Soal Termodinamika 3 [PDF]

Citation preview

1). Pada percobaan Joule, beban bermassa 5 kg mengalami perpindahan kedudukan sebesar 2 m. Jika massa air sebesar 0,2 kg, perubahan suhu air akibat kalor hasil gesekan sudu-sudu dan air adalah... a. 1°C b. 10°C c. 100°C d. 0,1°C e. 0,12°C Diketahui: Massa beban (M) = 5 kg Perubahan kedudukan benda, s atau Δh = 2 m Massa air, (m) = 0,2 kg Kalor jenis air, (c) = 4.200 J/kg.K Percepatan gravitasi, g = 10 m/s² Ditanya: Perubahan suhu air (ΔT)? Jawab: Perubahan energi potensial gravitasi tepat sama dengan energi kalor pada air. ΔEP = Q M.g.Δh = m.c.ΔT Ingat, M adalah massa beban yang digantung, sedangkan m adalah massa air dengan kincir di dalamnya. (5).(10).(2) = (0,2)(4.200)(ΔT) 100 = 840.(ΔT) ΔT = 100/840 ΔT = 0,12°C (Jawaban: E) 2). Suatu gas dimampatkan secara isobarik pada tekanan 2 MPa dari 0,5 m³ menjadi 0,4 m³. Usaha yang dilakukan pada gas adalah... a. 10 kJ b. 20 kJ c. 100 kJ d. 200 kJ e. 400 kJ Diketahui: P = 2Mpa = 2.000.000 Pa ΔV = 0,4 m³ - 0,5 m³ = -0,1 m³ Ditanya: Usaha yang dilakukan (W) jika gas dimampatkan secara isobarik? Jawab: Jika gas dimampatkan secara isobarik, maka: W = P . ΔV W = 2000000. (-0,1)



W = -200.000 J W = -200 kJ 3). Sejumlah gas mengalami ekspansi secara adiabatik volumenya menjadi 0,1 m³. Jika suhu akhir gas setengah suhu awalnya dan tekanan awal gas 2 x 105 Pa, tekanan gas setelah ekspansi adalah... (γ = 1,4) a. 105 Pa b. 103 Pa c. 705 Pa d. 700 Pa e. 2 x 104 Pa Diketahui: V2 = 0,1 m³ T2 = 1T ----> setengah suhu awalnya T1 = 2T P1 = 2 x 105 Pa γ = 1,4 = 14/10 Ditanya: P2 (Tekanan gas setelah ekspansi)? Jawab: Cari dulu volume awal (V1). T1. V1γ-1 = T2. V2γ-1 2 . V11,4-1 = 1 . (0,1)1,4-1 2. V10,4 = (0,1)0,4 karena 0,4 = 4/10, maka semuanya dipangkatkan 10/4 agar pangkat yang lain hilang. 210/4. V1 = 0,1 5,65 .V1 = 0,1 V1 = 0,1 / 5,65 V1 = 0,017 m³ Lalu cari P2-nya. P1.V1γ = P2.V2γ 2 x 105 . (0,017)1,4 = P2 . (0,1)1,4 2 x 105 . 0,0035 = P2 . 0,04 P2 = 700 / 0,04 P2 = 17500 Pa 4). Grafik berikut ini menunjukkan hubungan antara volume (V) dan tekanan (p) dari suatu gas. Proses yang menunjukkan gas memperoleh energi terbesar dari usaha yang dilakukan lingkungan pada gas adalah... a. E ke A b. D ke E c. C ke D d. B ke C e. A ke B



Diketahui: Lihat pada gambar di buku. Ditanya: Proses yang menunjukkan gas memperoleh energi terbesar? Jawab: Usaha terbesar dimiliki oleh proses dengan bidang terluas dan yang memiliki bidang terluas adalah proses D ke E (Jawaban: B) 5). Suatu gas dalam tabung mengalami pemampatan secara adiabatik maka pada proses ini akan terjadi... a. W = 0 dan ΔT > 0 b. W < 0 dan ΔT > 0 c. W > 0 dan ΔT = 0 d. W < 0 dan ΔT < 0 e. W > 0 dan ΔT > 0 Jawab: Proses adiabatik adalah sebuah proses dimana pemuaian ditandai dengan tidak adanya kalor yang masuk atau keluar sistem "Q=0" sehingga berlaku ΔU = -W yang berarti W < 0. Jika gas memuai secara adiabatik, maka gas melakukan kerja dan mengakibatkan penurunan energi dalam sistem. Energi dalam sistem berkurang sebesar ΔU sehingga suhu gas juga turun, yang berarti ΔT < 0. (Jawaban: D) 6). Gas mengalami ekspansi secara isotermal dari volume awal 3 liter pada tekanan 20 atm (1 atm = 1,01 x 105 Pa) menjadi volume akhir 24 liter. Usaha yang dilakukan oleh gas tersebut adalah... (Diketahui: nRT1 = P1V1 dan ln 2 = 0,693) a. 1,25 x 103 J b. 2,50 x 103 J c. 12,5 x 103 J d. 2,5 x 104 J e. 1,25 x 105 J Diketahui: Isotermal = suhu tetap V1 = 3 L = 0,003 m³ V2 = 24 L = 0,024 m³ P = 20 atm = 20,2 x 105 Pa ln 2 = 0,693 nRT1 = P1V1 Ditanya: W (usaha)? Jawab: W = n.R.T1. ln (V2/V1) W = P1.V1. ln (V2/V1) W = 20,2 x 105 . 0,003 . In (0,024/0,003)



W = 6060 . ln 8 W = 6060 . ln 2³ ----- ln ar = r ln a W = 6060. 3 ln 2 W = 6060 . 3(0,693) W = 6060. 2,079 W = 12.598,74 J W = 12,5 x 103 J (Jawaban: C) 7). Pada tekanan konstan 106 Pa, suhu 10 mol gas helium naik dari -20°C menjadi 0°C. Perubahan energi dalam dan besar usaha yang dilakukan gas helium jika gas tersebut menyerap kalor sebesar 4 kJ adalah... (R = 8,31 J/K mol) a. ΔU = 2,49 kJ, W = 1,51 kJ b. ΔU = 1,51 kJ, W = 2,49 kJ c. ΔU = -2,49 kJ, W = -1,51 kJ d. ΔU = -1,51 kJ, W = -2,49 kJ e. ΔU = 2,49 kJ, W = 6,49 kJ Diketahui: P = 106 Pa n = 10 mol ΔT = (T2-T1) = (0°C-(-20°C)) = 20°C Q = 4 kJ = 4000 J R = 8,31 J/K mol Ditanya: Perubahan energi dalam (ΔU) dan besar usaha (W)? Jawab: Cari perubahan energi dalam dengan persamaan. ΔU = (3/2) n.R.ΔT ΔU = (3/2). 10. 8,31. 20 ΔU = 2493 J ΔU = 2,49 kJ Lalu cari usaha, dengan persamaan hukum 1 termodinamika. Q = ΔU + W W = Q - ΔU W = 4000 - 2493 W = 1507 J W = 1,51 kJ Jawaban: (A) 8). Besarnya energi dalam dari suatu gas monoatomik yang terdiri atas 1024 molekul dan bersuhu 400 K adalah... (k = 1,38 x 10-23 J/K) a. 0,34 kJ b. 0,69 kJ



c. 1,38 kJ d. 2,76 kJ e. 8,28 kJ Diketahui: N = 1024 molekul f = 3 (gas monoatomik memiliki derajat kebebasan 3) T = 400 K k = 1,38 x 10-23 J/K Ditanya: U (energi dalam)? Jawab: U = (3/2) N.k.T U = (3/2). 1024. 1,38 x 10-23 . 400 U = 8280 J U = 8,28 kJ (Jawaban: E) 9). Sejumlah gas ideal mengalami ekspansi sehingga volumenya menjadi dua kali semula, ternyata energi dalam gas menjadi empat kali semula. Tekanan gas tersebut akan menjadi... a. tetap b. 2 kali c. 4 kali d. 8 kali e. 16 kali Diketahui: V1 = 1V V2 = 2V U1 = 1U ----> T1 = T U2 = 4U ---> Jika Energi dalam dinaikkan, jika menurut rumus (N.f.(1/2).k.T), maka yang termasuk di dalamnya juga dinaikkan. --> Termasuk T (suhu) berarti T2 = 4T Ditanya: P (tekanan gas)? Jawab: Memakai persamaan. (P1.V1) / T1 = (P2.V2) /T2 (P1 .1) / 1 = (P2 . 2) / 4 P1 = (P2 . 2) / 4 -----> pindah 4 ke ruas kiri 4P1 = 2P2 P2 = 4P1/2 P2 = 2P1 Berarti tekanan gas tersebut akan menjadi 2 kali lipat dari tekanan awalnya (Jawaban: B)



10). Dua mol gas monoatomik mendapatkan kalor sebanyak 1297,14 joule secara isokhorik. Jika R = 8,13 J/mol K, tentukan perubahan suhu gas tersebut... a. 75 K b. 52 K c. 50 K d. 35 K e. 20 K Diketahui: Isokhorik = volume tetap n = 2 mol f = 3 (gas monoatomik dengan derajat kebebasan 3) Q = 1297,14 R = 8,13 J/mol K Ditanya: ΔT (perubahan suhu)? Jawab: Q = (f/2) n.R.ΔT 1297,14 = (3/2). 2 . 8,13 . ΔT 1297,14 = 24,39 . ΔT ΔT = 1297,14 / 24,39 ΔT = 53,1 K (Jawaban yang mendekati adalah (B)) 11). Mesin Carnot mengambil 1.000 kkal dari reservoir 627°C dan mengeluarkannya pada reservoir 27°C. Banyaknya kalor yang dikeluarkan reservoir suhu rendah adalah... a. 43,1 kkal b. 330 kkal c. 600 kkal d. 666,7 kkal e. 956,9 kkal Diketahui: Q1 = 1000 kkal T1 = 627°C = 627 + 273 = 900 K T2 = 27°C = 27 + 273 = 300 K Ditanya: Q2 (kalor yang dikeluarkan reservoir suhu rendah)? Jawab: Q2/Q1 = T2/T1 Q2 / 1000 = 300 / 900 Q2 = (300 x 1000) / 900 Q2 = 300000 / 900



Q2 = 333,33 kkal (Jawaban yang mendekati adalah: (B)) 12). Mesin Carnot menerima kalor dari reservoir bersuhu tinggi 900 K dan melepaskannya pada reservoir bersuhu rendah 495 K. Efisiensi mesin Carnot tersebut adalah... a. 40% b. 45% c. 50% d. 55% e. 80% Diketahui: T1 = 900 K T2 = 495 K Ditanya: η (efisiensi mesin Carnot)? Jawab: η = (1 - (T2/T1) x 100% η = (1 - (495/900) x 100% η = ((900/900) - (495/900)) x 100% η = 405/900 x 100% (100% = 100/100 = 1, jadi bisa diabaikan) η = 405/900 η = 0,45 η = 45/100 atau sama saja dengan 45% (Jawaban: B) 13). Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi... a. 900 K b. 960 K c. 1.000 K d. 1.180 K e. 1.600 K Diketahui: T1 = 800 K η1= 40% = 0,4 η2 = 50% = 0,5 Ditanya: T1 (suhu reservoir tinggi saat efisiensi menjadi 50%)? Jawab: tentukan suhu reservoir rendah (T2) pada efisiensi 40%. η = (1 - (T2/T1)) x 100% 0,4 = (1 - (T2/800)) x 100% ----> 100% = 100/100 = 1, jadi bisa dihilangkan karena dikalikan satu hasilnya tetap sama. 0,4 = 1 - (T2/800)



T2/800 = 1 - 0,4 T2 / 800 = 0,6 T2 = 480 K Lalu tentukan suhu reservoir tinggi menggunakan T2 yang diperoleh untuk η =50%. η = (1 - (T2/T1)) x 100% 0,5 = (1 - (480/T1)) 480/T1 = 1 - 0,5 480/T1 = 0,5 T1 = 480/0,5 T1 = 960 K (Jawaban: B) 14). Sejumlah gas ideal mengalami siklus, seperti pada gambar berikut. Dalam satu sekon dapat terjadi lima siklus. Daya yang dihasilkan per siklus adalah... a. 80 watt b. 200 watt c. 400 watt d. 800 watt e. 1000 watt Diketahui: Lihat pada gambar di buku. Ditanya: Daya yang dihasilkan? Jawab: *Usaha dari A ke B bertanda positif karena arah proses ke kanan. Karena bidangnya menyerupai luas trapesium, maka memakai luas trapesium. Wab = 1/2 (400 + 200 kPa) 4 L Wab = 1/2 (600) 4 Wab = 1/2 . 2400 Wab = 1200 J *Usaha dari B ke C bertanda negatif karena arah proses ke kiri. Karena bidangnya menyerupai persegi panjang, maka memakai luas persegi panjang. Wbc = - 200 kPa x 4 L Wbc = -800 J *Usaha dari C ke A sama dengan nol karena dengan sumbu V tidak dapat membentuk bidang (luasnya = 0) Usaha keseluruhan proses adalah = 1200 + (-800) + 0 = 400 J Dalam satu sekon dapat terjadi 5 siklus. Daya yang dihasilkan per siklus adalah 400 Watt (400 Joule/sekon) -> (Jawaban: C) 15). Suhu di dalam ruang mesin pendingin -3°C dan suhu udara luar 27°C. Setiap detik, kalor yang dilepaskan



mesin pendingin adalah 450 J. Besarnya daya listrik rata-rata yang dibutuhkan oleh mesin pendingin tersebut adalah... a. 25 watt b. 50 watt c. 90 watt d. 150 watt e. 900 watt Diketahui: T1 = -3°C = -3 + 273 = 270 K T2 = 27°C = 27 + 273 = 300 K Q1 = 450 J/detik Ditanya: Daya listrik rata-rata? Jawab: Kita cari dulu usahanya. W/Q1 = (T2/T1) - 1 W/Q1 = (300/270) - (270/270) W/Q1 = 30/270 W/Q1 = 1/9 W = (1/9) x Q1 W = (1/9) x 450 W = 50 J Lalu cari dayanya. P = W/t P = 50 J/1s P = 50 Watt (Jawaban: B)



Soal No. 1 Suatu 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) Pembahasan Data : V2 = 4,5 m3 V1 = 2,0 m3 P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa Isobaris → 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. 2 1,5 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 kJ B. 120 kJ C. 280 kJ D. 480 kJ E. 660 kJ (Sumber Soal : UMPTN 1995) Pembahasan Data : V1 = 1,5 m3 T1 = 27oC = 300 K T2 = 87oC = 360 K P = 2 x 105 N/m2 W = PΔV Mencari V2 : V2/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. 3 2000/693 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! Pembahasan Data : n = 2000/693 mol V2 = 5 L V1 = 2,5 L T = 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. 4 Mesin 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 J B. 124 J C. 135 J D. 148 J E. 200 J (Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18) Pembahasan η = ( 1 − Tr / 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. 5 Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut! Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar…. A. 660 kJ B. 400 kJ C. 280 kJ D. 120 kJ E. 60 kJ (Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17) Pembahasan WAC = WAB + WBC WAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ Soal No. 6 Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya…..% A. 50,0 B. 52,5 C. 57,0 D. 62,5 E. 64,0 (Sumber Soal : SPMB 2004) Pembahasan Data pertama: η = 40% = 4 / 10 Tt = 400 K Cari 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 K Tr = 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. 7 Perhatikan gambar berikut ini! Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan : a) Efisiensi mesin Carnot b) Usaha mesin Carnot c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot d) Jenis proses ab, bc, cd dan da Pembahasan a) Efisiensi mesin Carnot Data : Tt = 227oC = 500 K Tr = 27oC = 300 K η = ( 1 − Tr/Tt) x 100% η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40% b) Usaha mesin Carnot η = W/Q1 4/10 = W/1200 W = 480 joule c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot Q2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 joule,Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2 d) Jenis proses ab, bc, cd dan da ab → 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. 8 Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah….kilojoule. A. 200 B. 400 C. 600 D. 800 E. 1000 Pembahasan W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda W = ab x bc W = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule



Soal no 1



Soal no 2



Soal no 3



Soal no 4



Soal no 5



Soal no 6



Soal no 7



Soal no 8



Soal no 9



Soal no 10



Soal no 11



Soal no 12



Soal no 13



Soal no 14