Mesintermal adalah perangkat yang mampu mengubah energi panas menjadi pekerjaan mekanis. Setiap mesin termal membutuhkan sumber: panas dan dari zat yang bekerja yang mampu mengubah volumenya dan, akibatnya, menggerakkan beberapa mekanisme, seperti katup atau piston.
Kamu mesin pembakaran internal, seperti mereka yang mengendarai mobil masa kini, adalah contoh mesin termal. Mereka menyerap panas yang dihasilkan dari pembakaran campuran bahan bakar dan udara, yang secara berkala disuntikkan ke dalam silinder mereka.
Dengan cara ini, bagian dari energi yang dilepaskan selama ledakan diubah menjadi kerja, melalui gerakan piston - salah satu bagian mesin yang bergerak, digunakan untuk mengubah energi panas menjadi energi kinetika.
Bagaimana cara kerja mesin termal?
Semua mesin termal beroperasi sesuai dengan a siklustermodinamika, yaitu, urutan keadaan termodinamika yang berulang. Siklus ini memiliki keadaan volume, tekanan dan suhu yang berbeda, yang biasanya diwakili oleh grafik tekanan versus volume. Siklus termodinamika dirancang untuk mencari efisiensi energi yang lebih besar, yaitu, produksi mesin yang mampu mengekstraksi sejumlah besar pekerjaan selalu dicari.
Dalam setiap siklus termodinamika, adalah mungkin menghitung pekerjaan secara grafis graphical. Oleh karena itu, perlu dilakukan penghitungan luas bagian dalam graf, yang dapat menjadi rumit untuk dilakukan jika siklus yang dimaksud memiliki bentuk yang tidak beraturan. Selain itu, arah panah, searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam, menunjukkan apakah siklus yang dimaksud adalah siklus mesin termal atau lemari es. Periksa:
Siklus searah jarum jam: Jika arah siklus searah jarum jam, siklusnya adalah siklus mesin kalor, yang menyerap kalor dan menghasilkan kerja.
Siklus berlawanan arah jarum jam: Dalam kasus di mana arah siklus berlawanan arah jarum jam, perlu menerima kerja mekanis dan melepaskan panas, seperti dalam kasus motor kulkas.
Setiap mesin termal memiliki konfigurasi yang sama: memiliki a sumberdipanas (sumber panas), dari mana ia mengekstrak energi yang diperlukan untuk operasinya, dan a wastafel (sumber dingin), di mana sebagian dari panas yang diserap dibuang. Perhatikan diagram berikut:
Menurut hukum pertama termodinamika, mesin termal perlu menerima sejumlah panas untuk bekerja. Namun, hanya sebagian kecil dari jumlah panas itu, yang merupakan bentuk energi, yang dapat diubah menjadi pekerjaan yang bermanfaat.
Alasan pembatasan ini pada dasarnya ada dua: yang pertama menyangkut kapasitas teknis untuk menghasilkan mesin yang tidak hilang energi – yang tidak mungkin – dan yang kedua adalah keterbatasan alam itu sendiri: menurut hukum ke-2 Termodinamika, tidak ada mesin termal yang dapat hadirkan Menghasilkan 100%. Lihat apa yang dikatakan hukum ke-2 Termodinamika, yang dikenal sebagai hukum entropi, menurut pernyataan Kelvin:
"Tidak mungkin bagi sistem apa pun, pada suhu tertentu, untuk menyerap panas dari sumber dan mengubahnya sepenuhnya dalam pekerjaan mekanis, tanpa modifikasi pada sistem ini atau lingkungan.”
Pernyataan Kelvin menyangkut konversiintegral panas dalam pekerjaan mekanik, yang menyatakan bahwa ini adalah mustahil tanpa "perubahan" yang terjadi dalam sistem. Perubahan ini mengacu pada efek entropi: ketika menghilangkan panas dari beberapa sumber panas, sebagian dari energi itu terdegradasi menjadi bentuk energi yang kurang berguna. Ada banyak proses degradasi energi: getaran bagian mekanis, gesekan antara bagian dan bantalan, panas yang hilang ke lingkungan eksternal, produksi suara yang dapat didengar, dll.
Lihat juga: Pelajari tentang sejarah mesin termal
Peta Pikiran: Mesin Termal
*Untuk mengunduh peta pikiran dalam PDF, Klik disini!
