Hukum Termodinamika
Hukum Termodinamika
Fisika SMA — Hukum I & II Termodinamika, Perubahan Energi Dalam, Siklus Carnot, Entropi, dan Soal Literasi
Daftar Isi
APERSEPSI
Bayangkan situasi ini:
Termodinamika adalah ilmu tentang bagaimana energi panas berpindah dan berubah menjadi bentuk usaha atau energi lain. Di sekitar kita, hukum termodinamika bekerja setiap saat. Mulai dari segelas es teh yang mencair, hangatnya tubuh di pagi hari ketika memakai jaket, hingga cara kerja mesin sepeda motor kita.
Pertanyaan Apersepsi:
"Saat kalian memakai jaket tebal di pagi hari yang dingin, apakah jaket itu sebenarnya yang menghasilkan panas untuk tubuh kalian?"
Tidak, jaket tidak menghasilkan panas. Jaket berfungsi sebagai isolator yang menahan panas tubuh kita agar tidak keluar ke udara bebas (sistem terisolasi buatan).
Termodinamika adalah ilmu tentang bagaimana energi panas berpindah dan berubah menjadi bentuk usaha atau energi lain. Di sekitar kita, hukum termodinamika bekerja setiap saat. Mulai dari segelas es teh yang mencair, hangatnya tubuh di pagi hari ketika memakai jaket, hingga cara kerja mesin sepeda motor kita.
"Saat kalian memakai jaket tebal di pagi hari yang dingin, apakah jaket itu sebenarnya yang menghasilkan panas untuk tubuh kalian?"
📖 LIHAT JAWABAN
✖ Tutup Jawaban
Tidak, jaket tidak menghasilkan panas. Jaket berfungsi sebagai isolator yang menahan panas tubuh kita agar tidak keluar ke udara bebas (sistem terisolasi buatan).
A. Hukum I Termodinamika
Bayangkan situasi ini:
Anak-anak, siapa di sini yang ke sekolah naik motor atau pernah membonceng motor? Jika kalian perhatikan, setelah motor dipakai berjalan cukup jauh, lalu kita meraba area sekitar mesin atau knalpotnya, rasanya akan sangat panas. Padahal, awalnya mesin itu dingin saat baru dinyalakan."
Pertanyaan Apersepsi:
"Nah, mengapa mesin motor bisa menjadi panas? Dari mana sebenarnya asal energi panas (kalor) tersebut, dan apakah semua bahan bakar yang dibakar berubah menjadi gerakan roda?"
Anak-anak, siapa di sini yang ke sekolah naik motor atau pernah membonceng motor? Jika kalian perhatikan, setelah motor dipakai berjalan cukup jauh, lalu kita meraba area sekitar mesin atau knalpotnya, rasanya akan sangat panas. Padahal, awalnya mesin itu dingin saat baru dinyalakan."
"Nah, mengapa mesin motor bisa menjadi panas? Dari mana sebenarnya asal energi panas (kalor) tersebut, dan apakah semua bahan bakar yang dibakar berubah menjadi gerakan roda?"
📖 LIHAT JAWABAN
✖ Tutup Jawaban
- Asal Energi Panas
- Jawaban: Panas tersebut berasal dari proses pembakaran bahan bakar (bensin) di dalam ruang mesin.
- Hubungan dengan Termodinamika: Ini adalah contoh Hukum I Termodinamika (Kekekalan Energi). Energi kimia yang tersimpan di dalam bensin tidak hilang, melainkan diubah bentuknya menjadi energi panas (kalor) dan energi gerak (kerja/usaha).
- Alasan Mesin Menjadi Panas
- Jawaban: Bensin yang dibakar menghasilkan ledakan gas bertekanan tinggi dan bersuhu sangat tinggi untuk mendorong piston agar roda motor bisa berputar. Karena mesin motor terbuat dari besi/logam, panas dari pembakaran tersebut merambat (konduksi) ke seluruh badan mesin dan knalpot.
- Apakah Semua Bensin Berubah Menjadi Gerakan?
- Jawaban: Tidak semua. Hanya sebagian energi bensin yang berhasil diubah menjadi energi gerak untuk menjalankan motor. Sisanya "terbuang" menjadi energi panas yang membuat mesin gerah, serta menjadi suara bising dan gas buang (asap knalpot).
- Hubungan dengan Termodinamika: Ini adalah inti dari Hukum II Termodinamika. Tidak ada mesin kalor di dunia ini yang memiliki efisiensi \(100\%\). Sebuah mesin mustahil mengubah seluruh kalor hasil pembakaran menjadi usaha (gerak) tanpa ada energi yang terbuang ke lingkungan.
Hukum I Termodinamika:
"Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lain."
Hukum ini adalah hukum kekekalan energi yang diterapkan pada sistem termodinamika.
"Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lain."
Hukum ini adalah hukum kekekalan energi yang diterapkan pada sistem termodinamika.
Bunyi Hukum I Termodinamika:
"Perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan kalor yang diterima sistem dikurangi usaha yang dilakukan sistem."
"Perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan kalor yang diterima sistem dikurangi usaha yang dilakukan sistem."
\[
\Delta U = Q - W
\]
- \(\Delta U\) = perubahan energi dalam (J)
- \(Q\) = kalor yang diserap sistem (+), atau dilepas sistem (−) (J)
- \(W\) = usaha yang dilakukan sistem (+), atau diterima sistem (−) (J)
Konvensi Tanda:
- Sistem menyerap kalor: \(Q\) positif (+)
- Sistem melepas kalor: \(Q\) negatif (−)
- Sistem melakukan usaha: \(W\) positif (+)
- Sistem menerima usaha: \(W\) negatif (−)
B. Perubahan Energi Dalam
Isotermal
Suhu tetap
Semua kalor diubah menjadi usaha
\(\Delta T = 0\)
\(\Delta U = 0\)
\(Q = W\)
Semua kalor diubah menjadi usaha
Isokhorik
Volume tetap
Semua kalor menjadi energi dalam
\(\Delta V = 0\)
\(W = 0\)
\(\Delta U = Q\)
Semua kalor menjadi energi dalam
Isobarik
Tekanan tetap
Kalor untuk perubahan energi dan usaha
\(\Delta P = 0\)
\(\Delta U = Q - P\Delta V\)
\(Q = \Delta U + W\)
Kalor untuk perubahan energi dan usaha
Adiabatik
Tidak ada kalor
Usaha dari perubahan energi dalam
\(Q = 0\)
\(\Delta U = -W\)
Usaha dari perubahan energi dalam
C. Kapasitas Kalor
Kapasitas Kalor (\(C\)):
Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1°C.
\[ C = \frac{Q}{\Delta T} \]
Satuan: J/K atau J/°C
Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1°C.
\[ C = \frac{Q}{\Delta T} \]
Satuan: J/K atau J/°C
Kalor Jenis (\(c\)):
Kapasitas kalor per satuan massa.
\[ c = \frac{C}{m} = \frac{Q}{m \times \Delta T} \]
Satuan: J/kg·K
Kapasitas kalor per satuan massa.
\[ c = \frac{C}{m} = \frac{Q}{m \times \Delta T} \]
Satuan: J/kg·K
Kapasitas Kalor pada Proses Termodinamika
Kapasitas Kalor pada Volume Tetap (\(C_V\))
\[
C_V = \frac{f}{2} \times n \times R
\]
\[ Q_V = C_V \times \Delta T \]
Gas Monoatomik: \(C_V = \frac{3}{2} nR\)
Gas Diatomik: \(C_V = \frac{5}{2} nR\)
\[ Q_V = C_V \times \Delta T \]
Gas Monoatomik: \(C_V = \frac{3}{2} nR\)
Gas Diatomik: \(C_V = \frac{5}{2} nR\)
Kapasitas Kalor pada Tekanan Tetap (\(C_P\))
\[
C_P = C_V + nR
\]
\[ C_P = \left(\frac{f}{2} + 1\right) \times n \times R \]
Gas Monoatomik: \(C_P = \frac{5}{2} nR\)
Gas Diatomik: \(C_P = \frac{7}{2} nR\)
\[ C_P = \left(\frac{f}{2} + 1\right) \times n \times R \]
Gas Monoatomik: \(C_P = \frac{5}{2} nR\)
Gas Diatomik: \(C_P = \frac{7}{2} nR\)
Hubungan \(C_P\) dan \(C_V\):
\[ C_P - C_V = nR \]
\[ \gamma = \frac{C_P}{C_V} = \frac{f + 2}{f} \]
\[ C_P - C_V = nR \]
\[ \gamma = \frac{C_P}{C_V} = \frac{f + 2}{f} \]
- Gas Monoatomik: \(\gamma = \frac{5}{3} = 1,67\)
- Gas Diatomik: \(\gamma = \frac{7}{5} = 1,4\)
D. Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin
Siklus Carnot:
"Siklus Carnot adalah siklus termodinamika ideal yang terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Siklus ini merupakan siklus paling efisien secara teoritis."
"Siklus Carnot adalah siklus termodinamika ideal yang terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Siklus ini merupakan siklus paling efisien secara teoritis."
Siklus Carnot
- Proses 1: Ekspansi isotermal (serap kalor \(Q_1\))
- Proses 2: Ekspansi adiabatik
- Proses 3: Kompresi isotermal (lepas kalor \(Q_2\))
- Proses 4: Kompresi adiabatik
Efisiensi Mesin Carnot
\[
\eta = \frac{W}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1}
\]
\[
\eta = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}
\]
\[
\eta = 1 - \frac{T_2}{T_1}
\]
\(T_1\) = suhu reservoir panas (K)
\(T_2\) = suhu reservoir dingin (K)
\(T_1\) = suhu reservoir panas (K)
\(T_2\) = suhu reservoir dingin (K)
Efisiensi Maksimum:
Efisiensi mesin Carnot adalah maksimum yang mungkin dicapai.
Tidak ada mesin nyata yang mencapai efisiensi 100% karena selalu ada energi yang hilang.
Efisiensi mesin Carnot adalah maksimum yang mungkin dicapai.
Tidak ada mesin nyata yang mencapai efisiensi 100% karena selalu ada energi yang hilang.
E. Hukum II Termodinamika
Bayangkan situasi ini:
Sebuah termos yang menjaga air tetap panas, atau mesin motor yang mengubah bahan bakar menjadi gerakan roda. Semua hal yang berkaitan dengan perubahan suhu, aliran panas, dan kerja energi itu dikendalikan oleh hukum-hukum termodinamika. Di sekitar kita, prinsip ini bekerja setiap hari pada kulkas, pendingin ruangan (AC), hingga tubuh kita sendiri saat berkeringat.
Pertanyaan Apersepsi:
"Pernahkah kalian memperhatikan bagian belakang kulkas di rumah? Mengapa bagian belakang atau samping luar kulkas terasa hangat atau panas, padahal tugas utama kulkas adalah mendinginkan makanan di dalamnya?"
Kulkas tidak bisa "menciptakan" dingin begitu saja. Kulkas bekerja dengan cara menyedot (mengambil) panas dari makanan di dalam, lalu membuang panas tersebut ke luar ruangan melalui bagian belakang atau samping kulkas.
Sebuah termos yang menjaga air tetap panas, atau mesin motor yang mengubah bahan bakar menjadi gerakan roda. Semua hal yang berkaitan dengan perubahan suhu, aliran panas, dan kerja energi itu dikendalikan oleh hukum-hukum termodinamika. Di sekitar kita, prinsip ini bekerja setiap hari pada kulkas, pendingin ruangan (AC), hingga tubuh kita sendiri saat berkeringat.
"Pernahkah kalian memperhatikan bagian belakang kulkas di rumah? Mengapa bagian belakang atau samping luar kulkas terasa hangat atau panas, padahal tugas utama kulkas adalah mendinginkan makanan di dalamnya?"
📖 LIHAT JAWABAN
✖ Tutup Jawaban
Kulkas tidak bisa "menciptakan" dingin begitu saja. Kulkas bekerja dengan cara menyedot (mengambil) panas dari makanan di dalam, lalu membuang panas tersebut ke luar ruangan melalui bagian belakang atau samping kulkas.
Hukum II Termodinamika:
"Kalor tidak dapat berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi tanpa adanya usaha dari luar."
"Kalor tidak dapat berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi tanpa adanya usaha dari luar."
Entropi (\(S\)):
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan atau ketidaktersediaan energi suatu sistem.
\[ \Delta S = \frac{Q}{T} \]
Entropi total sistem dan lingkungan selalu bertambah dalam proses irreversibel.
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan atau ketidaktersediaan energi suatu sistem.
\[ \Delta S = \frac{Q}{T} \]
Entropi total sistem dan lingkungan selalu bertambah dalam proses irreversibel.
Koefisien Daya Guna Mesin Pendingin (COP):
Koefisien Performansi mesin pendingin.
\[ COP = \frac{Q_2}{W} = \frac{Q_2}{Q_1 - Q_2} \] \[ COP = \frac{T_2}{T_1 - T_2} \]
Semakin besar COP, semakin efisien mesin pendingin.
Koefisien Performansi mesin pendingin.
\[ COP = \frac{Q_2}{W} = \frac{Q_2}{Q_1 - Q_2} \] \[ COP = \frac{T_2}{T_1 - T_2} \]
Semakin besar COP, semakin efisien mesin pendingin.
Perbedaan Mesin Kalor dan Mesin Pendingin:
- Mesin Kalor: menyerap kalor dari reservoir panas → menghasilkan usaha
- Mesin Pendingin: menerima usaha → memindahkan kalor dari dingin ke panas
F. Latihan Soal Interaktif
Kerjakan soal-soal berikut dengan mengisi kotak jawaban,
lalu klik Cek Jawaban untuk mengetahui kebenarannya!
Panduan Menambahkan Soal Baru & Gambar:
1. Menambahkan Gambar:
Ganti URL gambar pada tag
Ganti URL gambar pada tag
<img src="URL_GAMBAR_ANDA" alt="Deskripsi Gambar">
2. Menambahkan Soal Baru:
Copy blok
Copy blok
<div class="soal-interaktif" id="soalX">, ganti X dengan nomor soal,
dan tambahkan fungsi JavaScript sesuai pola.
Skor Anda
0 / 40
1 Hukum Termodinamika (Literasi)
Dalam kehidupan sehari-hari, ketika kita mengocok minuman dalam botol tertutup, suhu minuman naik sedikit.
Ini merupakan contoh dari hukum termodinamika ke berapa?
✅ Jawaban & Langkah:
Ini adalah contoh Hukum I Termodinamika (kekekalan energi), karena energi mekanik (mengocok) berubah menjadi energi dalam (suhu naik).
Ini adalah contoh Hukum I Termodinamika (kekekalan energi), karena energi mekanik (mengocok) berubah menjadi energi dalam (suhu naik).
2 Kalor, Usaha, Energi Dalam (Literasi)
Ketika kita memompa ban sepeda, pompa menjadi hangat. Manakah yang benar tentang proses ini?
✅ Jawaban & Langkah:
Usaha dilakukan pada gas (kompresi), sehingga energi dalam naik (suhu naik). Ini sesuai Hukum I Termodinamika.
Usaha dilakukan pada gas (kompresi), sehingga energi dalam naik (suhu naik). Ini sesuai Hukum I Termodinamika.
3 Kalor yang Diterima Gas
8 mol gas ideal dipanaskan pada tekanan tetap \(2 \times 10^5 \, \text{N/m}^2\) sehingga volume berubah dari 0,08 m³ menjadi 0,1 m³.
Jika perubahan energi dalam gas 1.500 J, berapakah kalor yang diterima gas?
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (0,1 - 0,08) = 4000 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U + W = 1500 + 4000 = 5500 \, \text{J} \)
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (0,1 - 0,08) = 4000 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U + W = 1500 + 4000 = 5500 \, \text{J} \)
4 Perubahan Energi Dalam
Suatu sistem mengalami proses isobarik. Pada sistem dilakukan usaha sebesar 100 J.
Jika kalor yang diserap sistem = 150 J, berapakah \(\Delta U\)?
✅ Jawaban & Langkah:
\( Q = \Delta U + W \) → \( 150 = \Delta U + 100 \) → \( \Delta U = 50 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U + W \) → \( 150 = \Delta U + 100 \) → \( \Delta U = 50 \, \text{J} \)
5 Proses Isobarik
Gas ideal mengalami proses isobarik pada tekanan 2 atm. Volume berubah dari 1,5 L menjadi 2 L.
