Kalkulator Efisiensi Carnot

Hasil

Cara Menggunakan Kalkulator Efisiensi Carnot

1. 1. Pilih mode. Efisiensi maksimum menyelesaikan η = 1 − T_c/T_h untuk efisiensi atau untuk salah satu suhu. Lemari pendingin atau pompa kalor memberi kedua koefisien kinerja. Periksa aliran kalor mesin membandingkan angka mesin nyata dengan batas Carnot.
2. 2. Masukkan suhu. Setiap kotak memiliki menu satuan untuk kelvin, °C, °F, dan °R, dan kalkulator mengonversi ke suhu absolut sendiri. Reservoir panas harus minimal sepanas reservoir dingin, dan keduanya tidak boleh berada pada atau di bawah nol absolut.
3. 3. Tambahkan energi, jika Anda mau. Untuk lemari pendingin atau pompa kalor, Anda dapat memberi masukan kerja untuk melihat berapa banyak kalor yang dipindahkan. Untuk pemeriksaan aliran, masukkan kalor yang diserap dan salah satu dari kalor yang dibuang atau kerja yang dilakukan.
4. 4. Baca hasilnya. Skema menampilkan aliran kalor dengan ketebalan panah sesuai besarnya, dan langkah perhitungan mencantumkan setiap persamaan dengan angka Anda.

Rumus Carnot

η_C = 1 − T_c / T_h

COP_cool = T_c / (T_h − T_c)

COP_heat = T_h / (T_h − T_c) = COP_cool + 1

ΔS = Q_c / T_c − Q_h / T_h ≥ 0

Pada 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa tidak ada mesin yang bekerja di antara dua reservoir kalor yang dapat lebih efisien daripada mesin reversibel, dan bahwa setiap mesin reversibel di antara dua reservoir yang sama memiliki efisiensi yang sama, yang hanya bergantung pada suhu keduanya. Suhu harus absolut: 25 °C adalah 298,15 K. Efisiensi naik ketika sisi dingin makin dingin atau sisi panas makin panas, dan hanya mencapai 100% jika reservoir dingin berada pada nol absolut, yang tidak mungkin. Ini adalah hukum kedua termodinamika yang dinyatakan sebagai angka. Penurunannya ada di OpenStax University Physics Volume 2, bagian 4.5.

Lemari pendingin atau pompa kalor menjalankan siklus itu secara terbalik, memakai kerja W untuk memindahkan kalor dari sisi dingin ke sisi panas. Kinerjanya diukur dengan koefisien kinerja, yaitu kalor yang dipindahkan per satuan kerja, alih-alih efisiensi, karena nilainya bisa melebihi 1. Pemanasan mendapat keuntungan: kalor yang disalurkan ke sisi panas adalah kalor yang diambil dari sisi dingin ditambah kerja, sehingga COP_pemanasan = COP_pendinginan + 1.

Contoh Kasus

1. Pembangkit listrik uap. Uap pada 540 °C (813,15 K) dan air pendingin pada 25 °C (298,15 K) memberi η_C = 1 − 298,15/813,15 = 63,33%. Pembangkit batu bara nyata mencapai sekitar sepertiganya; pembangkit gas siklus gabungan terbaik sekitar 60%.
2. Suhu sederhana. Reservoir pada 600 K dan 300 K memberi tepat 50%. Untuk mencapai 40% dengan sink dingin 300 K, sisi panas harus minimal 500 K.
3. Mesin uap pada tekanan atmosfer. Di antara air mendidih dan membeku, 100 °C dan 0 °C, batasnya hanya 26,80%.
4. Lemari pendingin. Menjaga 4 °C di dapur 25 °C, COP ideal adalah 277,15 / 21 = 13,20. Freezer pada −18 °C memiliki COP ideal yang lebih rendah, yaitu 5,934. Peralatan nyata mencapai sebagian kecil dari angka ini.
5. Pompa kalor. Menjaga rumah pada 20 °C ketika di luar 0 °C memiliki COP_pemanasan ideal 14,66: 1 kWh listrik dapat menyalurkan 14,66 kWh kalor. Pompa kalor nyata mencapai COP sekitar 3 hingga 5.
6. Memeriksa sebuah mesin. Sebuah mesin menyerap 1.000 J pada 600 K dan membuang 700 J pada 300 K. Ia melakukan kerja 300 J (η = 30%), yaitu 60% dari batas Carnot 50%, dan menghasilkan 0,6667 J/K entropi. Klaim kerja 600 J dari kalor yang sama berarti 60%, di atas batas, dan tidak mungkin.

Asumsi dan Batasan

• Reservoir bersuhu konstan. Reservoir sangat besar sehingga mengambil atau memberi kalor tidak mengubah suhunya.
• Suhu absolut. Selalu gunakan kelvin dalam rumus. Kalkulator mengonversi °C dan °F, tetapi perhitungan manual dengan °C memberi jawaban yang salah.
• Siklus reversibel. Hasilnya adalah batas atas; ia tidak mengatakan apa pun tentang seberapa cepat mesin berjalan atau berapa daya yang dihasilkannya.
• Operasi siklik. Pemeriksaan hukum pertama W = Q_h − Q_c berlaku untuk mesin yang kembali ke keadaan awalnya setiap siklus.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apa rumus efisiensi Carnot?

η = 1 − T_c / T_h, dengan kedua suhu dalam kelvin. Ini adalah bagian terbesar dari kalor yang diambil dari reservoir panas yang dapat diubah menjadi kerja oleh mesin mana pun. Pada 600 K dan 300 K, hasilnya 1 − 300/600 = 50%.

Mengapa suhu harus dalam kelvin?

Rasio T_c/T_h hanya bermakna pada skala absolut, tempat nol adalah suhu terendah yang mungkin. Dalam °C, 25 °C dibanding 100 °C akan tampak seperti efisiensi 75%; dalam kelvin, hasilnya 1 − 298,15/373,15 = 20,1%.

Bisakah mesin mencapai efisiensi 100%?

Tidak dalam praktik. Mesin Carnot mencapai 100% hanya jika reservoir dinginnya berada pada nol absolut, yang tidak pernah bisa dicapai. Mesin nyata mana pun membuang sebagian kalor, yang diwajibkan oleh hukum kedua.

Apa itu koefisien kinerja?

COP lemari pendingin adalah kalor yang diambil dari ruang dingin dibagi kerja yang digunakan; untuk pompa kalor adalah kalor yang disalurkan dibagi kerja. Tidak seperti efisiensi, nilainya dapat lebih besar dari 1. Nilai Carnot T_c/(T_h − T_c) dan T_h/(T_h − T_c) adalah yang terbaik yang mungkin.

Bagaimana efisiensi mesin berhubungan dengan batas Carnotnya?

Bagi keduanya: mesin 30% yang bekerja di antara 600 K dan 300 K mencapai 30/50 = 60% dari batas Carnotnya. Rasio itu disebut efisiensi hukum kedua, dan menunjukkan berapa banyak ruang untuk perbaikan yang tersisa.

Apakah pompa kalor dengan COP 4 melanggar kekekalan energi?

Tidak. Ia tidak menciptakan kalor dari listrik; ia memindahkan kalor dari luar ke dalam. Dengan kerja 1 kWh dan 3 kWh diambil dari udara luar, 4 kWh tiba di dalam, sehingga energi kekal dan COP adalah rasio kalor yang disalurkan terhadap kerja yang dibayar.