Post on 05-Apr-2018
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
1/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 1
Siklus Carnot , Siklus Otto dan Siklus Diesel
OLEH :
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS MIPA
UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA
SINGARAJA
2011
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
2/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 2
1.1 Siklus Carnot
Secara eksperimen usaha dapat diubah seluruhnya menjadi kalor. Berdasarkan Hukum I
Termodinamika, Q = U + W , pada proses isothermal untuk gas ideal maka Q = W. Jadi
persamaan pada proses ekspansi isothermal, seluruh kalor dapat diubah menjadi usaha luar. Akan
tetapi secara kontekstual, hal ini mustahil karena kita menghendaki perubahan kalor menjadi
usaha luar secara terus menerus selama sistem diberi kalor, atau dengan kata lain volume tabung
akan terus membesar yang ditunjukkan dengan pergerakan tutup tabung sampai tak terhingga.
Secara praktis hal ini tidak mungkin bisa dilakukan karena kita harus menyediakan silinder
dengan volume yang tak terbatas. Perhatikan gambar berikut.
Agar tanpa memerlukan volume yang tak berhingga tetapi konversi dapat berjalan terus-
menerus, maka digunakan rangkaian proses. Rangkaian proses ini adalah siklus, yakni rangkaian
proses sedemikian rupa sehingga keadaan sistem pada akhir proses sama dengan keadaan
awalnya sehingga proses dapat diulang.
Contoh proses siklus pertama dikemukakan oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot. Siklus
Carnot terdiri dari 4 proses yaitu dua proses isothermal yaitu AB dan CD, dan dua proses
adiabatik yaitu BC dan DA.
Gambar 2. untuk siklus Carnot
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
3/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 3
Secara konkret, mesin Carnot dinyatakan dengan gambar (3) berikut.
I. Sistem dikontakkan dengan reservoir suhu tinggi (R2) yang bertemperatur T2, sehinggasejumlah kalor (q2) masuk sistem dan menyebabkan sistem berekspansi, temperatur
sistem dipertahankan sebesar T2. Pada gambar (2) ditunjukkan pada prosesAB.
II. Sistem diisolasi dan dibiarkan berekspansi menyebabkan temperatur sistem turun dari T2menjadi T1, pada gambar (2) ditunjukkan dengan prosesBC.
III.Sistem dikompresi dan dikontakkan dengan reservoir suhu rendah (R1), sehinggasejumlah kalor (q1) keluar sistem. Temperatur sistem dipertahankan sebesar T1. Pada
gambar (2) ditunjukkan dengan proses CD.
IV.Sistem kembali diisolasi dan dikompresi, menyebabkan keadaan sistem kembali sepertisemula. Pada gambar (2) ditunjukkan dengan prosesDA.
Kalau diterapkan Hukum I Termodinamika, yaitu: wqu , karena dalam proses
siklus 0u , sehingga:
qw
12 qqw ....................................................................................................................(1)
Diagram alir mesin kalor ditunjukkan seperti gambar (4).
I
GasGas
II III IV
R2 T2
Gasq2
R1 T1
Gas
q1
Gambar (3)
terisolasiterisolasi
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
4/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 4
Berdasarkan penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa tidak seluruh kalor dapat diubah
menjadi usaha, karena ada sebagian kalor yang terbuang.
Efisiensi mesin kalor () didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dihasilkan
(w) dengan jumlah kalor yang diserap (q2). Secara matematis dapat dinyatakan dengan
persamaan :
2
21
2q
q
w .. (2)
Bila sistem yang dikaji adalah gas ideal, bagaimanakah persamaan efisiensi mesin Carnot? Oleh
karena itu, dapat dikaji kembali gambar (2). Persamaan umum gas ideal: TRvp
, maka
v
TRp Pada prosesAB, sistem menjalani proses isotermal, sehingga besarnya usaha :
b
a
ab dvpw
b
a
ab dvv
TRw
p :diperolehmakaatas,dipersamaankenilaikanSubstitusi
RTmerupakan konstanta, maka dapat dikeluarkan dari integrasi sehingga didapatkan:
b
a
abv
dvTRw
karena temperatur pada proses AB adalah T2, maka:
Gambar (4)
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
5/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 5
a
b
ab
abab
b
aab
v
vTRw
vvTRw
vTRw
ln
lnln
ln
2
2
2
(3 )
Sedangkan untuk proses dariBC, sistem menjalani proses adiabatik sehingga 0dq , dengan
menerapkan hukum I Termodinamika, maka diperoleh.