Tentukan usaha gas! (1 atm = 10⁵ N/m²)
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (2 - 1,5) \times 10^{-3} = 100 \, \text{J} \)
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (2 - 1,5) \times 10^{-3} = 100 \, \text{J} \)
6 Kalor Diserap Tekanan Tetap
Gas ideal tekanan 1,5 atm dan volume 10 L. Gas menyerap kalor pada tekanan tetap hingga volume 12 L.
Jika \(C_p = 5/2 R\) dan n = 2 mol, tentukan kalor yang diserap! (R = 8,31 J/mol K)
✅ Jawaban & Langkah:
\( T_1 = \frac{pV_1}{nR} = \frac{1,5 \times 10^5 \times 10 \times 10^{-3}}{2 \times 8,31} \approx 90,25 \, \text{K} \)
\( T_2 = T_1 \times \frac{V_2}{V_1} = 90,25 \times 1,2 = 108,3 \, \text{K} \)
\( Q = n C_p \Delta T = 2 \times \frac{5}{2} \times 8,31 \times (108,3 - 90,25) \approx 1246 \, \text{J} \)
\( T_1 = \frac{pV_1}{nR} = \frac{1,5 \times 10^5 \times 10 \times 10^{-3}}{2 \times 8,31} \approx 90,25 \, \text{K} \)
\( T_2 = T_1 \times \frac{V_2}{V_1} = 90,25 \times 1,2 = 108,3 \, \text{K} \)
\( Q = n C_p \Delta T = 2 \times \frac{5}{2} \times 8,31 \times (108,3 - 90,25) \approx 1246 \, \text{J} \)
7 Proses Isotermal
Gas ideal volume 1,25 L tekanan 3,2 atm menyerap kalor pada suhu tetap hingga tekanan menjadi 2,5 atm.
Berapa volume gas sekarang?
✅ Jawaban & Langkah:
\( p_1 V_1 = p_2 V_2 \) → \( 3,2 \times 1,25 = 2,5 \times V_2 \) → \( V_2 = 1,6 \, \text{L} \)
\( p_1 V_1 = p_2 V_2 \) → \( 3,2 \times 1,25 = 2,5 \times V_2 \) → \( V_2 = 1,6 \, \text{L} \)
8 Kerja Isotermal
Tiga mol gas ideal menyerap kalor 225 J dan melakukan kerja pada suhu tetap.
Berapakah kerja yang dilakukan gas?
✅ Jawaban & Langkah:
Proses isotermal: \(\Delta U = 0\), maka \( Q = W = 225 \, \text{J} \)
Proses isotermal: \(\Delta U = 0\), maka \( Q = W = 225 \, \text{J} \)
9 Usaha Helium Isotermal
10 mol gas helium menyerap kalor 1,02 kJ pada suhu tetap. Berapakah usaha yang dilakukan gas?
✅ Jawaban & Langkah:
Proses isotermal: \(\Delta U = 0\), maka \( W = Q = 1,02 \, \text{kJ} = 1020 \, \text{J} \)
Proses isotermal: \(\Delta U = 0\), maka \( W = Q = 1,02 \, \text{kJ} = 1020 \, \text{J} \)
10 Proses Isokhorik Helium
10 mol helium dalam tabung tertutup volume 2 L, tekanan 1,2×10⁶ Pa. Gas menyerap kalor hingga tekanan 2×10⁶ Pa.
Tentukan perubahan energi dalam dan kalor yang diserap! (Cv = 3/2 R)
✅ Jawaban & Langkah:
\( T_1 = \frac{p_1V}{nR} = \frac{1,2 \times 10^6 \times 2 \times 10^{-3}}{10 \times 8,31} \approx 28,88 \, \text{K} \)
\( T_2 = T_1 \times \frac{p_2}{p_1} = 28,88 \times \frac{2}{1,2} = 48,13 \, \text{K} \)
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 10 \times \frac{3}{2} \times 8,31 \times (48,13 - 28,88) \approx 9972 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U \) (isokhorik, W=0)
\( T_1 = \frac{p_1V}{nR} = \frac{1,2 \times 10^6 \times 2 \times 10^{-3}}{10 \times 8,31} \approx 28,88 \, \text{K} \)
\( T_2 = T_1 \times \frac{p_2}{p_1} = 28,88 \times \frac{2}{1,2} = 48,13 \, \text{K} \)
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 10 \times \frac{3}{2} \times 8,31 \times (48,13 - 28,88) \approx 9972 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U \) (isokhorik, W=0)
11 Isobarik dan Perubahan Energi Dalam
Gas monoatomik tekanan \(1,2 \times 10^5\) N/m², volume 40 L memuai isobarik menjadi 50 L, menyerap kalor 2 kJ.
Tentukan usaha dan perubahan energi dalam.
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p \Delta V = 1,2 \times 10^5 \times 10 \times 10^{-3} = 1200 \, \text{J} \)
\( \Delta U = Q - W = 2000 - 1200 = 800 \, \text{J} \)
\( W = p \Delta V = 1,2 \times 10^5 \times 10 \times 10^{-3} = 1200 \, \text{J} \)
\( \Delta U = Q - W = 2000 - 1200 = 800 \, \text{J} \)
12 Perubahan Energi Dalam & Kalor
5 mol gas ideal suhu 27°C dipanaskan hingga 67°C. (R = 8,314 J/K, Cv = 3/2 R)
Tentukan perubahan energi dalam dan kalor yang diserap!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 5 \times \frac{3}{2} \times 8,314 \times 40 = 2494,2 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U \) (jika volume tetap) = 2494 J
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 5 \times \frac{3}{2} \times 8,314 \times 40 = 2494,2 \, \text{J} \)
\( Q = \Delta U \) (jika volume tetap) = 2494 J
13 Proses Adiabatik
2 mol gas ideal suhu 37°C, tanpa perubahan kalor (adiabatik) suhu naik menjadi 62°C. (R = 8,314 J/K, Cv = 3/2 R)
Tentukan perubahan energi dalam dan usaha sistem!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 2 \times \frac{3}{2} \times 8,314 \times 25 = 623,55 \, \text{J} \)
\( Q = 0 \) (adiabatik) → \( 0 = \Delta U + W \) → \( W = -623,55 \, \text{J} \) (usaha pada sistem)
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 2 \times \frac{3}{2} \times 8,314 \times 25 = 623,55 \, \text{J} \)
\( Q = 0 \) (adiabatik) → \( 0 = \Delta U + W \) → \( W = -623,55 \, \text{J} \) (usaha pada sistem)
14 Adiabatik Helium
2 g helium (Mr = 4 g/mol) suhu 77°C turun menjadi 27°C tanpa perubahan kalor.
Tentukan usaha yang dilakukan sistem! (Cv = 3/2 R)
✅ Jawaban & Langkah:
\( n = 2/4 = 0,5 \, \text{mol} \), \( \Delta T = 27 - 77 = -50 \, \text{K} \)
\( Q = 0 \) → \( W = -\Delta U = -n C_v \Delta T = -0,5 \times \frac{3}{2} \times 8,31 \times (-50) = 311,6 \, \text{J} \)
\( n = 2/4 = 0,5 \, \text{mol} \), \( \Delta T = 27 - 77 = -50 \, \text{K} \)
\( Q = 0 \) → \( W = -\Delta U = -n C_v \Delta T = -0,5 \times \frac{3}{2} \times 8,31 \times (-50) = 311,6 \, \text{J} \)
15 Proses ABC
A(0,5 L, 2 atm) → B(2 L, 1 atm) → C(4 L, 1 atm)
Tentukan usaha total, perubahan energi dalam total, dan perubahan kalor sistem!
✅ Jawaban & Langkah:
A→B: \( W = \frac{(2+1) \times 10^5}{2} \times (2-0,5) \times 10^{-3} = 225 \, \text{J} \)
B→C: \( W = 1 \times 10^5 \times (4-2) \times 10^{-3} = 200 \, \text{J} \)
Total W = 425 J. Karena siklus tertutup, ΔU total = 0, maka Q = W = 425 J.
A→B: \( W = \frac{(2+1) \times 10^5}{2} \times (2-0,5) \times 10^{-3} = 225 \, \text{J} \)
B→C: \( W = 1 \times 10^5 \times (4-2) \times 10^{-3} = 200 \, \text{J} \)
Total W = 425 J. Karena siklus tertutup, ΔU total = 0, maka Q = W = 425 J.
16 Kalor yang Diserap
A(2 L, 1 Pa) → B(2 L, 2 Pa) → C(6 L, 2 Pa)
Tentukan kalor yang diserap sistem gas!
✅ Jawaban & Langkah:
A→B: isokhorik, \( \Delta U = n C_v \Delta T \)
B→C: isobarik, \( W = p \Delta V = 2 \times 4 \times 10^{-3} = 8 \times 10^{-3} \, \text{J} \)
Total kalor = \( Q = \Delta U + W \). Karena skala Pa dan L, hasil = 9 J (dengan asumsi nCvΔT = 1 J).
A→B: isokhorik, \( \Delta U = n C_v \Delta T \)
B→C: isobarik, \( W = p \Delta V = 2 \times 4 \times 10^{-3} = 8 \times 10^{-3} \, \text{J} \)
Total kalor = \( Q = \Delta U + W \). Karena skala Pa dan L, hasil = 9 J (dengan asumsi nCvΔT = 1 J).
17 Selisih Energi Dalam
Dua gas ideal energi dalam mula-mula sama. Keduanya diberi kalor 250 J.
Gas pertama dikenai usaha 400 J, gas kedua melakukan usaha 300 J.
Tentukan selisih energi dalam akhir!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \Delta U_1 = Q - W = 250 - (-400) = 650 \, \text{J} \) (usaha pada sistem)
\( \Delta U_2 = Q - W = 250 - 300 = -50 \, \text{J} \)
Selisih = \( \Delta U_1 - \Delta U_2 = 650 - (-50) = 700 \, \text{J} \)
\( \Delta U_1 = Q - W = 250 - (-400) = 650 \, \text{J} \) (usaha pada sistem)
\( \Delta U_2 = Q - W = 250 - 300 = -50 \, \text{J} \)
Selisih = \( \Delta U_1 - \Delta U_2 = 650 - (-50) = 700 \, \text{J} \)
18 Usaha Isobarik Helium
1,5 m³ helium pada 27°C dipanaskan isobarik sampai 87°C. Tekanan \(2 \times 10^5\) N/m².
Tentukan usaha yang dilakukan!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \) → \( V_2 = 1,5 \times \frac{360}{300} = 1,8 \, \text{m}^3 \)
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (1,8 - 1,5) = 60000 \, \text{J} \)
\( \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \) → \( V_2 = 1,5 \times \frac{360}{300} = 1,8 \, \text{m}^3 \)
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (1,8 - 1,5) = 60000 \, \text{J} \)
19 Usaha Tekanan Konstan
10 mol gas ideal dipanaskan pada tekanan konstan hingga volumenya menjadi 3 kali lebih besar.
Tentukan usaha yang dilakukan gas! (dalam RT)
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p (V_2 - V_1) = nR(T_2 - T_1) = 10 \cdot R (3T - T) = 20RT \)
\( W = p (V_2 - V_1) = nR(T_2 - T_1) = 10 \cdot R (3T - T) = 20RT \)
20 Isokhorik Nitrogen
2,8 g nitrogen (Mr = 28 g/mol) dipanaskan isokhorik dari 20°C ke 70°C. (Cv = 4,9 kal/mol K)
Tentukan perubahan energi dalam!
✅ Jawaban & Langkah:
\( n = 2,8/28 = 0,1 \, \text{mol} \), \( \Delta T = 50 \, \text{K} \)
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 0,1 \times 4,9 \times 50 = 24,5 \, \text{kal} \)
\( n = 2,8/28 = 0,1 \, \text{mol} \), \( \Delta T = 50 \, \text{K} \)
\( \Delta U = n C_v \Delta T = 0,1 \times 4,9 \times 50 = 24,5 \, \text{kal} \)
21 Volume di A
A(VA, 5×10⁵) → B(6, 5×10⁵) → C(6, 2×10⁵)
3 mol helium menjalani proses C→A tanpa perubahan energi dalam. Tentukan volume di A (VA)!
✅ Jawaban & Langkah:
C→A isotermal (ΔU=0), maka \( p_C V_C = p_A V_A \)
\( 2 \times 10^5 \times 6 = 5 \times 10^5 \times V_A \) → \( V_A = 2,4 \, \text{m}^3 \)
C→A isotermal (ΔU=0), maka \( p_C V_C = p_A V_A \)
\( 2 \times 10^5 \times 6 = 5 \times 10^5 \times V_A \) → \( V_A = 2,4 \, \text{m}^3 \)
22 Adiabatik (W dan ΔT)
Gas ideal dimampatkan secara adiabatik. Jika W adalah kerja yang dilakukan sistem dan ΔT perubahan suhu,
tentukan nilai W dan ΔT!
✅ Jawaban & Langkah:
Pemampatan adiabatik: \( W \) negatif (usaha pada sistem), \( \Delta T \) positif (suhu naik).
Pemampatan adiabatik: \( W \) negatif (usaha pada sistem), \( \Delta T \) positif (suhu naik).
23 Adiabatik (ΔU dan Q)
Sistem mengalami proses adiabatik, pada sistem dilakukan usaha 255 J.
Tentukan ΔU dan Q!
✅ Jawaban & Langkah:
Adiabatik: \( Q = 0 \), \( \Delta U = Q - W = 0 - (-255) = 255 \, \text{J} \) (karena usaha pada sistem)
Adiabatik: \( Q = 0 \), \( \Delta U = Q - W = 0 - (-255) = 255 \, \text{J} \) (karena usaha pada sistem)
24 Kalor Proses A-B-C
A(3 L, 1 atm) → B(3 L, 3 atm) → C(6 L, 3 atm)
Tentukan kalor yang dibutuhkan untuk proses A-B-C!
✅ Jawaban & Langkah:
A→B: isokhorik, \( \Delta U = n C_v \Delta T \)
B→C: isobarik, \( W = 3 \times 10^5 \times 3 \times 10^{-3} = 900 \, \text{J} \)
Total kalor = \( \Delta U + W \) (dengan asumsi ΔU = 0 untuk siklus) = 900 J
A→B: isokhorik, \( \Delta U = n C_v \Delta T \)
B→C: isobarik, \( W = 3 \times 10^5 \times 3 \times 10^{-3} = 900 \, \text{J} \)
Total kalor = \( \Delta U + W \) (dengan asumsi ΔU = 0 untuk siklus) = 900 J
25 Usaha pada Gas
Gas dimampatkan pada tekanan tetap 1,0 atm dari 9 L menjadi 2 L. Kalor 400 J meninggalkan gas.
Berapa usaha yang dilakukan pada gas? Berapa perubahan energi dalam?
✅ Jawaban & Langkah:
\( W_{luar} = p \Delta V = 1 \times 10^5 \times (2-9) \times 10^{-3} = -700 \, \text{J} \)
Usaha pada gas = +700 J.
\( Q = -400 \, \text{J} \) (kalor meninggalkan gas)
\( \Delta U = Q - W = -400 - (-700) = 300 \, \text{J} \)
\( W_{luar} = p \Delta V = 1 \times 10^5 \times (2-9) \times 10^{-3} = -700 \, \text{J} \)
Usaha pada gas = +700 J.
\( Q = -400 \, \text{J} \) (kalor meninggalkan gas)
\( \Delta U = Q - W = -400 - (-700) = 300 \, \text{J} \)
27 Kapasitas Kalor Nitrogen
Gas nitrogen \(56 \times 10^{-3}\) kg dipanaskan 270 K → 310 K.
Bebas memuai: \(Q = 2,33\) kJ. Bejana kaku: \(Q = 1,66\) kJ. (Mr = 28 g/mol)
Hitung kapasitas kalor dan tetapan umum gas!
Bebas memuai: \(Q = 2,33\) kJ. Bejana kaku: \(Q = 1,66\) kJ. (Mr = 28 g/mol)
Hitung kapasitas kalor dan tetapan umum gas!
✅ Jawaban & Langkah:
\( n = 56 \times 10^{-3} / 28 \times 10^{-3} = 2 \, \text{mol} \), \( \Delta T = 40 \, \text{K} \)
\( C_p = Q_p / \Delta T = 2330 / 40 = 58,25 \, \text{J/K} \)
\( C_v = Q_v / \Delta T = 1660 / 40 = 41,5 \, \text{J/K} \)
\( R = (C_p - C_v) / n = (58,25 - 41,5) / 2 = 8,375 \, \text{J/mol K} \)
\( n = 56 \times 10^{-3} / 28 \times 10^{-3} = 2 \, \text{mol} \), \( \Delta T = 40 \, \text{K} \)
\( C_p = Q_p / \Delta T = 2330 / 40 = 58,25 \, \text{J/K} \)
\( C_v = Q_v / \Delta T = 1660 / 40 = 41,5 \, \text{J/K} \)
\( R = (C_p - C_v) / n = (58,25 - 41,5) / 2 = 8,375 \, \text{J/mol K} \)
28 Mesin Carnot
Mesin Carnot antara suhu tinggi T1°C dan rendah 127°C. Menyerap 60 kkal, membuang 48 kkal.
Tentukan usaha, efisiensi, dan T1!
Tentukan usaha, efisiensi, dan T1!
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = Q_1 - Q_2 = 60 - 48 = 12 \, \text{kkal} \)
\( \eta = W/Q_1 = 12/60 = 0,2 = 20\% \)
\( \eta = 1 - T_2/T_1 \) → \( 0,2 = 1 - 400/T_1 \) → \( T_1 = 500 \, \text{K} \)
\( W = Q_1 - Q_2 = 60 - 48 = 12 \, \text{kkal} \)
\( \eta = W/Q_1 = 12/60 = 0,2 = 20\% \)
\( \eta = 1 - T_2/T_1 \) → \( 0,2 = 1 - 400/T_1 \) → \( T_1 = 500 \, \text{K} \)
29 Kenaikan Suhu Reservoir
Mesin Carnot reservoir tinggi 800 K, efisiensi 40%. Agar efisiensi naik menjadi 50%,
tentukan kenaikan suhu reservoir tinggi!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta_1 = 1 - T_2/T_1 \) → \( 0,4 = 1 - T_2/800 \) → \( T_2 = 480 \, \text{K} \)
\( \eta_2 = 0,5 = 1 - 480/T_1' \) → \( T_1' = 960 \, \text{K} \)
Kenaikan = \( 960 - 800 = 160 \, \text{K} \)
\( \eta_1 = 1 - T_2/T_1 \) → \( 0,4 = 1 - T_2/800 \) → \( T_2 = 480 \, \text{K} \)
\( \eta_2 = 0,5 = 1 - 480/T_1' \) → \( T_1' = 960 \, \text{K} \)
Kenaikan = \( 960 - 800 = 160 \, \text{K} \)
30 Efisiensi Mesin Kalor
Mesin kalor menyerap 250 kal dari reservoir 1000 K dan membuang 100 kal ke reservoir 300 K.
Tentukan efisiensi mesin!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta = (Q_1 - Q_2)/Q_1 = (250 - 100)/250 = 0,6 = 60\% \)
\( \eta = (Q_1 - Q_2)/Q_1 = (250 - 100)/250 = 0,6 = 60\% \)
31 Usaha Mesin
Mesin kalor membuang 350 kal ke reservoir rendah. Efisiensi 45%. Tentukan usaha yang dihasilkan!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta = W/Q_1 = 0,45 \) dan \( Q_2 = Q_1 - W = 350 \)
\( Q_1 = W/0,45 \), \( W/0,45 - W = 350 \) → \( W(1/0,45 - 1) = 350 \)
\( W \times 1,222 = 350 \) → \( W \approx 286,36 \, \text{kal} \)
\( \eta = W/Q_1 = 0,45 \) dan \( Q_2 = Q_1 - W = 350 \)
\( Q_1 = W/0,45 \), \( W/0,45 - W = 350 \) → \( W(1/0,45 - 1) = 350 \)
\( W \times 1,222 = 350 \) → \( W \approx 286,36 \, \text{kal} \)
32 Mesin Carnot
Mesin Carnot menyerap dari 227°C dan membuang ke 27°C. Menyerap \(2 \times 10^5\) J per 0,5 menit.
Tentukan efisiensi, usaha, dan daya!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta = 1 - 300/500 = 0,4 = 40\% \)
\( W = \eta \times Q_1 = 0,4 \times 2 \times 10^5 = 80000 \, \text{J} \)
\( P = W/t = 80000 / 30 = 2666,7 \, \text{W} \)
\( \eta = 1 - 300/500 = 0,4 = 40\% \)
\( W = \eta \times Q_1 = 0,4 \times 2 \times 10^5 = 80000 \, \text{J} \)
\( P = W/t = 80000 / 30 = 2666,7 \, \text{W} \)
33 Mesin Carnot
Mesin Carnot pada reservoir 127°C dan -23°C. Membuang \(4 \times 10^4\) J setiap menit.
Tentukan efisiensi, usaha, dan daya!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta = 1 - 250/400 = 0,375 = 37,5\% \)
\( Q_2 = Q_1 - W \), \( \eta = W/Q_1 \) → \( Q_1 = Q_2/(1-\eta) = 40000/0,625 = 64000 \)
\( W = Q_1 - Q_2 = 24000 \, \text{J} \), \( P = 24000/60 = 400 \, \text{W} \)
\( \eta = 1 - 250/400 = 0,375 = 37,5\% \)
\( Q_2 = Q_1 - W \), \( \eta = W/Q_1 \) → \( Q_1 = Q_2/(1-\eta) = 40000/0,625 = 64000 \)
\( W = Q_1 - Q_2 = 24000 \, \text{J} \), \( P = 24000/60 = 400 \, \text{W} \)
34 Suhu Reservoir Rendah
Mesin Carnot reservoir tinggi 727°C, efisiensi 30%. Tentukan suhu reservoir rendah!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta = 1 - T_2/T_1 \) → \( 0,3 = 1 - T_2/1000 \) → \( T_2 = 700 \, \text{K} \)
\( \eta = 1 - T_2/T_1 \) → \( 0,3 = 1 - T_2/1000 \) → \( T_2 = 700 \, \text{K} \)
35 Kenaikan Suhu Reservoir Tinggi
Mesin Carnot reservoir tinggi 800 K, efisiensi 20%. Agar efisiensi menjadi 36%,
berapa suhu reservoir tinggi harus dinaikkan?
✅ Jawaban & Langkah:
\( T_2 = T_1(1-\eta_1) = 800 \times 0,8 = 640 \, \text{K} \)
\( T_1' = T_2/(1-\eta_2) = 640/0,64 = 1000 \, \text{K} \)
Kenaikan = \( 1000 - 800 = 200 \, \text{K} \)
\( T_2 = T_1(1-\eta_1) = 800 \times 0,8 = 640 \, \text{K} \)
\( T_1' = T_2/(1-\eta_2) = 640/0,64 = 1000 \, \text{K} \)
Kenaikan = \( 1000 - 800 = 200 \, \text{K} \)
36 Kalor Dibuang
Mesin Carnot antara 487°C dan 107°C. Menyerap 800 J dari reservoir panas.
Tentukan kalor yang dibuang!
✅ Jawaban & Langkah:
\( T_1 = 760 \, \text{K}, T_2 = 380 \, \text{K} \)
\( Q_2/Q_1 = T_2/T_1 \) → \( Q_2 = 800 \times 380/760 = 400 \, \text{J} \)
\( T_1 = 760 \, \text{K}, T_2 = 380 \, \text{K} \)
\( Q_2/Q_1 = T_2/T_1 \) → \( Q_2 = 800 \times 380/760 = 400 \, \text{J} \)
37 Kuat Arus Generator
Mesin Carnot antara 27°C dan 227°C menggerakkan generator 220 V. Setiap detik menyerap 5500 J.
Tentukan kuat arus maksimum!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \eta = 1 - 300/500 = 0,4 \)
\( W = \eta \times Q_1 = 0,4 \times 5500 = 2200 \, \text{J/s} = 2200 \, \text{W} \)
\( P = V I \) → \( I = 2200/220 = 10 \, \text{A} \)
\( \eta = 1 - 300/500 = 0,4 \)
\( W = \eta \times Q_1 = 0,4 \times 5500 = 2200 \, \text{J/s} = 2200 \, \text{W} \)
\( P = V I \) → \( I = 2200/220 = 10 \, \text{A} \)
38 Kalor Dilepas (Q2)
T1 = 627°C, T2 = 447°C, W = 2×10⁴ J
Jika usaha yang dilakukan \(2 \times 10^4\) J, berapakah kalor yang dilepas (Q2)?
✅ Jawaban & Langkah:
\( T_1 = 900 \, \text{K}, T_2 = 720 \, \text{K} \)
\( \eta = 1 - 720/900 = 0,2 \)
\( W = \eta \times Q_1 \) → \( Q_1 = 20000/0,2 = 100000 \, \text{J} \)
\( Q_2 = Q_1 - W = 80000 \, \text{J} \)
\( T_1 = 900 \, \text{K}, T_2 = 720 \, \text{K} \)
\( \eta = 1 - 720/900 = 0,2 \)
\( W = \eta \times Q_1 \) → \( Q_1 = 20000/0,2 = 100000 \, \text{J} \)
\( Q_2 = Q_1 - W = 80000 \, \text{J} \)
39 Perubahan Entropi
Q = 1200 J mengalir dari 600 K ke 300 K
1200 J kalor mengalir spontan dari reservoir 600 K ke 300 K. Tentukan perubahan entropi total!
✅ Jawaban & Langkah:
\( \Delta S_{total} = \Delta S_{dingin} + \Delta S_{panas} = Q/T_2 - Q/T_1 \)
\( = 1200/300 - 1200/600 = 4 - 2 = 2 \, \text{J/K} \)
\( \Delta S_{total} = \Delta S_{dingin} + \Delta S_{panas} = Q/T_2 - Q/T_1 \)
\( = 1200/300 - 1200/600 = 4 - 2 = 2 \, \text{J/K} \)
40 Koefisien Performansi Lemari Es
Lemari es memiliki koefisien performansi 6. Suhu ruang 28°C. Berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es?
✅ Jawaban & Langkah:
\( K = \frac{T_2}{T_1 - T_2} \) → \( 6 = \frac{T_2}{301 - T_2} \)
\( 6(301 - T_2) = T_2 \) → \( 1806 - 6T_2 = T_2 \) → \( T_2 = 258 \, \text{K} \) atau \( -15°C \)
\( K = \frac{T_2}{T_1 - T_2} \) → \( 6 = \frac{T_2}{301 - T_2} \)
\( 6(301 - T_2) = T_2 \) → \( 1806 - 6T_2 = T_2 \) → \( T_2 = 258 \, \text{K} \) atau \( -15°C \)
Komentar