Kinerja mesin termal
Efisiensi mesin termal apa pun dapat dihitung sebagai rasio kerja mekanis yang dihasilkannya dengan jumlah panas yang diserapnya dari beberapa sumber panas:
η - Kinerja
τ – Kerja mekanik (J – joule atau kapur – kalori)
QQ – Panas dari sumber panas (J - joule atau kapur - kalori)
Kerja mekanis, pada gilirannya, ditentukan oleh perbedaan antara jumlah panas "panas" dan "dingin", oleh karena itu, kita dapat menulis kinerja mesin termal melalui ini jumlah:
QF – panas diberikan ke sumber dingin cold
Mencari untuk menentukan apa karakteristik dari siklus termodinamika "sempurna", fisikawan Prancis French sadiscarnot mengembangkan siklus yang, setidaknya secara teoritis, menyajikan lebih besarefisiensibisa jadi untuk mesin termal yang beroperasi pada suhu yang sama.
Siklus ini, dikenal sebagai Siklus Carnot, populer disebut mesin carnot, bukanlah mesin yang nyata, karena sampai hari ini, kemustahilan teknis dan praktis menghalangi pembangunan mesin semacam itu.
Lihat juga:Apa itu panas laten?
Teorema Carnot
HAI dalildicarnot, diucapkan pada tahun 1824, menetapkan bahwa bahkan mesin termal yang ideal, yang tidak menghilangkan sejumlah energi karena gesekan antara bagian yang bergerak, memiliki batas hasil maksimum, yang tergantung pada rasio antara suhu sumber panas dan dinginnya, diberikan dalam kelvin:
TQ – Suhu sumber panas (K)
TF – Suhu sumber dingin (K)
Menganalisis rumus di atas, adalah mungkin untuk melihat bahwa mesin termal yang ideal memiliki kinerja yang ditentukan secara eksklusif oleh suhu sumber panas dan dinginnya. Selain itu, agar rendemennya menjadi 100%, perlu TF adalah nol, yaitu, 0 K, suhu nol mutlak. Namun, menurut Hukum 3 Termodinamika, suhu seperti itu tidak dapat dicapai.
Rumus efisiensi yang ditunjukkan di atas hanya berlaku untuk mesin termal yang beroperasi menurut siklus Carnot. Selain itu, teorema tersebut juga menunjukkan bahwa perbandingan suhu TF dan TQ sama dengan perbandingan antara jumlah kalor QF dan QQ:
Lihat juga:Pelajari lebih lanjut tentang kinerja mesin termal
Siklus Carnot
HAI Siklus Carnot itu terjadi dalam empat tahap (atau empat ketukan). Siklus ini dibentuk oleh dua transformasi adiabatik itu dua transformasi isotermal. Transformasi adiabatik adalah transformasi yang tidak terjadi pertukaran kalor, sedangkan transformasi isotermal adalah transformasi yang tidak terjadi pertukaran kalor. variasi suhu dan, akibatnya, energi internal zat kerja yang bertanggung jawab untuk menggerakkan mesin panas tetap konstan.
Gambar berikut merupakan siklus Carnot dan empat tahapannya. Periksa:
I - Ekspansi isotermal: Pada langkah ini, zat kerja memuai, mempertahankan suhu konstan, melakukan kerja, dan menerima panas dari sumber panas.
II - Ekspansi adiabatik: Pada tahap ini, zat yang bekerja sedikit memuai dan bekerja tanpa menerima panas.
III - Kontraksi isotermal: Pada tahap ini, volume gas berkurang, tekanannya meningkat dan suhunya tetap, selain itu, gas kehilangan panas ke sumber dingin. Pada tahap ini, pekerjaan dilakukan pada gas.
IV - Kontraksi adiabatik: Gas memiliki peningkatan tekanan yang cepat dan sedikit penurunan volume, tetapi tidak bertukar panas selama proses.
