Contoh Soal Hukum 2 Termodinamika [PDF]

Citation preview

SOAL DAN PEMBAHASAN SIKLUS CARNOT HUKUM TERMODINAMIKA II DAN ENTROPI



DOSEN PENGAMPU : Dr. Ni Ketut Rapi, M.Pd. Dr. Putu Artawan, S.Pd., M.Si.



DISUSUN OLEH : I Gede Juniartawan (2113021002) I Putu Merta Adi Putra (2113021002)



FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA 1



UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA 2021



KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, berkat rahmat Beliau kami bisa membuat dan menyelesaikan tugas makalah yang berjudul “Soal dan Pembahasan siklus carnot ,Hukum Termodinamika II dan Entropi” ini. Kami tahu bahwa dalam proses pembuatan makalah ini terdapat banyak kesalahan, oleh sebab itu, sudi kiranya kami diberikan kritik dan saran guna memperbaiki hasil karya kami sehingga menjadi lebih baik lagi kedepannya. Dengan ditulisnya makalah ini, kami harap bisa memberikan banyak manfaat bagi kita semua. Kami selaku penulis makalah ini memohon maaf yang sebesar besarnya atas kesalahan kami baik yang disengaja ataupun tidak disengaja. Akhir kata kami ucapkan terimakasih.



Singaraja, 8 Desember 2021



Penyusun



SOAL DAN PEMBAHASAN SIKLUS CARNOT, HUKUM 2 TERMODINAMIKA, DAN ENTROPI 1. Sebuah mesin Carnot dengan reservoir suhu tinggi pada temperature 920°K mengambil 850 kalor pada suhu dalam setiap siklus dan memberikan 635 Joule ke reservoir suhu rendah. Maka tentukan banyak kerja mekanik yang dilakukan mesin pada setiap siklus, berapa suhu reservoir suhu rendah dan berapa efisiensi termal siklus ? Dari soal di atas maka apat diketahui : 𝑇 = 920 K 𝑄 = 850 J 𝑄 = 635 J Dari Pernyataan Di atas maka yang ditanyakan adalah a) W = …….? b) 𝑇 =…..….? c) 𝜂



= ………?



Penyelesaian 𝑄 = 𝑊 = nR𝑇 ln Maka : a) 𝑊



=𝑊 -𝑊 =𝑄 -𝑄



𝑄 - 𝑄 = 850 – 635 = 215 Joule b) Untuk mencari 𝑇 dapat menggunakan rumus 𝑄 𝑇 = − 𝑄 𝑇 635 𝑇 =− 850 920



𝑇 =𝜂 = 1−



=



.



x 100%



= - 687 K



𝜂 = 1−



x 100%



= 0,26 x 100% = 26 % Sehingga efisiensinya adalah 26 % 2. Sebuah mesin carnot mengambil 4000 Joule panas dari suhu 800° K, melakukan kerja dan membuang sejumlah panas ke reservoir pada suhu 500 °K. Maka berapakah banyak kerja yang dilakukan oleh mesi tersebut? Dari soal diatas diketahui



;



𝑇 = 800° K 𝑇 = 500 °K 𝑄 = 4000 J Dari data yang diketahui diatas maka yang ditanyakan adalah W……? W =…….? Maka untuk mencari W(Usaha) langkah pertama yang harus kita gunakan adalah dengan mencari 𝑄 terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan : 𝑄 = 𝑊 = nR𝑇 ln 𝑄 𝑇 =− 𝑄 𝑇 𝑄 500 =− 4000 800 800𝑄 = -2.000.000 𝑄 =−



2.000.000 800



𝑄 = −2500 Setelah mendapatkan 𝑄 maka langkah selanjutnya yang kita lakukan adalah mencari usaha atau kerja (W) 𝑄 = 𝑊 = nR𝑇 ln 𝐾𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎 𝑄 = 𝑊 𝑠𝑎𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑄 = 𝑊 𝑊 + 𝑊 = 𝑄 -𝑄 Maka untuk mencari W dapat dilakukan dengan menjumlah 𝑄 dengan 𝑄 W=𝑄 +𝑄



Maka W = 4000 +(2500) W = 1500 Joule Sehingga usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot tersebut sebesar 1500 Joule 3. Seorang Guru menambahkan panas ke dalam 0,5 kilogram es pada suhu 0°C sampai semuanya meleleh, berapaah perubahan entropi pada air ? Berdasarkan soal diatas, maka diketahui 𝑚



:



= 0,5 kg



T = 0°C Berdasarkan yang diketahui diatas maka Ditanya



:



∆ =……….? Untuk mencari ∆ langkah pertama yang harus kita lakukan adalah mengkonversi temperature dari satuan Celcius ke satuan Kelvin sehingga dengan cara menambahkan +273 pada satuan Celcius 0 + 273 = 273 °K. Langkah selanjutnya baru kita mencari ∆ ∆ =𝑆 −𝑆 =



𝑄 𝑇



𝑄 = 𝑚 .𝐿 𝑄 = 0,50.3,34 𝑥10 𝑄 = 1,67 𝑥10 𝑚𝑎𝑘𝑎 ∆ = ∆ =



𝑄 𝑇



1,67 𝑥 10 273



∆ = 0,6 𝑥 10 J/K 𝐽𝐴𝑑𝑖 𝑏𝑒𝑠𝑎𝑟 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑛𝑦𝑎 𝑠𝑒𝑏𝑒𝑠𝑎𝑟 0,6 𝑥 10 J/K 4. Pada Sebuah kulkas mempunyai suhu terendah di dalam freezer sebesar -13 ℃. dengan suhu di luar kulkas 37℃. Besar koefisien performansi kulkas tersebut adalah…. Dari soal diatas diketahui :



𝑇 = 37℃. 𝑇 = -13℃. Pada soal yang ditanya adalah koefisien perforansi Kp =………? Untuk soal di atas langkah pertama yangharus kita lakukan untuk menyelesaikan soal tersebut adalah mengubah temperatur dari derajat Celcius menuju derajat Kelvin Untuk 𝑇 = 37℃ dikonversi menjadi derajat Kelvin sehingga menjadi 𝑇 = 37 + 273 𝑇 = 310°K Untuk 𝑇 = -13℃ dikonversi menjadi derajat Kelvin sehingga menjadi 𝑇 = -13 + 273 𝑇 = 260℃ Langkah selanjutya yang kita lakukan adalah Kp = Kp = Kp = Kp = 5,2 Sehingga koefisien Kapasitansi adalah 5,2 5. Tiga mol gas ideal mengalami kompresi isothermal reversible pada suhu temperatur 13℃. Selama proses ini gas menerima kerja sebesar 2850 joule, maka berapakah perubahan entropi pada gas Dari soal di atas diketahui : 𝑛



= 3 mol



𝑇



= 13 ℃



W



= 2850 Joule



Dari yang diketahui diatas maka hal yang ditanya adalah perubahan entropi ∆ =……… ? Untuk menyelesaikan soal di atas maka hal yang harus kita lakukan adalah mengubah temperature dari satuan ℃ ke satuan derajat Kelvin Sehingga :



T = 13 + 273 T = 290℃ Oleh karena sistem pada proses ishotermal maka suhunya tetap dan oleh karena sistem menerima usaha/kerja maka usaha/kerja bernilai negative Maka Q=-W Sehingga ∆ = ∆ = ∆ = 9,8



Sehingga besar perubahan entropinya sebesar 9,8 J/K 6. 4 gram O berekspansi pada suhu tetap yaitu 27°𝐶 dari volume 3 Liter sampai 6 Liter. Tentukanlahperubahan entropi pada proses reversibel dan irreversible? Penyelesaian: Diketahui: Massa (m)= 4 gram Mr O = 32 R = 8,314 T = 27°𝐶 + 273 = 300K Ditanya: ∆S = …..? Jawab : Pada proses isothermal Q= - W, maka W= - n R T ln ( ) W= -



R T ln ( )



W= -



× 8,134 × 300 ln( )



W= - 0,125 × 8,134 × 300 × 0,69 W= - 216,12 Joule Maka perubahan entropi proses reversible adalah:



∆S = ∆S = ∆S =



(



,



)



∆S = 0,72 J/K 7. Sebuah mesin Carnot menyerap kalor sebesar 500 kJ. Mesin ini bekerja pada reservoir bersuhu 600 K dan 400 K. Berapa kalor yang terbuang oleh mesin? Dik: T1 = 600 K T2 = 400 K Q1 = 500 kJ Dit: Q2 = ...? Jawab: 𝑇 𝜂 = 1 − × 100% 𝑇 400 𝜂 =1− × 100% 600 𝜂 = 1 − 0,67 × 100% 𝜂 = 33% 1 𝜂= 3 Untuk menghitung Q2, dapat diperoleh dengan persamaan efisiensi: 𝑄 𝜂 =1− × 100% 𝑄 1 𝑄 =1− × 100% 3 500 𝑄 = 333,3 kJ 8. Mesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3oC dan suhu udara luar 27oC, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendingin selama 10 menit? (efisiensi mesin ideal). Dik: P = 500 watt T1 = 27oC = 300 K T2 = -3oC = 270 K Dit: Q2 = …? Jawab: 𝑄 𝑇 𝐾 = = 𝑊 𝑇 −𝑇 𝑊. 𝑇 𝑄 = 𝑇 −𝑇



500 × 270 300 − 270 𝑄 = 4500 J Waktu 10 menit = 600 s 𝑄 = 4500 × 600 𝑄 = 2,7 × 10 𝐽 𝑄 =



9. 1.200 J kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut (tidak ada perubahan lain yang terjadi) Dik: Q = 1.200 J, T1 = 600 K, T2 = 300 K. Dit: ∆𝑆 = …? Jawab: Perubahan entropi reservoir panas: −𝑄 −1200 ∆𝑆 = = = −2 J/K 𝑇 600 Perubahan entropi reservoir dingin: 𝑄 1200 ∆𝑆 = = = 4 J/K 𝑇 300 Total perubahan entropi adalah : ∆𝑆 = ∆𝑆 + ∆𝑆 = −2 + 4 = 2 J/K 10. Sebuah mesin Carnot memiliki suhu 270 C pada resevoir suhu rendah dan 1270 C pada suhu tinggi. Jika mesin melepas panas sebesar 600 Joule maka efisiensi mesin Carnot adalah? Dik: T1 = 127oC = 400 K T2 = 27oC = 300 K Dit: 𝜂 = …? Jawab: 𝑇 𝜂 = 1 − × 100% 𝑇 300 𝜂 =1− × 100% 400 𝜂 = 1 − 0,75 × 100% 𝜂 = 25% 11. Sebuah lemari es memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang di luar lemari es adalah 28°C, berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es yang dapat diperoleh?



Dik: Kp = 6 T1 = 28°C = 301 K Dit: T2 = …? Jawab: 𝑇 𝐾 = 𝑇 −𝑇 𝐾 𝑇 −𝐾 𝑇 =𝑇 𝐾 𝑇 =𝑇 1+𝐾 𝐾 𝑇 = 𝑇 1+𝐾 6 𝑇 = 301 𝐾 1+6 𝑇 = 258 K = −15°C