Siklus Carnot

 Proses Reversible dan Irreversible
Sebelum membahas apa itu siklus carnot, pertama-tama kita harus memahami yang disebut dengan proses terbalikkan (reversible) dan tak terbalikkan (Irreversible). Proses reversible adalah proses dimana tidak ada energi yang terbuang dari sistem tersebut, contoh dari proses reversible ini, misalkan kita mempunyai bola yang kita pegang di atas gedung yang tingginya 10 meter, yang artinya bola itu memiliki energi potensial tertentu, kemudian bola itu kita lepaskan dari ketinggian tersebut dan jatuh ke lantai, karena saat tiba di lantai semua energi potensial telah menjadi energi kinetik (dalam wujud kecepatan) yang sejumlah dengan energi potensial ketika masih di ketinggian 10 meter, maka setelah membentur, energi kinetik tersebut akan dirubah kembali menjadi energi potensial yang besarnya sebesar energi kinetik sebelumnya, yang mana sebesar energi potensial ketika bola tersebut sebelum di lepaskan. karena energi potensial setelah memantul = energi potensial sebelum dijatuhkan, maka dapat kita katakan tidak ada energi yang hilang dari proses tersebut, atau reversible.

1. sebelum jatuh, 2. sampai di lantai, 3. ketinggian puncak

Namun, pada kenyataanya, tidak ada proses yang benar-benar reversible, energi tersebut pasti akan hilang karena adanya gesekan, perpindahan panas, ekspansi mendadak ataupun hal lainya, maka bola yang kita jatuhkan dari gedung 10 meter tadi tidak mungkin memantul lagi pada ketinggian yang sama persis 10 meter, karena adanya gesekan dari udara ketika jatuh, gesekan dengan lantai ketika sampai di tanah, terjadinya aliran kalor antara bola dengan udara dan lantai atau timbulnya suara ketika menabrak lantai yang juga mengakibatkan hilangnya energi, maka proses ini kita katakan irreversible, karena ada energi terbuang yang tidak dapat kita manfaatkan lagi. Dalam teori termodinamika,suatu proses kebanyakan diasumsikan sebagai proses yang reversible, karena akan sangat mempermudah perhitungan, walaupun tidak sama persis dengan apa yang terjadi di dunia nyata, namun hasil perhitunganya masih dapat di manfaatkan. Ukuran ketidak-terbalikkan ini terkenal dengan istilah Entropi.

Siklus Carnot
 Siklus carnot adalah siklus termodinamika yang reversible, dengan kata lain adalah siklus teoritis yang memiliki efisiensi paling tinggi karena tidak ada energi yang hilang. siklus ini di perkenalkan oleh insinyur perancis, sadi carnot tahun 1824. siklus carnot sangat terkenal karena kemampuanya memprediksi efisiensi maksimal yang dapat dicapai oleh suatu mesin dengan cara yang sederhana.

Siklus carnot ini terdiri dari 4 langkah, yaitu :

QL = kalor dari sumber panas. QL = kalor ke lingkungan dingin, T = suhu.

(1-2). Reversible Isothermal Expansion : yaitu proses ekspansi (pemuaian) fluida kerja (misalkan udara) pada suhu yang konstan, misalkan dengan ledakan bahan bakar didalam silinder. Suhu yang konstan ini terjadi karena bahan bakar memanaskan udara disertai dengan dorongan udara ke piston dengan cara ekspansi yang mendinginkan udara secara bersamaan, sehingga tidak ada perubahan suhu yang teramati.
(2-3). Reversible Adiabatic Expansion : adiabatic artinya sistem tidak menerima energi, baik berupa kalor ataupun berupa kerja, namun sistem berekspansi dengan cara menurunkan tekananya, yang berakibat suhunya juga turun.
(3-4). Reversible Isothermal Compression : Proses ini terjadi karena sistem membuang kalor ke lingkungan yang mengakibatkan suhunya turun, disertai dengan dorongan piston ke udara dengan gaya luar yang mengakibatkan suhunya naik secara bersamaan, sehingga tidak ada perubahan suhu yang teramati.
(4-1). Reversible Adiabatic Compression : suhu sistem kemudian meningkat ke suhu awal lagi dengan cara meningkatkan tekananya (kompresi), namun tidak disertai transfer energi baik berupa kalor atau dorongan dari luar. Proses kemudian dimulai dari 1 lagi.

Yang perlu diperhatikan disini adalah semua proses terjedi secara reversible.

Siklus carnot yang diuraikan diatas adalah siklus untuk mesin kalor, yaitu mesin yang merubah energi kalor menjadi energi gerak. Jika arah dari proses tersebut kita balik, yaitu kalor masuk dari suhu dingin dan dibuang ke suhu rendah, maka kita dapatkan siklus mesin pendingin (refrigerasi). Terlihat bahwa siklus carnot ini sangat serbaguna untuk menganalisis berbagai sistem yang berbeda.

Luas dibawah permukaan diagram P-V diatas juga secara langsung menunjukkan kerja yang dapat dilakukan mesin selama 1 siklus tersebut (untuk mesin pendingin, kerja yang dibutuhkan mesin tersebut). Sedangkan efisiensi termal maksimal yang dapat dicapai oleh suatu mesin kalor tersebut dapat dituliskan sebagai :

persamaan yang menunjukkan hubungan sederhana antara efisiensi yang dapat dicapai oleh mesin kalor, yang dengan jelas mengatakan bahwa efisiensi maksimal yang dapat dicapai hanya tergantung pada suhu tertinggi dan suhu terendah mesin tersebut. 

Secara teori, efisiensi 1 atau 100% tidak mungkin dicapai, karena nilai dari suhu rendah tidak mungkin 0, dan atau nilai dari suhu tinggi tidak mungkin bernilai tak hingga. kemudian, efisiensi yang bernilai lebih dari 1 juga tidak mungkin, karena suhu absolut tidak mungkin bernilai negatif.

Sebagai catatan, bahwa siklus carnot ini adalah siklus yang reversible, yang tidak mungkin ada di dunia nyata, maka efisiensi yang dihitung dari siklus carnot ini adalah efisiensi maksimal yang mampu dicapai oleh suatu siklus mesin kalor, sedangkan efisiensi sesungguhnya pasti lebih rendah dari nilai tersebut, karena adanya gesekan, perpindahan kalor ataupun hal-hal yang membuat proses menjadi irreversible. Efisiensi dari mesin reversible selalu lebih besar dari mesin irreversible dan efisiensi hanya tergantung dari temperatur tertinggi dan terendah ini dikenal juga dengan prinsip carnot.