w = -du
w = -cvdT
Sehingga diperoleh usaha pada prosesBCadalah sebagai berikut.
c
b
vbc dTcw
cv merupakan konstanta, maka dapat dikeluarkan dari integrasi sehingga didapatkan :
cbvbc
bcvbc
c
bvbc
c
b
vbc
TTcw
TTcw
Tcw
dTcw
Berdasarkan gambar (2), temperatur di b adalah T2 sedangkan temperatur di c adalah T1 sehingga
persamaan di atas menjadi :
4.........................................................................................12 TTcw vbc
Pada proses CD, sistem menjalani proses isotermal, sehingga besarnya usaha:
d
c
cd dvpw
d
c
cd dvv
TRw
p :diperolehmakaatas,dipersamaankenilaikanSubstitusi
RTmerupakan konstanta, maka dapat dikeluarkan dari integrasi sehingga didapatkan :
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
6/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 6
)5(...................................................................................................)(
maka,Tadalah
AditemperatursedangkanTadalahDdirtemperatu(2),gambarnBerdasarka
21
2
1
TTcw
v
dvTRw
vda
d
c
cd
Bila sistem yang dikaji adalah gas ideal, maka pada proses isotermal tidak ada perubahan energi
dalam sistem atau 0u , sehingga berdasarkan gambar (2) pada proses akan berlaku :
abwqBA 2,
cdwqDC 1,
Berdasarkan persamaan (2) diperoleh :
2
2
q
wwww
q
w
dacdbcab
Karena nilai dabc ww sehingga didapatkan:
Substitusikan persamaan (3) dan (5) ke persamaan di atas sehingga diperoleh:
a
b
c
d
a
b
v
vTR
v
vTR
v
vTR
ln
lnln
2
12
a
b
c
d
a
b
a
b
v
vTR
v
vTR
v
vTR
v
vTR
ln
ln
ln
ln
2
1
2
2
2
2
q
ww
q
wwww
cdab
dacddaab
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
7/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 7
6................................................................................................ln
ln
1
2
1
a
b
c
d
v
vT
v
vT
padaBCmerupakan proses adiabatik sehingga berlaku:
11
1
ccbb vTvT
cvT
Berdasarkan gambar (2), temperatur di b adalah T2 sedangkan temperatur di c adalah T1 sehingga
persamaan di atas menjadi :
7............................................................................................................1
1
2
1
1
1
2
1
1
1
2
b
c
b
c
cb
v
v
T
T
v
v
T
T
vTvT
PadaDA merupakan proses adiabatik sehingga berlaku :
11
1
aadd vTvT
cvT
Berdasarkan gambar (2), temperatur di D adalah T1 sedangkan temperatur di A adalah T2
sehingga persamaan di atas menjadi :
8.. .....................................................................................................1
1
2
1
1
1
2
1
1
1
2
a
d
a
d
da
v
v
T
T
v
v
T
T
vTvT
Berdasarkan persamaan (7) dan (8), maka diperoleh :
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
8/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 8
Berdasarkan persamaan (6), didapatkan sebagai berikut.
a
b
c
d
v
vT
v
vT
ln
ln
1
2
1
Karena nilaid
c
c
d
v
v
v
vlnln , maka diperoleh :
a
b
d
c
v
vT
v
vT
ln
ln
1
2
1
9.................................................................................................
