SOAL-SOAL LATIHAN
KOMPETENSI DASAR
Menguasai hukum Termodinamika
Menggunakan hukum Termodinamika dalam perhitungan
A. TEORI KINETIK GAS
1. Gas IdealGas yang diperhitungkan dalam perhitungan teori kinetik gas adalah gas ideal, yaitu memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
a. Gas terdiri dari molekul-molekul yang sangat banyak dan jarak antar molekulnya jauh lebih besar dari pada ukuran molekul tersebut
b. Molekul-molekul gas bergerak secara acak dengan kecepatan tetap dan memenuhi hukum gerak newton
c. Molekul-molekul gas mengalami tumbukan lenting sempurna satu sama lain dan dengan dinding wadahnya.
2. Hukum Boyle-Gay Lussac
Berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan oleh Boyle dan Gay Lussac mengenai gas dalam ruang tertutup, diperoleh persamaan berikut:
P
⋅ V =konstan atau
T
P1 : tekanan gas pada keadaan 1 ( Pa atau N/m2 ) V1: volume gas pada keadaan 1 ( m3 )
T1: temperatur gas pada keadaan 1 ( K )
P2 : tekanan gas pada keadaan 2 ( Pa atau N/m2 ) V2: volume gas pada keadaan 2 ( m3 )
T2: temperatur gas pada keadaan 2 ( K ) 3. Persamaan Gas Ideal
Bentuk umum persamaan gas ideal:
P ⋅V = n⋅R ⋅T atau P ⋅V = N ⋅K ⋅T
N : jumlah mol mole (mol)
R : konstanta umum gas (8,31 J/mol K) K : konstanta Boltzman ( 1,38 x 10-23 J/K) P : tekanan gas ( Pa atau N/m2 )
V : volume gas ( m3 ) T : temperatur gas ( K )
P
1 ⋅ V 1 = P 2 ⋅ V 2
V P
W= ⋅∆ ∆V=V2 −V1
,
Jadi W=P⋅(V2 −V1)Dan besarnya jumlah mol dapat dihitung dengan persamaan Atau
m : massa gas
( gr ) mr : massa relatif partikel gas ( gr/mol )
N : jumlah partikel gas
NA : bilangan Avogadro ( 6,02 x 1023 partikel/mol )
Soal Latihan
1. Dalam suatu tabung terdapat gas yang suhunya 27°C dan tekanannya 1.2 x 105
Pa. Jika tabung dipanaskan hingga suhunya menjadi 127°C dan volume gas tetap maka tekanan gas menjadi . . .
2. Sebanyak 2 mol gas pada suhu 27°C dan tekanan 1 atm ( 1 atm = 105 Pa )
memiliki volume sebesar . . .
3. Suatu gas ideal ( Mr = 16 gr/mol ) memiliki tekanan 105 Pa dan massanya 32 gr. Jika suhu gas 77°C, tentukan Jumlah mole gas ....
4. Volume gas ( R = 8.31 J/mol K ) 4. Sejumlah 18.06 x 1025 partikel gas berada dalam tabung yang volumenya 0.5 m3. Jika suhu gas 227°C, tekanan gas tersebut adalah . . .
B. USAHA dan HUKUM TERMODINAMIKA 1
1. UsahaUsaha dihasilkan oleh perubahan volume sistem akibat proses pemanasan.
W : usaha (Joule)
P : tekanan (Pa atau N/m2) ∆V : perubahan volume (m3) V1 : volume awal (m3) V2 : volume akhir (m3)
Usaha Pada Grafik P-V
Besarnya usaha yang dihasilkan pada proses termodinamika dapat juga ditentukan melalui grafik P – V seperti berikut:
N = N NA n= m m r
Besarnya usaha yang dihasilkan berdasarkan grafik di samping adalah sebesar luas daerah yang diarsir di bawah garis proses yang paling atas
W ( usaha ) = Luas daerah yang di arsir
Besarnya usaha tersebut dapat bernilai positif (+), dan dapat pula bernilai negatif (-). Nilai tersebut dapat diketahui dengan mengamati arah panah pada garis proses yang paling atas. Jika arah panah menuju ke volume yang lebih besar atau ke arah kanan maka usaha yang dihasilkan tersebut bernilai positif (+), tapi jika arah panah menuju ke volume yang lebih kecil atau ke arah kiri maka usaha tersebut bernilai negatif ( - ).
2. Hukum Termodinamika 1
"Besar energy kalor yang diberikan pada suatu system tidak seluruhnya diubah menjadi usaha tapi sebagian berubah dalam bentuk perubahan energy dalam. Dalam proses tersebut jumlah energy tetap"
Berlaku:
∆Q = ∆U +W
∆Q : Perubahan kalor (joule)
∆U : Perubahan energi dalam (joule) W : Usaha luar (joule)
Jika sistem menghasilkan usaha, maka W positif (+). Jika sistem menerima usaha, maka W negatif (-)
Soal latihan
1. Sebuah piston volumenya 200 cm3. Di dalamnya terdapat gas yang tekanannya
T K U = ⋅ ⋅ ∆ 2 3
menjadi 250 cm3 dan tekanannya tetap maka usaha yang dihasilkan piston tersebut adalah sebesar . . .
2. Suatu sistem dipanaskan dengan kalor sebesar 800 J. Jika besar energi dalam sistem 1000 J, tentukan
a. Besarnya usaha pada sistem
3. Sistem menghasilkan usaha atau menerima usaha. Besarnya usaha yang dihasilkan berdasarkan grafik berikut adalah . . .
C. PROSES-PROSES TERMODINAMIKA
1. IsobarikProses isobarik yaitu proses yang terjadi pada tekanan tetap (∆P = 0), Berlaku:
Besarnya usaha: W = P
(
V2 −V1)
W : usaha pada proses isobarik (joule) P : tekanan (Pa atau N/m2)
Besarnya energi dalam:
∆U : perubahan energi dalam (joule) K : konstanta boltsman (1.38 x 10-23 J/K) T : suhu (k) V 1 = V 2 T1 T2
T K U = ⋅ ⋅∆ ∆ 2 3 2. Isokhorik
Proses isokhorik yaitu proses yang terjadi pada volume tetap (∆V = 0) Berlaku: Besarnya usaha: W = 0 (tidak ada) Besarnya energi dalam: 3. Isotermis
Proses isotermis yaitu proses yang terjadi pada suhu tetap (∆T = 0), Berlaku: P1 ⋅V1 = P2 ⋅V2
Besarnya usaha: n : jumlah mol (mol)
R : konstanta umum gas ( 8,314 J/mol K ) T : suhu (K)
Besarnya energi dalam: ∆U = 0
4. Adiabatis
Proses adiabatis yaitu proses yang terjadi pada kalor tetap (∆Q = 0),
P1 = P2 T1 T2 V2 W = n⋅R ⋅T ⋅ln V1
Berlaku: P1⋅V1γ =P2⋅V2γ Besarnya usaha:
(
2 1)
2 3 T T R n W= ⋅ ⋅ ⋅ − T1 : suhu awal (K) T2 : suhu akhir (K) γ : konstanta laplaceBesarnya energi dalam: ∆U = W
D. HUKUM TERMODINAMIKA 2
Pernyataan kelvin-plack: ” Tidak mungkin untuk membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik.”
Berdasarkan pernyataan kevin-planck tersebut, dapat disimpulkan bahwa tidak mungkin suatu mesin memiliki effisiensi sebesar 100%.
Pernyataan kelvin-planck ini diterapkan pada mesin kalor
Pernyataan Clausius: ”tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda bersuhu rendah ke benda yang suhunya lebih tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar”
Pernyataan clausius diterapkan pada mesin pendingin
E. SIKLUS CARNOT
1. Mesin Carnota. Siklus Carnot
Siklus carnot terdiri dari dua proses. Yaitu: proses isotermis dan proses adiabatik
Pada siklus tersebut terjadi 4 proses, yaitu: • a – b, proses isothermal
• b – c, proses adiabatic • c – d, proses isothermal • d – a, proses adiabatic b. Bagan Energi Carnot
Pada prinsipnya, bagan skema energy mesin carnot sama dengan bagan skema energy pada mesin kalor (mesin yang yang menggunakan panas), bagan mesin kalor tersebut yaitu sebagai berikut:
Skema Mesin Kalor
Pada mesin kalor berlaku:
Q1 =W + Q2
Sedangkan Pada mesin carnot , selain berlaku persamaan di atas, juga berlaku: Q 1 Q 2 T 1 = T2
Q1 : kalor pada reservoir suhu tinggi (joule) T1 : Suhu pada reservoir suhu tinggi ( Kelvin) W : usaha (joule)
Q2 : kalor pada reservoir suhu rendah (joule) T2 : Suhu pada reservoir suhu rendah ( Kelvin)
Efisiensi yaitu persentase perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan energy pada reservoir suhu tinggi (energy yang diserap), atau dapat ditulis:
η=W x 100%
Q
1Untuk mesin kalor dapat ditulis:
Q
2η= − 1
×100%
Q
1Sedangkan khusus Untuk mesin carnot berlaku juga:
1−
T2×100% =
η
T
1η : efisiensi (%) W : usaha (joule)
Q1 : energy kalor pada reservoir suhu tinggi (joule) T1 : suhu pada reservoir suhu tinggi (K)
T2 : suhu pada reservoir suhu rendah (K)
F. MESIN PENDINGIN
Mesin pendingin bekerja dengan memindahkan kalor dari reservoir suhu tinggi ke reservoir suhu renda. Untuk memindah kan kalor tersebut diperlukan usaha sebesar W.
Skema Mesin Pendingin
Dalam mesin pendingin dikenal adanya Koefisien Performansi (CP : Coefficien Performance). CP yaitu perbandingan antara energi dingin yang dicapai sistem terhadap usaha yang dilakukan pada sistem. Besarnya yaitu:
Q2 Q2 Cp = = W Q1 −Q2 T 2 T1 −T2
Q1: kalor pada reservoir suhu tinggi (joule) Q2: kalor pada reservoir suhu tinggi (joule) CP: koefisien Performansi (%)
T1: suhu pada reservoir suhu tinggi (kelvin) T2: suhu pada reservoir suhu rendah (kelvin)
Hukum Termodinamika 0
” Apabila dua buah benda berbeda yang berada di dalam kesetimbangan thermal digabungkan dengan sebuah benda lain, maka ketigatiganya berada dalam kesetimbangan thermal ”