FISIKA SOAL DAN PEMBAHASAN TERMODINAMIKA

1.      Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!
usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....

Add caption

Pembahasan
W_AC = W_AB + W_BC
W_AC = 0 + (2 x 10⁵)(3,5 − 1,5) = 4 x 10⁵ = 400 Kj

2.      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 = 227^oC = 500 K
Tr = 27^oC = 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)

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

Pembahasan
W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda
W = ab x bc
W = 2 x (2 x 10⁵) = 400 kilojoule

4.      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

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

 

Tentukan usaha yang dilakukan oleh gas pada:

    a. proses AB

    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

                (V_B > V_A ). 

                W_AB = 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 (V_C < V_B ).

                W_BC  = - 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

W_ABCA = 22 500 – 15 000 + 0 = 7500 J

6.      Sebuah sistem termodinamika mengalami siklus A-B-C-A seperti gambar diagram p – V  di bawah ini. Lengkapilah tabel dibawah ini dengan mengisi tanda + (plus) – (minus) atau nol yang sesuai dengan kuantitas termodinamika yang diasosiasikan untuk setiap proses.

	Q	W	S
A→B	+	+	+
B→C	+	0	+
C→A	-	-	0

 

A→B (isobarik)

W=P∆T

Q=m.c.P ∆T

∆U=Q-W

B→C (isokhorik)

W=P∆V=0
W=0

Q=m.c.∆T

∆U=Q

C→A (Isotermal)

∆U=0

Q=W=nRT

7.      Suatu  gas ideal  mengalami proses siklus seperti gambar di bawah ini

Kerja yang dihasilkan pada siklus tersebut adalah.....

Penyelesaian

W  = P × ∆V

W = 2. 10⁵ x 2 = 4 x 10⁵ = 400 kJ

8.      Suatu mesin carnot bekerja di antara suhu 600 K dan 300 K dan menerima masukkan kalor 1000 joule (diperlihatkan pada gambar berikut ini).Usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah...

Penyelesaian

η = (1 – ^T2/_T1 ) ₌ (1 – ³⁰⁰/₆₀₀ ) = (1 – ¹/₂ ) = ¹/₂

_{W =} η × Q₁ = ¹/₂ × 1000 = 500 J

9.      Perhatikan grafik P-V di sebelah, mesin memiliki efisiensi 57%, maka banyaknya panas yang dijadikan usaha adalah…

 

Penyelesaian

W = η × Q₂

W = 0,57 × Q₂

 

 

10.  Perhatikan grafik P – V mesin Carnot di bawah!

Jika kalor yang diserap (Q₁) =10.000 joule maka besar usaha yang dilakukan mesin Carnot adalah ...

Penyelesaian

Gunakan cara sama seperti no .8, kita peroleh

W = 5000 joule

11.  Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut! Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....

Penyelesaian

Proses AB tidak memberikan usaha karena ΔV= 0,  jadi usaha hanya diberikan oleh proses BC

W  = P × ∆V

W = 4 x 10⁵ = 400 kJ

12.  Proses pemanasan suatu gas ideal digambarkan  seperti grafik P−V berikut ini!

Besar usaha yang dilakukan gas pada siklus ABC adalah....

 

Penyelesaian

Sama dengan no.11 proses AB saja yang menimbulkan usaha , sebaliknya proses BC , W= o

∆V = 3 cm³ = 3 × 10^-6 m³

W  = P × ∆V

W  = 2.10⁶ × 3.10^-6

W = 6 joule

13.  Perhatikan gambar berikut!

Suatu gas mengalami proses A-B-C. Usaha yang dilakukan gas pada proses tersebut adalah....

Penyelesaian

 W  = P × ∆V = 4 × 2 = 8 joule

14.  Perhatikan Gambar !

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 = 227^oC = 500 K
Tr = 27^oC = 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)

15.  Perhatikan Gambar !

 

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

Pembahasan
W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda
W = ab x bc 
W = 2 x (2 x 10⁵) = 400 kilojoule

16.  Perhatikan grafik P – V  untuk mesin Carnot seperti gambar di bawah ini!

 

Jika mesin mengambil panas 1.000 J, banyaknya panas yang diubah menjadi usaha adalah ....

Pembahasan :

W = Q₁ ( 1 – T₂/T₁ ) = 1000 ( 1 – 600/1000 ) = 1000 (400/100) = 400 joule

17.  Perhatikan Gambar !

Besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah .... J

Pembahasan :

W = Q₁ ( 1 – T₂/T₁ ) = 1000 ( 1 – 450/900 ) = 1000 (450/900) = 500 joule

18.  Sebuah mesin Carnot memiliki spesifikasi seperti gambar di samping. Usaha yang dihasilkan mesin Carnot adalah .... ( satuan suhu adalah kelvin )

 

Pembahasan

Q₁/W = 500/200

W= 200/500 × Q₁

Jadi, nilai usahanya adalah 2/5 dari  Q₁

19.  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

20.  Perhatikan gambar berikut!

Suatu gas mengalami proses A-B-C. Usaha yang dilakukan gas pada proses tersebut adalah....

Penyelesaian

 W  = P × ∆V = 4 × 2 = 8 joule

21.  Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti gravik p – V berikut

 

Tentukanlah usaha gas dari A ke B!

Diketahui: p_A = p_B = 3 × 10⁵ pa, p_C = 1 × 10⁵ pa, V_A = 2 L, dan V_B = V_C = 6 L

Proses A ke B adalah proses isobaric, Usaha dari A ke B dapat dihitung dengan persamaan

W_AB = p(V_B – V_A)

W_AB = 3 × 10⁵ (6 – 2) x 10^-3 = 1.200 joule

22.  Sebuah mesin carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi 400% agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 50%, tentukan kenaikan suhu yang harus dilakuka pada reservoir suhu tinggi?

 

Dik : T₁ = 800 K, η₁ = 40 %, η₂ = 50%

Cara Umum

Efisiensi mesin semula , η₁ = 40 %

 η₁ = 1 – T₂/ T₁ → 40% = 1 - T₂/800 → T₂/800 = 0,6 → T₂ = 480 K

Agar efisiensi menjadi η₂ = 50% untuk T₂ = 480 K

η₂ = 1 – T₂/ T₁ → 50% = 1 - 480/ T₁ → 480/ T₁ = 0,5 → T₁ = 960 K

23.  Perhatikan gambar! Berapa Perbandingan usaha (W) proses I dan proses II?

 

Diketahui :
Proses I : P = 15 N/m², V₁ = 15 m³, V₂ = 35 m³
Proses II : P = 10 N/m², V₁ = 5 m3, V₂ = 45 m³
Ditanya :
Perbandingan usaha (W) proses I dan proses II ?
Jawab :

W₁ = P (V₂ – V₁) = 15 (35 - 15) = 15 (20) = 300 joule

W₂= P (V₂ – V₁) = 10 (45 - 5) = 10 (40) = 400 joule

Perbandingan W₁ dan W₂ = 300 : 400 = 3 :4

24.  perhatikan gambar berikut ini, dan tentukan Usaha (W) pada proses ABC !

 

Diketahui:
P₁ = 2 x 10⁵ N/m²
P₂ = 1 x 10⁵ N/m²
V₁ = 5 m3
V₂ = 15 m3
Ditanya:
Usaha (W) pada proses ABC ?
Jawab:
Usaha dilakukan hanya ketika volume gas bertambah. Pada proses AB, volume gas tetap sehingga tidak ada usaha yang dilakukan oleh gas helium. Pada proses BC, volume gas bertambah karenanya ada usaha yang dilakukan oleh gas helium.

W = P₂ (V₂ – V₁) = 10⁵ (15 - 5) = 10⁵ (10) = 10⁶

25.  Tunjukan proses yang menunjukan pengurangan volme gas pada gambar!

 

Pembahasan :
Jika gas melakukan usaha maka volume gas bertambah. Sebaliknya jika gas memperoleh usaha dari luar maka volume gas berkurang. Proses pada grafik di atas yang menunjukan volume gas berkurang adalah proses CD.