Siklus Otto
Siklus Otto adalah urutan transformasi fisik yang dialami oleh beberapa zat kerja seperti bensin atau etanol. Siklus ini banyak digunakan dalam mesin pembakaran internal yang menggerakkan sebagian besar kendaraan penumpang. Meskipun tidak ada dalam praktiknya, siklus Otto dirancang untuk mendekati siklus Carnot. Gambar di bawah menunjukkan tahapan siklus Otto.
saya - Proses 0-1: Penerimaan Isobarik: Dalam proses ini, campuran udara dan bensin diterima oleh mesin pada tekanan konstan;
II - Proses 1-2: Kompresi Adiabatik – Dalam proses ini, terjadi peningkatan tekanan yang cepat yang diberikan oleh piston mesin, sehingga tidak ada waktu untuk terjadinya pertukaran panas;
III - Proses 2-3-4: Pembakaran pada volume konstan (2-3) dan ekspansi adiabatik (3-4) - Sebuah percikan kecil menghasilkan ledakan terkontrol dalam campuran udara dan bensin dan kemudian piston dari of mesin turun dengan cepat, menyebabkan peningkatan volume dan menghasilkan sejumlah besar kerja;
IV - Proses 4-1-0: Kelelahan isobarik – Katup buang terbuka dan membiarkan asap dari bahan bakar yang terbakar keluar dari mesin pada tekanan konstan.
Langkah-langkah yang dijelaskan di atas ditunjukkan pada gambar berikut, yang mewakili langkah-langkah operasi a mesin empat tak, didukung oleh bensin atau alkohol. Pergerakan piston di setiap posisi yang ditunjukkan setara dengan proses yang dijelaskan:
Contoh mesin termal
Contoh mesin termal adalah:
Mesin pembakaran dalam, seperti yang digerakkan oleh alkohol, bensin dan solar;
Mesin uap;
Pembangkit listrik termoelektrik.
Mesin Termal dan Revolusi Industri
Mesin termal memainkan peran penting dalam perkembangan teknologi masyarakat. Setelah disempurnakan oleh JamesWatt, mesin termal bertenaga uap memungkinkan Revolusi Industri terjadi, mengubah dunia secara radikal.
Apakah Anda ingin tahu lebih banyak tentang subjek ini? Akses teks kami tentang Revolusi industri.
Kulkas
Kulkas, atau mesin pendingin, adalah mesin termal terbalik. Dalam perangkat ini, perlu untuk melakukan pekerjaan di bawah gas di dalam mesin sehingga mengembang dengan menyerap panas dari lingkungan. Contoh lemari es adalah: lemari es, freezer dan AC.
Jika Anda ingin tahu lebih banyak tentang cara kerja mesin jenis ini, kunjungi teks kami tentang operasi dan sifat lemari es.
Latihan pada mesin termal
Latihan 1) Sebuah mesin termal menerima 500 J panas dari sumber panas setiap siklus operasi. Jika mesin ini membuang 350 J panas ke pendinginnya, berapa persen efisiensi energinya?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Templat: Huruf C
Resolusi:
Latihan memberikan jumlah panas yang dibutuhkan oleh mesin untuk beroperasi selama satu siklus, sehingga kita dapat menentukan kinerjanya menggunakan rumus yang menghubungkan QQ dan QF, Lihat:
Perhitungan di atas menunjukkan bahwa hanya 30% dari energi panas yang tersedia untuk motor pada setiap siklus yang diubah menjadi kerja mekanis.
Latihan 2) Sebuah mesin yang beroperasi pada siklus Carnot memiliki suhu sumber panas dan dingin masing-masing 600 k dan 400 k. Mesin ini menghilangkan 800 j panas ke sumber suhu terendah setiap siklus. Hitung jumlah kalor panas yang diserap mesin pada setiap siklus dan efisiensinya sebagai persentase, lalu tandai alternatif yang benar.
a) 67% dan 320 j
b) 33% dan 1200 j
c) 33% dan 1900 j
d) 62% dan 1900 j
e) 80% dan 900 j
Templat: Huruf b
Resolusi:
Pertama, mari kita hitung efisiensi mesin kalor yang dimaksud. Untuk ini, kita akan menggunakan suhu sumber panas dan dingin:
Menggunakan nilai suhu yang diinformasikan dalam pernyataan, kita harus menyelesaikan perhitungan berikut:
Untuk menghitung jumlah kalor yang diserap mesin dalam setiap siklus sederhana, cukup gunakan teorema Carnot:
Untuk menyelesaikan perhitungan, ganti saja data latihan pada rumus di atas.
Oleh Saya. Rafael Helerbrock
Sumber: Sekolah Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm