jika mesin menyerap kalor Q1 dari suhu tinggi dan membuang kalor Q2, maka usaha yang dihasilkan dalam satu siklus adalah…A. 0,6 kkal B. 1,4 kkal C. 22 kkal D. 58 kkal

E. 80 kkal

Contoh soal mesin carnotmesin Carnotpembahasan soal mesin Carnot