Soal termo

38
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 I ΔU = Q − W Keterangan : ΔU = perubahan energi dalam (joule) Q = kalor (joule) W = usaha (joule) Proses-proses Isobaris → tekanan tetap Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0 Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0 Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0 Siklus → daur → ΔU = 0 Persamaan Keadaan Gas Hukum Gay-Lussac Tekanan tetap → V/T = Konstan → V1/T1 = V2/T2 Hukum Charles Volume tetap → P/T = Konstan → P1/T1 = P2/T2 Hukum Boyle Suhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2 P, V, T Berubah (non adiabatis) (P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2) Adiabatis P1V1 γ= P2V2γ T1V1 γ − 1= T2V2γ − 1 γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/Cv Usaha W = P(ΔV) → Isobaris W = 0 → Isokhoris W = nRT ln (V2 / V1) → Isotermis W = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik) Keterangan : T = suhu (Kelvin, jangan Celcius) P = tekanan (Pa = N/m2) V = volume (m3) n = jumlah mol 1 liter = 10−3m3 1 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!) Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693

Transcript of Soal termo

Page 1: Soal termo

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 MinimalHukum 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 = 0Persamaan Keadaan GasHukum Gay-LussacTekanan tetap → V/T = Konstan → V1/T1 = V2/T2Hukum CharlesVolume tetap → P/T = Konstan → P1/T1 = P2/T2Hukum BoyleSuhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2P, V, T Berubah (non adiabatis)(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)AdiabatisP1V1 γ= P2V2γT1V1 γ − 1= T2V2γ − 1γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/CvUsahaW = 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 = 10−3m31 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!)Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693Mesin Carnot

Page 2: Soal termo

η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %η = ( W / Q1 ) x 100%W = Q1 − Q2Keterangan :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 PembahasanSoal 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 m3V1 = 2,0 m3P = 2 atm = 2,02 x 105 PaIsobaris → Tekanan TetapW = P (ΔV)W = P(V2 − V1)W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 jouleSoal 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 m3T1 = 27oC = 300 KT2 = 87oC = 360 KP = 2 x 105 N/m2W = PΔVMencari V2 :V2/T2 = V1/T1V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJSoal 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 molV2 = 5 L

Page 3: Soal termo

V1 = 2,5 LT = 27oC = 300 KUsaha 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 jouleSoal 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 − Tr / Tt ) x 100 %Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :η = ( 1 − 400/600) = 1/3η = ( W / Q1 )1/3 = W/600W = 200 JSoal 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 kJC. 280 kJD. 120 kJE. 60 kJ(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)PembahasanWAC = WAB + WBCWAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJSoal 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

Page 4: Soal termo

(Sumber Soal : SPMB 2004)PembahasanData pertama:η = 40% = 4 / 10Tt = 400 KCari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:η = 1 − (Tr/Tt)4 / 10 = 1 − (Tr/400)(Tr/400) = 6 / 10Tr = 240 KData 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. 7Perhatikan 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 daPembahasana) 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/1200W = 480 joulec) 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 : 2d) 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)

Page 5: Soal termo

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. 200B. 400C. 600D. 800E. 1000PembahasanW = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcdaW = ab x bcW = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule

1. Diagram PV di bawah ini menunjukkan siklus pada suatu gas. Tentukan usaha total yang dilakukan oleh gas!

     Jawaban:     Usaha (W) = luas daerah di bawah grafik PV     W = {(3-1) x 105 } x (5-3) = 4 x 105 J

2. Suatu gas dalam wadah silinder tertutup mengalami proses seperti pada gambar di bawah ini.

Tentukan usaha yang dilakukan oleh gas pada:    a. proses AB

Page 6: Soal termo

    b. Proses BC    c. proses CA    d. Keseluruhan proses ABCA

Jawaban:

a. Usaha dari A ke B sama dengan luas ABDE dan bertanda positif karena arah proses ke kanan

                (VB > VA ).                 WAB = luas ABDE = AB x BD                                    = (100-25) L x (300 kPa)                                    = (75 x 10-3 m3) (300 x 103 Pa)                                    = 22.500 J

     b. Usaha dari B ke C sama dengan negatif luas BCED karena arah proses ke kiri (VC < VB ).                WBC  = - luas BCDE = - ½ (CE + BD) ED                                  = - ½ (100+300) kPa x (100-25) L                                  = - ½ (400 x 103 Pa) (75 x 10-3 m3)                                  = -15 000 J = -15 kJ

    c. Usaha dari CA sama dengan nol karena CA dengan sumbu V tidak membentuk bidang (luasnya = 0).

    d. Usaha keseluruhan proses (ABCA) sama dengan usaha proses AB + usaha proses BC + usaha CA                WABCA = 22 500 – 15 000 + 0 = 7500 J

3.  Suatu gas ideal berada di dalam wadah bervolume 3 liter pada suhu 270C. Gas itu dipanaskan dengan tekanan tetap 1 atmosfer sampai mencapai suhu 2270C. hitung kerja yang dilakukan gas!Penyelesaian:Diketahui:PA = PB = 1 atm = 105 PaVA = 3 liter = 3 x 10-3 m3

TA = 273 + 27 = 300 KTB = 273 + 227 = 500 KDitanya: W?Jawab:Pada proses isobarik (tekanan tetap) berlaku:VA/TA = VB/TB

(3 x 10-3)/500 = VB/300VB = 5 x 103 m3

Sehingga,W = P (VB – VA) = (105) {(5x10-3) - (3x10-3)} = 202,6 J

4. Tiga mol gas memuai secara isotermal pada suhu 270C, sehingga volumenya berubah dari 20 cm3menjadi 50 cm3. Hitung besar usaha yang dilakukan gas tersebut!Penyelesaian:Diketahui:n = 3 mol

Page 7: Soal termo

R = 8,314 J/mol KT  = 270C + 273 = 300 KV1 = 2 x 10-5 m3

V2 = 5 x 10-5 m3

Ditanya: W?Jawab:W = n R T ln V2/V1 = (3) (8,314) (300) ln 5 x 10-5/2 x 10-5 = 6852,94 J

5. 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) Penyelesaian:Diketahui:

V2 = 4,5 m3V1 = 2,0 m3P = 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

 6. Sejumlah 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…. Penyelesaian: Diketahui:V1 = 1,5 m3T1 = 27oC = 300 KT2 = 87oC = 360 KP = 2 x 105 N/m2Ditanya: W?Jawab:W = PΔVMencari V2 :V2/T2 = V1/T1V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

 7. 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!

  8. Sejumlah udara berekspansi secara adiabatik dari tekanan awal 2 atm dan volume awal 2 liter pada temperatur 200C menjdai dua kali volume awalnya γ = 1,4. Hitunglah:a. Tekanan akhirb. Temperatur akhirc. Usaha yang dilakukan oleh gas

Page 8: Soal termo

Penyelesaian:Diketahui:γ = 1,4V1 = 2 literV2 = 4 literP1 = 2 atmT1 = 20 + 273 = 293 KDitanya:a. P2

b. T2

c. W

Jawab:

Materi termodinamikaPROSES-PROSES DALAM TERMODINAMIKAProses IsobarikYaitu proses dalam termodinamika yang terjadi pada tekaan tetap.

Keterangan:W = usaha (Joule)P = tekanan (Pa)V2 = volume kedua (m3)

Page 9: Soal termo

V1 = volume pertama (m3)

Proses IsotermikYaitu proses dalam termodinamika yang terjadi pada suhu tetap.

Proses IsokhorikYaitu proses dalam termodinamika yang terjadi pada volume tetap.

Proses adiabatikProses dalam termodinamika tanpa disertai perpindahan kalor.

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKAKeterangan:ΔU = perubahan energi dalam (Joule)Q = kalor (Joule)W = usaha (Joule)

MESIN CARNOT

Keterangan:E = efisiensi mesin CarnotW = usaha (J)Q1 = kalor yang masuk/diserap mesin (J)Q2 = kalor yang dilepas/dibuang mesin (J)T2 = suhu rendah (K)T1 = suhu tinggi (K)

Contoh soal termodinamika dan pemahasannya

Page 10: Soal termo

Pembahasan soal usaha termodinamikaNomor 1Proses pemanasan suatu gas ideal digambarkan seperti grafik P-V berikut ini!

Besar usaha yang dilakukan gas pada siklus ABC adalah....A. 4,5 JB. 6,0 JC. 9,0 JD. 12,0 JE. 24,0 J

Pembahasan:Diketahui:P1 = 2 . 106 PaP2 = 5 . 106 PaV1 = 1 cm3 = 10-6 m3V2 = 4 cm3 = 4 . 10-6 m3Ditanya: WJawab:a. Terlebih dahulu hitung WAB. WAB = P1 (V2 – V1) = 2 . 106 (4 . 10-6 – 10-6)WAB = 6 Jb. Menghitung WBC.WBC = 0 J (proses isokhorik)c. Menghitung W.W = WAB + WBC = 6 J + 0 J = 6 JJawaban: B

Nomor 2 Dari grafik P-V dibawah, besar usaha pada proses I dan II berbanding sebagai...

A. 4 : 3B. 3 : 4C. 2 : 3D. 1 : 2E. 1 : 1

Pembahasan:a. Terlebih dahulu hitung WI.WI = 20 (40 – 10) = 20 . 30 = 600b. Menghitung WII.WII = 15 (60 – 20) = 15 . 40 = 600c. Menghitung WI : WII.

Page 11: Soal termo

WI : WII = 600 : 600 = 1 : 1Jawaban: E

Nomor 4Pada termodinamika, gas ideal mengalami proses isotermik jika...A.Perubahan keadaan gas suhunya selalu tetap.B.Semua molekul bergerak dengan kecepatan berbeda.C.Semua keadaan gas suhunya selalu berubah.D.Pada suhu tinggi kecepatan molekulnya tinggi.E.Tekanan dan volume tidak mengalami perubahan.

Pembahasan:Proses isotermik adalah proses termodinamika dengan suhu yang tetap.Jawaban: A

Pembahasan soal mesin CarnotNomor 5 Perhatikan grafik siklus Carnot ABCDA dibawah ini!

Berdasarkan data pada grafik, efisiensi mesin Carnot adalah...A. 10 %B. 20 %C. 25 %D. 30 %E. 35 %

Pembahasan:Diketahui: T1 = 500 KT2 = 350 KDitanya: EJawab:

Nomor 6

Page 12: Soal termo

Pada grafik P-V mesin Carnot berikut diketahui reservoir suhu tinggi 600 K dan suhu rendah 400 K. Jika usaha yang dilakukan mesin W, maka kalor yang dikeluarkan pada suhu rendah adalah...A. WB. 2 WC. 3 WD. 4 WE. 6 W

Pembahasan:Diketahui:T1 = 600 KT2 = 400 KDitanya: Q2 = ...Jawab:

Nomor 7 Pada grafik P-V mesin Carnot di bawah ini diketahui usaha yang dilakukan 7.200 J. 

Page 13: Soal termo

Besar kalor yang dilepas sistem adalah...A. 21.600 JB. 18.400 JC. 10.800 JD. 3.600 JE. 1.800 J

Pembahasan:Diketahui:T1 = 900 KT2 = 300 KW = 7.200 JDitanya: Q2 = ...Jawab:

Nomor 8Sebuah mesin menyerap panas sebesar 2.000 J dari suatu reservoir suhu tinggi dan membuangnya sebesar 1.200 J pada reservoir suhu rendah. Efisiensi mesin itu adalah...A. 80 %B. 75%C. 60 %

Page 14: Soal termo

D. 50 %E. 40 %

Pembahasan: Diketahui:Q1 = 2.000 JQ2 = 1.200 JDitanya: E = ...Jawab:

Nomor 9Perhatikan grafik P-V dibawah ini.

Jika kalor yang diserap (Q1) =10.000 joule maka besar usaha yang dilakukan mesin Carnot adalah ... A. 1.500 J B. 4.000 J C. 5.000 J D. 6.000 J E. 8.000 J

Pembahasan:Diketahui:T1 = 800 KT2 = 400 KQ1 = 10.000 JDitanya: W = ...Jawab:Terlebih dahulu hitung efisiensi mesin E.

Page 15: Soal termo

Menghitung W.W = E . Q1 = ½ . 10.000 J = 5.000 JJawaban: C

Contoh Soal dan PembahasanSoal 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 m3V1 = 2,0 m3P = 2 atm = 2,02 x 105 PaIsobaris → Tekanan TetapW = P (ΔV)W = P(V2 − V1)W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 jouleSoal 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

Page 16: Soal termo

T1 = 27oC = 300 KT2 = 87oC = 360 KP = 2 x 105 N/m2W = PΔVMencari V2 :V2/T2 = V1/T1V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJSoal 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 molV2 = 5 LV1 = 2,5 LT = 27oC = 300 KUsaha 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 jouleSoal 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 − Tr / Tt ) x 100 %Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :η = ( 1 − 400/600) = 1/3η = ( W / Q1 )1/3 = W/600W = 200 JSoal 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 kJC. 280 kJD. 120 kJE. 60 kJ(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)PembahasanWAC = WAB + WBC

Page 17: Soal termo

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 / 10Tt = 400 KCari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:η = 1 − (Tr/Tt)4 / 10 = 1 − (Tr/400)(Tr/400) = 6 / 10Tr = 240 KData 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. 7Perhatikan 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 daPembahasana) 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/1200W = 480 joulec) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin CarnotQ2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 joule,Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2d) Jenis proses ab, bc, cd dan daab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)

Page 18: Soal termo

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. 8Suatu 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. 800E. 1000PembahasanW = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcdaW = ab x bcW = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule

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 = PΔV

Page 19: Soal termo

Mencari 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 molV2 = 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 − Tr / Tt ) x 100 %Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :η = ( 1 − 400/600) = 1/3η = ( 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

Page 20: Soal termo

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 %) 

Page 21: Soal termo

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

Page 22: Soal termo

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 joulec) 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

Page 23: Soal termo

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. 800E. 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:

Page 24: Soal termo

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

Page 25: Soal termo

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:

“HUKUM 1 TERMODINAMIKA”11)     Suatu gas menerima kalor 1.500 kalori, menghasilkan usaha sebesar 4.000 J.

berapakah energy dalam pada gas? (1 kalori = 4,18 joule)Penyelesaian:Diketahui: Q = 1.500 kalori                (1 kalori = 4,18 joule)                 Q = 1.500 x 4,18 J = 6.720 J                W = 4.000 JDitanyakan: U …?Jawab:U = Q – WU = (6.200 – 4.000) JU = 2.270 J

2)     Suatu gas yang menghasilkan usaha sebesar 200 joule, dengan perubahan energy dalam pada ags adalah 70 J. Tentukanlah kalor yang dapat diterima gas tersebut!Penyelesaian:Diketahui: W = 200 J               U = 70 JDitanyakan: Q …?Jawab:U = Q – w  Q = U + W  Q = (70 + 200) J  Q = 270 J

3)     Sejumlah 6 mMol gas hidrogen suhunya dinaikkan dari 20 oc menjadi 110 oc pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314J/mol.K, tentukan:

Page 26: Soal termo

a)perubahan energy dalamb)usaha yang dilakukan gasc)kalor yang diperlukanpenyelesaian:diketahui: n = 6 mMol =0,006 mol                T1 = 20 oc               (20 + 273) K = 293 K                T2 = 110 oc            (110 + 273)K = 383 K                 R = 8,314 J/mol.KDitanyakan: a) U …?                    b) W …?                    c) Q …?Jawab:a). U = 3/2nR(T2 –T1)            = 3/2 (0,006 . 8,314 (383 - 293)) J            = 3/2 (4,489) J            = 6,734 Jb). W = P (V2 – V1)                 P = nR                                            V1 = T1

                                            V2 = T2

      W = nR (T2 – T1)      W = o,oo6 x 8,314 (383 - 293)      W = 4,489 Jc). Q = U + W     Q = (6,734 + 4,489) J = 2,245 J  

4)     Gas helium 0,0003 mol pada tekanan tetap. Suhunya dinaikkan dari 10 oc menjadi 70 oc. diketahui   R = 8,314 J/mol.K, hitunglah kalor yang diperlukan?Penyelesaian:Diketahui: n = 0,0003 mol                  T1 = 10 oc = (10 + 273) K = 283 K                T2 = 70 oc =(70 + 273)                  R = 8,314 J/mol.KDitanyakan: Q ….?Jawab:Q = U + W                   U = 3/2nR (T2 – T1)                                    W   = P (V2 – V1) = nR(T2 – T1)U = 3/2nR (T2 – T1)U = 3/2(0,0003 x 8,314 (343 - 283))U =  3/2 (0,149) JU =  0,224 J

W = nR(T2 – T1)W = 0,0003 x 8,314 (343 – 283)W = 0,149 J

Jadi, kalor yang diperlukan: Q = U + WQ = (0,224 + 0,149) JQ = 0,373 J

Page 27: Soal termo

5)     Gas diatomik dipanaskan pada volume tetap dengan kapasitas kalor 24 J/K. jika R = 8,314 J/mol.K, tentukan jumlah mol gas tersebut!Penyelesaian:Diketahui: Cv = 24 J/k                  R = 8,314 J/mo.KDitanyakan: n ….?Jawab:Cv = 3/2 nR24 J/K = 3/2 n x8,314 J/mol.K 24 = 12,471 x n  n = 24/12,471 mol  n = 1,924 mol.

6)     Suatu zat menerima kalor 20 kalori, suhunya dinaikkan dari 15 oc menjadi 50 oc. Tentukan kapasitas kalor yang diperlukan untu menaikkan suhu zat tersebut! (1 kalori = 4,18 joule)Penyelesaian:Diketahui: Q = 20 kalor                      (1 kalor = 4,18 J)                 Jadi, Q = 20 x 4,18 J =83,6 J                  T1 = 15 oc = (15 + 273) K = 288 K                  T2 = 50 oc = (50 + 273) K = 323 KDitanyakan: C ….?Jawab:

T                   T = T2 –T1

                           T = (323 - 288) K = 35 KC = 83,6 J/35 KC = 2,389 J/K

7)     Sejumlah 0,005 mol gas hydrogen suhunya dinaikkan 12 oc menjadi 64 oc pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan:a)perubahan energy dalamb)kapasitas kalor pada tekanan tetapc)kapasiras kalor pada volume tetappenyelesaian:diketahui: n = 0,005 mol                T1 = 12 oc  = (12 + 273) K = 285 K                T2 = 64 oc = (64 + 273) K = 337 K                 R = 8,314 J/mol.KDitanyakan: a). U …?                                b). Cp …?                    c). Cv …?Jawab:

U = 3/2 nRT      U = 3/2 (0,005 x 8,314 (337 - 285))      U = 3/2 (3,162) J      U = 3,243 Jb). Cp = 3/2 nR      Cp = 3/2 (0,005 x 8,314)

Page 28: Soal termo

      Cp = 3/2 (0,042)      Cp = 0,063 J/Kc). Cv = 5/2 nR     Cv = 5/2 (0,005 x 8,314)     Cv = 5/2(0,042)  Cv = 0,105 J/K

8)     Sejumlah 3 mol gas monoatomik pada tekanan tetap. Jika R = 8,314 J/mol.K, tentukan kapasits kalor pada tekanan tetap untuk gas momoatomik tersebut!Penyelesaian:Diketahui: n = 3 mol                 R = 8,314 J/mol.KDitanyakan: Cp …?Jawab:Cp = 5/2 nRCp = 5/2 (3 x 8,314)Cp = 5/2 (29,942)Cp = 62,355 J/K

9)     Gas diatomik dipanaskan pada keadaan tetap dengan kapasitas kalor 520 J/K. diketahui konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan:a)jumlah mol gas (kapasitas kalor pada volume tetap)b)jumlah mol gas (kapasitas kalor pada tekanan tetap)penyelesaian:Diketahui: C = 520 J/K                 R = 8,314 J/mol.KDitanyakan: a) nv …?                    b) np …?Jawab:

a)     Cv = 5/2 nR      520 J/K = 5/2n x 8,314 J/mol.k      520 = 20,785 x n        nv = 520/20,785 mol        nv = 25,018 mol

b)      Cv = 7/2 nR   520 J/K = 7/2n x 8,314 J/mol.k520 = 29,099 x n  np = 520/29,099 mol  np = 17,870 mol

10)Suatu gas memiliki volume awal 2 m3 dipanaskan dengan isobaris hingga volume akhirnya 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut (1 atm = 1,01 x 105 Pa)Penyelesaian :Dik : V1=2 m3

          V2=4,5 m3

           P = 2 atm = 2,02 x 105 PaDit : W?                   isobaris = tekanan tetapJawab :

Page 29: Soal termo

W = P ( V)ΔW = P ( V2 – V1)W = 2,02 x 105 Pa . (4,5 – 2,0)     = 5,05 x 105  Joule

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

Page 30: Soal termo

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 :

Page 31: Soal termo

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/Q1

4/10 = W/1200W = 480 joulec) 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 – 5C. 2 – 3 dan 1 – 2D. 2 – 3 dan 1 – 2E. 2 – 3 dan 3 – 4

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

Page 32: Soal termo

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. 800E. 1000

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

Soal No. 12Sebuah 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. 13Sebuah 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!

Page 33: Soal termo

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: