Termodinamika Fisikastudycenter.com- Contoh Soal dan Pembahasan tentang Termodinamika, Materi Fisika kelas 2 (XI) SMA. Mencakup Usaha, Proses-Proses Termodinamika, Hukum Termodinamika I dan Mesin Carnot.

Rumus - Rumus Minimal

Hukum Termodinamika IΔU = Q − WKeterangan :ΔU = perubahan energi dalam (joule)Q = kalor (joule)W = usaha (joule)

Proses-prosesIsobaris → tekanan tetapIsotermis → suhu tetap → ΔU = 0Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0Siklus → daur → ΔU = 0

Persamaan Keadaan GasHukum Gay-LussacTekanan tetap → V/T = Konstan → V

1/T1 = V

2/T2

Hukum CharlesVolume tetap → P/T = Konstan → P

1/T1 = P

2/T2

Hukum BoyleSuhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2

P, V, T Berubah (non adiabatis)(P

1V

1) / (T1) = (P

2V

2) / (T2)

AdiabatisP1V1 γ= P2V2

γ

T1V1 γ − 1= T2V2γ − 1

γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = C

p/Cv

UsahaW = P(ΔV) → IsobarisW = 0 → IsokhorisW = nRT ln (V2 / V1) → IsotermisW = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik) Keterangan :T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)P = tekanan (Pa = N/m2)V = volume (m3)n = jumlah mol1 liter = 10−3m3

1 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!)Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693

Mesin Carnotη = ( 1 − T

r / Tt ) x 100 %η = ( W / Q1 ) x 100%W = Q1 − Q2

Keterangan :η = efisiensi mesin Carnot (%)Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin)Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)W = usaha (joule)Q1 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)Q2 = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Contoh soal dan pembahasan

Soal No. 1Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!

(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

PembahasanData :V2 = 4,5 m3 V1 = 2,0 m3 P = 2 atm = 2,02 x 105 PaIsobaris → Tekanan Tetap

W = P (ΔV)W = P(V2 − V1)W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule

Soal No. 21,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar....A. 60 kJB. 120 kJC. 280 kJD. 480 kJE. 660 kJ(Sumber Soal : UMPTN 1995)

PembahasanData :V1 = 1,5 m3

T1 = 27oC = 300 KT2 = 87oC = 360 KP = 2 x 105 N/m2

W = PΔVMencari V2 :V

2/T2 = V1/T1

V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3

W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

Soal No. 32000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

PembahasanData :n = 2000/693 mol

V2 = 5 LV1 = 2,5 LT = 27oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas :W = nRT ln (V2 / V1)W = (2000/693 mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L / 2,5 L )W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule

Soal No. 4Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah....A. 120 JB. 124 JC. 135 JD. 148 JE. 200 J(Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Pembahasanη = ( 1 − T

r / Tt ) x 100 %Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :η = ( 1 − 400/600) = 1/3

η = ( W / Q1 ) 1/3 = W/600

W = 200 J

Soal No. 5Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....A. 660 kJB. 400 kJ

C. 280 kJD. 120 kJE. 60 kJ(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)

PembahasanWAC = WAB + WBC

WAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ

Soal No. 6Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%A. 50,0B. 52,5C. 57,0D. 62,5E. 64,0(Sumber Soal : SPMB 2004)

PembahasanData pertama:η = 40% = 4 / 10

Tt = 400 KCari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:η = 1 − (Tr/Tt)4 / 10 = 1 − (Tr/400)(Tr/400) = 6 / 10

Tr = 240 K

Data kedua :Tt = 640 KTr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)η = ( 1 − Tr/Tt) x 100%η = ( 1 − 240/640) x 100%η = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%

Soal No. 7Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, maka suhu reservoir suhu tinggi dinaikkan menjadi....(UMPTN 90)

A. 900 KB. 960 KC. 1000 KD. 1180 KE. 1600 K

PembahasanRumus efisiensi (tanpa %)

Data dari Efisiensi pertama, Tt = 800 Kη = 40% = 0,4 → (1 − η) = 0,6

Dari sini diperoleh suhu rendah Tr

Dari data efisiensi kedua,η = 50% = 0,5 → (1 − η) = 0,5Tr = 480 K

Suhu tingginya:

Soal No. 8Sebuah mesin Carnot bekerja pada pada suhu tinggi 627°C memiliki efisiensi 50%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 70% pada suhu rendah yang tetap, maka suhu tingginya harus dinaikkan menjadi....

A. 1500°CB. 1227°CC. 1127°CD. 1073°CE. 927°C

Soal No. 9Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :a) Efisiensi mesin Carnotb) Usaha mesin Carnotc) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnotd) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasana) Efisiensi mesin CarnotData :Tt = 227oC = 500 KTr = 27oC = 300 Kη = ( 1 − Tr/Tt) x 100%η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40%

b) Usaha mesin Carnotη = W/Q14/10 = W/1200

W = 480 joule

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin CarnotQ2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 jouleQ2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan daab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)

Soal No. 10Sejumlah gas ideal mengalami proses

seperti gambar berikut.

Proses yang menggambarkan adiabatis dan isokhorik berturut-turut ditunjukkan pada nomor...(UN Fisika 2013)A. 1 – 2 dan 3 – 4B. 1 – 2 dan 4 – 5 C. 2 – 3 dan 1 – 2D. 2 – 3 dan 1 – 2 E. 2 – 3 dan 3 – 4

PembahasanAdiabatis : proses dimana tidak ada kalor masuk atau keluar. Ciri garisnya melengkung curam. Seperti garis 2 - 3.

Isokhorik : proses pada volume tetap. Garisnya yang tegak lurus sumbu V. Bisa 5 - 1, juga 3 - 4.

Pilihan yang ada sesuai adiabatis dan isokhoris adalah 2 - 3 dan 3 - 4.

Soal No. 11

Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah....kilojoule.A. 200B. 400C. 600D. 800

E. 1000

PembahasanW = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcdaW = ab x bc W = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule

Soal No. 12Suatu pesawat pendingin Carnot mempunyai koefisien kinerja 6,5. Jika reservoir yang tinggi 27°C, maka reservoir yang bersuhu rendah adalah....A. −5 °CB. −8 °CC. −10 °CD. −12 °CE. −13 °C(Dari soal Soal UMPTN 1994)

PembahasanData dari soal adalah:Tt = 27°C = 27 + 273 = 300 KCp = 6,5Tr = .....

Dari rumus koefisien performansi mesin atau pesawat pendingin:

Dimana Cp = koefisien performansiTt = suhu tinggi (Kelvin)Tr = suhu rendah (Kelvin)

Masuk datanya:

Soal No. 13Sebuah mesin pendingin memiliki reservoir suhu rendah sebesar −15°C. Jika selisih suhu antara reservoir suhu tinggi dan suhu rendahnya sebesar 40°C, tentukan koefisien performansi mesin tersebut!

PembahasanData mesinTr = − 15°C = (− 15 + 273) K = 258 KTt − Tr = 40°CCp =....

Soal No. 14Sebuah kulkas memiliki suhu rendah − 13°C dan suhu tinggi 27°C. Jika kalor yang dipindahkan dari reservoir suhu rendah adalah 1300 joule, tentukan usaha yang diperlukan kulkas!

PembahasanData mesin pendinginTr = − 13°C = (− 13 + 273) K = 260 KTt = 27°C = 300 KQr = 1300 jW = ....

Rumus koefisien performansi jika diketahui usaha dan kalor

DimanaW = usaha yang diperlukan untuk memindahkan kalor dari suhu rendahQr = kalor yang dipindahkan dari suhu rendah

Sehingga jika digabung dengan rumus dari no sebelumnya diperoleh: