Soal Dan Pembahasan Termodinamika

(1)

soal dan pembahasan :

soal dan pembahasan : termodinamik

termodinamika

a

Posted on

Posted onOctober 30, 2010October 30, 2010. Filed under:. Filed under: contoh soalcontoh soal ||

ontoh Soal dan Pembahasan tentang Termodinamika, Materi Fisika kelas 2 (XI)

ontoh Soal dan Pembahasan tentang Termodinamika, Materi Fisika kelas 2 (XI) SMA.SMA. Mencakup Usaha, Proses-Proses Termodinamika

Mencakup Usaha, Proses-Proses Termodinamika, Hukum Termodinamika I , Hukum Termodinamika I dan Mesindan Mesin Carnot.

Carnot.

Rumus

_–

Rumus MinimalRumus Minimal

Hukum Termodinamika I Hukum Termodinamika I ΔU = Q − W ΔU = Q − W Keterangan : Keterangan :

ΔU = perubahan ener

ΔU = perubahan ener gi dalam (joule)gi dalam (joule) Q = kalor (joule) Q = kalor (joule) W = usaha (joule) W = usaha (joule) Proses-proses Proses-proses

Isobaris → tekanan tetap Isobaris → tekanan tetap

Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0 Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0

Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0 Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0 Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q

Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0= 0 Siklus → daur →

Siklus → daur → ΔU = 0ΔU = 0 Persamaan Keadaan Gas

Persamaan Keadaan Gas

Hukum Gay-Lussac Hukum Gay-Lussac Tekanan tetap →

Tekanan tetap → VV / / TT = Konstan →= Konstan → VV11 / / T1T1== VV22 / / T2T2

Hukum Charles Hukum Charles Volume tetap →

Volume tetap → PP / / TT = Konstan →= Konstan → PP11 / / T1T1== PP22 / / T2T2

Hukum Boyle Hukum Boyle

Suhu tetap → PV = Konstan → P

Suhu tetap → PV = Konstan → P11VV11= P= P22VV22

P, V, T

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

(P (P 1 1VV11))/ / (T1)(T1) ==(P(P22VV22)) / / (T2)(T2) Adiabatis Adiabatis P P11VV11γγ= P= P22VV22γγ

(2)

T

T11VV11γ − 1γ − 1= T= T22VV22γ − 1γ − 1

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

γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = CCpp / / CvCv

Usaha Usaha W = P(ΔV) → Isobaris W = P(ΔV) → Isobaris W = 0 → Isokhoris W = 0 → Isokhoris W = nRT ln (V W = nRT ln (V22/ V/ V11) → Isotermis) → Isotermis W = −

W = − 33 / / 22nRΔT → Adiabatis ( gas nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik)monoatomik)

Keterangan : Keterangan :

T = suhu (Kelvin, jangan Celcius) T = suhu (Kelvin, jangan Celcius) P = tekanan (Pa = N/m P = tekanan (Pa = N/m22)) V = volume (m V = volume (m33)) n = jumlah mol n = jumlah mol 1 liter = 10 1 liter = 10−3−3mm33 1 atm = 10

1 atm = 1055Pa ( atau ikut soal!)Pa ( atau ikut soal!)

Jika tidak diketahui di soal ambil nilai

Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693ln 2 = 0,693

Mesin Carnot Mesin Carnot η = ( 1 − η = ( 1 − TTrr/ / TtTt ) x 100 %) x 100 % η = ( η = (WW/ / Q1Q1) x 100%) x 100% W = Q W = Q11− Q− Q22 Keterangan : Keterangan :

η = efisiensi mesin Carnot (%) η = efisiensi mesin Carnot (%) T

Trr= suhu reservoir rendah (Kelvin)= suhu reservoir rendah (Kelvin)

T

Ttt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)= suhu reservoir tinggi (Kelvin)

W = usaha (joule) W = usaha (joule) Q

Q11 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)= kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)

Q

Q22= kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)= kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Contoh Soal dan Pembahasan

Soal No. 1

Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m

Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m33 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volumedipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m

akhirnya menjadi 4,5 m33. Jika tekanan gas adalah 2 atm, . Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 10

(1 atm = 1,01 x 1055Pa)Pa) Pembahasan Pembahasan Data : Data : V V22 = 4,5 m= 4,5 m33 V V11 = 2,0 m= 2,0 m33 P = 2 atm = 2,02 x 10 P = 2 atm = 2,02 x 1055PaPa Isobaris → Tekanan Tetap Isobaris → Tekanan Tetap W = P (ΔV) W = P (ΔV) W = P(V W = P(V22− V− V11)) W = 2,02 x 10 W = 2,02 x 1055(4,5 − 2,0) = 5,05 x 10(4,5 − 2,0) = 5,05 x 1055joulejoule Soal No. 2 Soal No. 2 1,5 m

1,5 m33gas helium yang bersuhu 27gas helium yang bersuhu 27ooC dipanaskan secara isobarik sampai 87C dipanaskan secara isobarik sampai 87ooC. Jika tekananC. Jika tekanan gas helium 2 x 10

(3)

A. 60 kJ A. 60 kJ B. 120 kJ B. 120 kJ C. 280 kJ C. 280 kJ D. 480 kJ D. 480 kJ E. 660 kJ E. 660 kJ

(Sumber Soal : UMPTN 1995)

Pembahasan Pembahasan Data : Data : V V11 = 1,5 m= 1,5 m33 T T11= 27= 27ooC = 300 KC = 300 K T T22= 87= 87ooC = 360 KC = 360 K P = 2 x 10 P = 2 x 1055 N/mN/m22 W = PΔV W = PΔV Mencari V Mencari V22 :: V V 2 2 / / T2T2== VV11 / / T1T1 V V22 = (= (VV11 / / T1T1 ) x T) x T22= (= (1,51,5 / / 300300) x 360 = 1,8 m) x 360 = 1,8 m33 W = PΔV = 2 x 10 W = PΔV = 2 x 1055(1,8 − 1,5) = 0,6 x 10(1,8 − 1,5) = 0,6 x 1055= 60 x 10= 60 x 1033= 60 kJ= 60 kJ Soal No. 3 Soal No. 3 2000 2000 /

/ 693693mol gas helium pada suhu tetap 27mol gas helium pada suhu tetap 27ooC mengalami perubahan volume dari 2,5 liC mengalami perubahan volume dari 2,5 literter

menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K

menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gasdan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium! helium! Pembahasan Pembahasan Data : Data : n = n =20002000 / / 693693molmol V V22 = 5 L= 5 L V V11 = 2,5 L= 2,5 L T = 27 T = 27ooC = 300 KC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas : Usaha yang dilakukan gas : W = nRT ln (V

W = nRT ln (V22/ V/ V11))

W = (

W = (20002000 / / 693693mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln (mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L5 L / / 2,5 L2,5 L))

W = (

W = (20002000 / / 693693) (8,314) (300) (0,693) = ) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule4988,4 joule

Soal No. 4

Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K,

Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesinuntuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu

menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah….yang dihasilkan adalah…. A. 120 J A. 120 J B. 124 J B. 124 J C. 135 J C. 135 J D. 148 J D. 148 J E. 200 J E. 200 J

(Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Pembahasan

η = ( 1 −

η = ( 1 − TTrr/ / TtTt ) x 100 %) x 100 %

Hilangkan saja 100% untuk

(4)

η = ( 1 − η = ( 1 − 400400 / / 600600) =) = 11 / / 33 η = η = ((WW/ / Q1Q1)) 1 1 / / 33== WW / / 600600 W = 200 J W = 200 J Soal No. 5 Soal No. 5

Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!

gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar…. Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar…. A. 660 kJ A. 660 kJ B. 400 kJ B. 400 kJ C. 280 kJ C. 280 kJ D. 120 kJ D. 120 kJ E. 60 kJ E. 60 kJ

(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)

Pembahasan Pembahasan W WACAC= W= WABAB+ W+ WBCBC W WACAC= 0 + (2 x 10= 0 + (2 x 1055)(3,5 − 1,5) = 4 x 10)(3,5 − 1,5) = 4 x 1055= 400 kJ= 400 kJ Soal No. 6 Soal No. 6

Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K

Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%.akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K,

Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya…..%efisiensinya…..% A. 50,0 A. 50,0 B. 52,5 B. 52,5 C. 57,0 C. 57,0 D. 62,5 D. 62,5 E. 64,0 E. 64,0 (Sumber Soal : SPMB 2004) (Sumber Soal : SPMB 2004) Pembahasan Pembahasan Data pertama: Data pertama: η = 40% = η = 40% = 44 / / 1010 T Ttt = 400 K= 400 K

Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (T

Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (Trr) hilangkan 100 % ) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitunganuntuk mempermudah perhitungan::

η = 1 − ( η = 1 − (TrTr / / TtTt)) 4 4 / / 1010 = 1 − (= 1 − (TrTr / / 400400)) ((TrTr / / 400400) =) = 66/ / 1010 Tr = 240 K Tr = 240 K

(5)

Data kedua : Data kedua : Tt = 640 K Tt = 640 K

Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama) Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama) η = ( 1 − η = ( 1 − TrTr / / TtTt) x 100%) x 100% η = ( 1 − η = ( 1 − 240240 / / 640640) x 100%) x 100% η = ( η = (55/ / 88 ) x 100% = 62,5%) x 100% = 62,5% Soal No. 7 Soal No. 7

Perhatikan gambar berikut ini! Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :adalah 1200 joule, tentukan : a) Efisiensi mesin Carnot

a) Efisiensi mesin Carnot b) Usaha mesin Carnot b) Usaha mesin Carnot

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot

Carnot

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da d) Jenis proses ab, bc, cd dan da Pembahasan

Pembahasan

a) Efisiensi mesin Carnot a) Efisiensi mesin Carnot Data : Data : Tt = 227 Tt = 227ooC = 500 KC = 500 K Tr = 27 Tr = 27ooC = 300 KC = 300 K η = ( 1 − η = ( 1 − TrTr / / TtTt) x 100%) x 100% η = ( 1 − η = ( 1 − 300300 / / 500500) x 100% = 40%) x 100% = 40%

b) Usaha mesin Carnot b) Usaha mesin Carnot η = η = WW / / Q1Q1 4 4 / / 1010 ==WW / / 12001200 W = 480 joule W = 480 joule

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot Carnot Q Q22 = Q= Q11 − W = 1200 − 480 = 720 joule− W = 1200 − 480 = 720 joule Q Q22 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2: W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da d) Jenis proses ab, bc, cd dan da

ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap) ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap) bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu g

bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)as turun) cd → pemampatan isotermal

cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)(volume gas berkurang, suhu gas tetap) da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik) da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik) Soal No. 8

(6)

Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti

Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja pada gambar P − V di atas. Kerja yangyang dihasilkan pada proses siklus ini adalah….kilojoule.

dihasilkan pada proses siklus ini adalah….kilojoule. A. 200 A. 200 B. 400 B. 400 C. 600 C. 600 D. 800 D. 800 E. 1000 E. 1000 Pembahasan Pembahasan

W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda W = ab x bc

W = ab x bc W = 2 x (2 x 10