1
2
12
2
1
T
TT
T
T
Efisiensi siklus Carnot hanya tergantung pada temperatur kedua reservoir. Berdasarkan
uraian di atas dapat disimpulkan bahwa karena adanya pertukaran kalor yang terjadi pada proses
isotermal, maka agar proses pada siklus Carnot berlangsung secara reversibel hanya diperlukan
dua reservoir.
Jika arah siklus mesin dibalik seperti ditunjukkan pada gambar (5), maka tercipta mesin
pendingin (referigrator).
a
b
d
c
a
d
b
c
a
d
b
c
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
T
T
T
T
11
1
2
1
2
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
9/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 9
Diagram mesin pendingin ditunjukkan pada gambar (6) berikut.
Pada mesin kalor, kerja dihasilkan oleh mesin sedangkan pada mesin pendingin, kerja
harus diberikan pada mesin (sistem dikenakan kerja) supaya mesin itu dapat beroperasi.
Daya guna refrigrator (E) Carnot didefinisikan sebagai perbandingan antara kalor yang
diserap dengan usaha yang dikerjakan pada sistem, jika dinyatakan dengan persamaan :
w
qE 1
10..............................................................................................21
1
qE
Tanda negatif pada persamaan (10) mempunyai arti karena kerja dilakukan pada mesin,
maka w bertanda negatif. Sehingga persamaan (10) bila dijabarkan menjadi :
21
1
qE
T1
DC
B
A
T2
Gambar (5)
Gambar (6)
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
10/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 10
Substitusikan nilai cdwq 1 dan abwq 2 ke persamaan di atas, maka diperoleh :
abcd
cd
ww
wE
Substitusikan persamaan (3) dan (5) ke persamaan di atas sehingga didapatkan :
a
b
c
d
c
d
v
vT
v
vT
v
vT
E
lnln
ln
21
1
Karena nilaid
c
c
d
v
v
v
vlnln , maka diperoleh :
d
c
a
b
d
c
a
b
d
c
d
c
v
vT
v
vT
v
vT
E
v
vT
v
vT
v
vT
E
lnln
ln
lnln
ln
12
1
21
1
11................................................................................................12
1
TT
TE
Daya guna mesin pendingin Carnot mungkin lebih besar dari 100% jika kalor yang
diserap oleh sistem lebih besar dari kerja yang diberikan pada sistem sedangkan efisiensi mesin
kalor Carnot, selalu lebih kecil dari 100% karena kalor yang diserap tidak seluruhnya dapat
diubah menjadi kerja.
1.2 Siklus Otto dan Diesel
Siklus Carnot merupakan siklus ideal (teoritik) secara praktis siklus ini belum bisa
diambil manfaatnya. Siklus yang sudah bisa diambil manfaatnya diantaranya siklus Otto yang
diterapkan pada mesin kalor dan siklus Diesel yang diterapkan pada mesin Diesel.
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
11/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 11
Siklus Otto seperti ditunjukkan pada gambar (7), terdiri atas enam proses, dengan empat
gerakan piston, sehingga mesin yang menggunakan siklus Otto diberi nama dengan mesin
empat tak. Keenam proses tersebut adalah sebagai berikut.
1. ea : merupakan intake stoke, pada proses tersebut udara masuk ke
dalam silinder pada tekanan udara luar (po), volume spesifik
sistem berubah dari nol menjadi v2. Persamaan yang berlaku
pada titik a adalah : ao TRvp 2 , dengan Ta merupakan
temperatur udara luar.
2. ab : Sistem dikompresi secara adiabatik. Volume spesifik sistem
berubah dari v2 menjadi v1. Pada proses ini, temperatur dan
tekanan sistem naik atau bertambah. Persamaan pada proses ini
adalah:11
bbaavTvT .
3. bc : Proses pemanasan isokorik, karena ada loncatan bunga api dari
busi, maka bahan bakar terbakar sehingga sejumlah kalor masuk
sistem. Tekanan dan temperatur sistem naik atau bertambah.
Persamaan yang berlaku pada proses ini adalah :
ad
ad
v1 v2 v
q1
q2
a
b
c
d
e
p
p0
Gambar (7)
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
12/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 12
bcv TTcq 2 .
4. cd : Proses ekspansi adiabatik, yaitu sistem mengembang secara
adiabatik. Pada cabang ini usaha dihasilkan, tekanan dan
temperatur sistem turun atau berkurang. Persamaan yang berlaku
pada proses ini adalah :11
ddcc vTvT .
5. da : Proses pendinginan isokorik. Pada proses ini, sejumlah kalor
keluar sistem sehingga energi dalam sistem berkurang,
sedangkan temperatur sistem juga berkurang. Persamaan yang
berlaku pada proses ini adalah: dav TTcq 1 .
6. ae : Proses isobarik, seluruh gas sisa pembakaran dibuang dan
diganti dengan udara baru untuk menjalani siklus berikutnya.
Proses pertama dan keenam saling meniadakan sehingga untuk menentukan efisiensi ()
hanya diperhatikan empat proses saja yaitu proses 2, 3, 4, dan 5. Berdasarkan definisi
efisiensi diperoleh :
bcv
davbcv
TTc
TTcTTcq
q
w
2
21
2
bc
da
bc
bc
TT
TT
TT
TT
12........................................................................1
1
bc
ad
bc
da
TT
TT
TT
TT
Berdasarkan persamaan adiabatik dari proses 2 dan 4 diperoleh :
11
bbaa vTvT
11
ddcc vTvT
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
13/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 13
1111
bbccaaddvTvTvTvT
Berdasarkan gambar (7) diperoleh bahwa 2vvv da dan 1vvv cb . Substitusikan nilai
tersebut ke persamaan di atas, maka didapatkan :
111
2
11
11
12
12
vTTvTT
vTvTvTvT
bcad
bcad
1
2
1
1
2
1
1
v
v
TT
TT
v
v
TT
TT
bc
ad
bc
ad
Dengan mensubstitusikan nilai vr
v
v
1
2 yaitu nilai rasio kompresi, maka didapatkan hubungan
antara efisiensi mesin Otto dengan rasio kompresinya adalah :
bc
ad
TT
TT
1
1
1
2
1
2
1 111
vvv
v
13..........................................................................111
vr
Besarnya nilai rv dalam praktek adalah berkisar antara 5 sampai 10. Kalau dicermati siklus
Otto seperti pada gambar (7), pertukaran kalor disertai perubahan temperatur. Supaya proses
berlangsung secara reversibel, maka haruslah ada sejumlah (n) reservoir, di mana n adalah cukup
besar. Dalam praktek, hal ini tidak mungkin terjadi sehingga pada siklus Otto, proses
berlangsung secara irreversibel. Pada persamaan efisiensi ada komponen , di mana nilainya
tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan. Jadi, efisiensi siklus Otto juga tergantungpada jenis bahan bakar yang digunakan.
Sedangkan Siklus Diesel diterapkan pada mesin yang menggunakan bahan bakar solar
(mesin diesel). Siklus Diesel ditunjukkan seperti gambar (8) berikut.
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
14/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 14
Siklus Diesel terdiri dari 6 (enam) proses, dengan 5 (lima) gerakan piston sehingga mesin
yang menggunakan siklus ini diberi nama mesin lima tak. Keenam proses tersebut adalah
sebagai berikut.
1. ea : merupakan intake stoke, pada proses tersebut udara masuk ke
dalam piston. Proses berjalan secara isobarik pada tekanan udara
luar (po), volume sistem berubah dari nol menjadi va. Persamaan
yang berlaku pada titik a adalah : aao TnRvp , dengan Ta
merupakan temperatur udara luar.
2. ab : Sistem dikompresi secara adiabatik. Pada proses ini, temperatur
dan tekanan sistem naik atau bertambah. Persamaan pada proses
ini adalah :11
bbaa vTvT dan
bbaa vpvp .
3. bc : Ekspansi isobarik, yaitu volume sistem bertambah pada tekanan
kostan. Pada cabang ini karena tekanan dan temperatur sistem
cukup tinggi, maka bahan bakar terbakar dengan sendirinya
ad
ad
vc va v
q1
q2
a
b c
d
e
p
p0
vb
Gambar (8)
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
15/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 15
sehingga sejumlah kalor masuk sistem. Persamaan yang berlaku
pada proses ini adalah : bcp TTcnq 2 danb
b
c
c
v
T
v
T .
4. cd : Proses ekspansi adiabatik, yaitu sistem mengembang secara
adiabatik. Pada cabang ini, usaha dihasilkan sedangkan tekanan
dan temperatur sistem turun atau berkurang. Persamaan yang
berlaku pada proses ini adalah :11
ddccvTvT dan
ddcc vpvp .
5. da : Exhaust. Proses isokorik. Pada proses ini, sejumlah kalor keluar
sistem. Persamaan yang berlaku pada proses ini adalah :
dav TTcnq 1 dand
d
a
a
pT
pT .
6. ae : Proses isobarik, pada proses ini seluruh gas sisa pembakaran
dibuang dan diganti dengan gas baru untuk menjalani siklus
selanjutnya.
Berdasarkan definisi efisiensi diperoleh :
bcp
dav
bcp
dav
bcp
bcp
bcp
bcpdav
bcp
bcpdav
TTc
TTc
TTc
TTc
TTc
TTc
TTc
TTcTTc
TTcn
TTcnTTcn
q
q
w
1
2
21
2
bc
da
TT
TT
11
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
16/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 16
14.. ...................................................1
111
11
11
bc
ad
b
a
a
b
bc
ad
b
a
bc
da
TT
TT
T
T
T
T
TT
TT
T
T
TT
TT
Pada proses ab :1
1
1
11
a
b
a
b
b
a
bbaa
v
v
v
v
T
T
vTvT
Dengan : vb
a rv
v , maka diperoleh :
1
a
b
b
a
v
v
T
T
15.................................................................1
1
1
vb
a
b
ab
a
rT
T
vvT
T
Pada proses bc :
16.................................................offcutratioCb
c
b
c
b
c
b
b
c
c
rv
v
v
v
T
T
v
T
v
T
Pada proses da :
a
d
a
d
d
d
a
a
p
p
T
T
p
T
p
T
Pada proses ab :
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
17/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 17
bbaa vpvp
Pada proses cd :
ddcc vpvp
Berdasarkan kedua persamaan tersebut didapatkan :
aa
dd
bb
cc
vp
vp
vp
vp
Berdasarkan gambar (8) diperoleh hubungan : da vv dan bc pp sehingga diperoleh :
b
c
a
d
a
d
b
c
da
dd
bc
cc
v
v
p
p
p
p
v
v
vp
vp
vp
vp
17...............................................................
C
b
c
a
d
a
d
b
c
a
d
r
v
v
T
T
T
T
v
v
p
p
Substitusikan persamaan (15), (16), dan (17) ke persamaan (14) sehingga didapatkan :
)18........(........................................1
1111
1
111
1
C
C
v
bc
ad
b
a
r
r
r
TT
TT
T
T
Persamaan (18) juga mengandung besaran , ini menunjukkan bahwa efisiensi siklus Dieseltergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan. Pertukaran kalor pada siklus Diesel disertai
dengan adanya perubahan temperatur sistem, sehingga secara real proses siklus Diesel
berlangsung secara irreversibel.
7/31/2019 Siklus Carnot ,Otto, Diesel
18/18
Siklus Carnot, Otto Diesel
Suardika Page 18
DAFTAR PUSTAKA
Rapi,Ni Ketut. 2099.Buku Ajar Termodinamika. Singaraja : FMIPA UNDIKSHA.