Siklus Carnot aliran tunak menggunakan air sebagai tenaga kerjanya cairan. Air berubah dari cairan jenuh menjadi uap jenuh sebagai kalor ditransfer ke sana dari sumber bersuhu 250°C. Penolakan panas terjadi pada tekanan 20 kPa. Tunjukkan siklus pada diagram T-s relatif terhadap garis saturasi, dan tentukan (a) efisiensi termal, (b) jumlah kalor yang dibuang, dan (c) kerja neto yang keluar
Konsep Dasar
Untuk menyelesaikan soal ini, kita perlu memahami perilaku air pada diagram $T-s$ (Temperatur – Entropi Spesifik) dan karakteristik Siklus Carnot:
- Proses 1-2 (Penambahan Kalor Isotermal): Air berubah dari cairan jenuh menjadi uap jenuh pada suhu tinggi ($T_H$). Karena terjadi perubahan fase pada tekanan konstan, suhunya juga konstan ($T_H = 250^\circ\text{C}$).
- Proses 2-3 (Ekspansi Isentropik): Uap berekspansi di dalam turbin untuk menghasilkan kerja, entropinya konstan ($s_2 = s_3$). Suhu turun dari $T_H$ ke suhu rendah ($T_L$).
- Proses 3-4 (Pelepasan Kalor Isotermal): Kalor dibuang ke kondensor pada tekanan konstan $20\text{ kPa}$. Karena ini adalah daerah campuran (basah), suhunya juga konstan ($T_L = T_{\text{sat @ } 20\text{ kPa}}$).
- Proses 4-1 (Kompresi Isentropik): Campuran air-uap dikompresi kembali ke kondisi cairan jenuh semula, entropinya konstan ($s_4 = s_1$).
Identifikasi Data
Pertama, kita konversikan semua suhu ke dalam satuan mutlak (Kelvin):
$$T_H = 250^\circ\text{C} + 273.15$$
$$T_H = 523.15\text{ K}$$
Mari cari suhu rendah ($T_L$) berdasarkan tekanan penolakan panas ($P_L = 20\text{ kPa}$) dari Tabel Saturasi Tekanan Air:
$T_L = T_{\text{sat @ } 20\text{ kPa}} = 60.06^\circ\text{C}$
$T_L = 60.06 + 273.15 = 333.21\text{ K}$
Kita juga membutuhkan nilai entalpi ($h$) dan entropi ($s$) pada kondisi Suhu Tinggi ($250^\circ\text{C}$) untuk menghitung perpindahan kalor:
Keadaan 1 (Cairan Jenuh @ $250^\circ\text{C}$):
- $h_1 = h_f = 1085.4\text{ kJ/kg}$
- $s_1 = s_f = 2.7927\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$
Keadaan 2 (Uap Jenuh @ $250^\circ\text{C}$):
- $h_2 = h_g = 2801.5\text{ kJ/kg}$
- $s_2 = s_g = 6.0730\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$
(a) Efisiensi Termal ($\eta_{\text{th}}$)
Efisiensi Siklus Carnot hanya bergantung pada suhu mutlak sumber panas dan pembuangan panas:
$$\eta_{\text{th, Carnot}} = 1 – \frac{T_L}{T_H}$$
$$\eta_{\text{th, Carnot}} = 1 – \frac{333.21\text{ K}}{523.15\text{ K}}$$
$$\eta_{\text{th, Carnot}} = 1 – 0.6369$$
$$\mathbf{\eta_{\text{th, Carnot}} = 0.3631 \text{ atau } \mathbf{36.31\%}}$$
(b) Jumlah Kalor yang Dibuang ($q_{\text{out}}$)
Sebelum mencari kalor yang dibuang, kita hitung dulu kalor yang masuk ($q_{\text{in}}$) pada proses isotermal 1-2. Karena aliran tunak (steady-flow) dan tidak ada kerja pada boiler:
$$q_{\text{in}} = h_2 – h_1$$
$$q_{\text{in}} = 2801.5\text{ kJ/kg} – 1085.4\text{ kJ/kg}$$
$$q_{\text{in}} = 1716.1\text{ kJ/kg}$$
Maka, kita bisa mendapatkan nilai $q_{\text{out}}$:
$$q_{out} = q_{in} \times \frac{T_L}{T_H}$$
$$q_{out} = 1716.1 \times 0.6369$$
$$\mathbf{q_{out} = 1092.9\text{ kJ/kg}}$$
(c) Kerja Neto yang Keluar ($w_{\text{net, out}}$)
Kerja neto adalah hasil bersih dari kalor yang masuk dikurangi kalor yang dibuang, atau bisa dihitung langsung menggunakan efisiensi termalnya:
$$w_{net,out} = \eta_{th} \times q_{in}$$
$$w_{net,out} = 0.3631 \times 1716.1$$
$$\mathbf{w_{net,out} = 623.1159 \text{ kj/kg}}$$
