Mesin Pendingin & Pompa Kalor (COP)

Mesin pendingin: membalik arah mesin kalor

Mesin pendingin (kulkas, AC) adalah mesin kalor yang arah kerjanya dibalik. Alih-alih mengubah kalor jadi kerja, ia menyerap kalor $Q_C$ dari reservoir dingin (isi kulkas), menerima kerja $W$ dari kompresor, lalu membuang total $Q_H = Q_C + W$ ke reservoir panas (dapur). Inilah satu-satunya cara memindahkan kalor dari dingin ke panas — hukum II melarangnya terjadi spontan tanpa kerja luar.

Karena kerja $W$ selalu diperlukan, kulkas tak bisa mendinginkan ruangan secara gratis — itulah sebabnya menaruh kulkas terbuka di tengah ruangan malah membuat ruangan makin panas (kalor buang melebihi kalor serap persis sebesar kerja kompresor).

COP kulkas: efisiensi pembuangan dingin

Untuk mesin pendingin, “efisiensi” tidak tepat karena output yang diinginkan (kalor serap $Q_C$) bisa lebih besar dari input (kerja $W$). Sebagai gantinya, dipakai koefisien performa (COP), yaitu rasio kalor yang dipindahkan dari dingin terhadap kerja yang diberikan.

Untuk siklus ideal Carnot yang dibalik, COP hanya bergantung pada rasio suhu: $\text{COP}_{\text{Carnot}} = T_C/(T_H - T_C)$. Makin kecil beda suhu antara dingin dan panas, makin besar COP — kulkas mudah dipertahankan dingin saat dapur tak terlalu panas. Sebaliknya, makin panas cuaca luar (TH naik), makin kecil COP — itulah sebabnya AC bekerja keras dan boros listrik saat musim kemarau.

Pada grafik di bawah, geser slider suhu dan amati COP Carnot yang melonjak saat $T_C$ mendekati $T_H$.

Pompa kalor: COP selalu > 1

Pompa kalor adalah mesin pendingin yang tujuannya justru memanaskan ruangan (mis. AC split mode pemanas di musim dingin). Output yang diinginkan adalah $Q_H$ (kalor dibuang ke ruangan hangat), bukan $Q_C$. Karena $Q_H = Q_C + W > W$, COP pompa kalor selalu lebih besar dari 1 — bahkan untuk mesin ideal pun.

Perhatikan hubungan elegan: $\text{COP}_{\text{pompa}} = \text{COP}_{\text{kulkas}} + 1$. Pompa kalor dengan COP 4 memberi 4 joule panas hanya dengan 1 joule listrik — bukan melanggar kekekalan energi, karena 3 joule sisanya “dicuri” dari udara luar. Itulah sebabnya pompa kalor jauh lebih hemat daripada pemanas listrik biasa (yang COP = 1).

Pada grafik di bawah, dua kurva membandingkan COP kulkas vs COP pompa kalor. Geser slider dan amati selisihnya yang selalu persis 1.

Tahap siklus: ekspansi dan isotermal dingin

Secara teknis, siklus pendingin terdiri dari empat tahap yang merupakan kebalikan Carnot. Dua tahap kunci: ekspansi adiabatik (gas mendingin saat mengembang tanpa kalor) dan isotermal pada $T_C$ (menyerap kalor dari isi kulkas). Pada alat di bawah, gas mengembang adiabatik — suhunya turun, persis seperti kaleng semprot yang mendingin setelah dipakai.

Setelah mendingin, refrigeran bersentuhan dengan isi kulkas dan menyerap kalor secara isotermal pada $T_C$. Pada alat di bawah, kurva isotermal mempertahankan suhu tetap saat volume membesar — kalor yang diserap keluar seluruhnya sebagai kerja (karena $\Delta U = 0$). Inilah tahap di mana makanan di kulkas kehilangan kalornya.