Usaha Termodinamika
Usaha Termodinamika
Fisika SMA — Konsep Dasar Termodinamika, Usaha dan Gas Ideal, dan Soal Literasi
Daftar Isi
Apersepsi
Bayangkan situasi ini:
"Anak-anak, bayangkan saat cuaca terik kalian memesan segelas es teh manis lalu meletakkannya di atas meja kelas. Lama-kelamaan, es di dalam gelas mencair dan muncul titik-titik air di dinding luar gelas. Dalam Termodinamika, kita harus menentukan mana yang menjadi pusat perhatian kita dan mana daerah sekitarnya."
Pertanyaan Apersepsi:
"Dari segelas es teh ini, coba tebak mana yang disebut 'Sistem' dan mana yang disebut 'Lingkungan'? Lalu, mengapa es tersebut bisa mencair?"
"Anak-anak, bayangkan saat cuaca terik kalian memesan segelas es teh manis lalu meletakkannya di atas meja kelas. Lama-kelamaan, es di dalam gelas mencair dan muncul titik-titik air di dinding luar gelas. Dalam Termodinamika, kita harus menentukan mana yang menjadi pusat perhatian kita dan mana daerah sekitarnya."
"Dari segelas es teh ini, coba tebak mana yang disebut 'Sistem' dan mana yang disebut 'Lingkungan'? Lalu, mengapa es tersebut bisa mencair?"
📖 LIHAT JAWABAN
✖ Tutup Jawaban
- Menentukan Sistem, Lingkungan, dan Batas
- Sistem (Pusat Perhatian): Es teh manis (air, es batu, dan gula) yang berada di dalam gelas.
- Lingkungan (Daerah Sekitar): Gelas, meja, udara di dalam kelas, dan baju siswa yang berada di sekitar gelas.
- Batas (Boundary): Dinding kaca gelas itu sendiri, yang memisahkan antara es teh (sistem) dengan udara luar (lingkungan).
- Mengapa Es Mencair? (Proses Termodinamika)
- Jawaban: Es mencair karena terjadi perpindahan energi panas (kalor) dari lingkungan (udara kelas yang lebih hangat) masuk ke dalam sistem (es teh yang dingin).
- Penjelasan Proses: Karena sistem menyerap kalor dari lingkungan, suhu es teh meningkat hingga es batu meleleh. Peristiwa ini disebut sebagai proses endoterm atau transfer energi dari lingkungan ke sistem.
- Mengapa Dinding Luar Gelas Basah?
- Jawaban: Udara di sekitar gelas (lingkungan) mengandung uap air. Ketika uap air yang hangat menyentuh dinding gelas yang dingin (batas), uap air tersebut melepaskan panasnya ke gelas dan mengalami pengembunan (kondensasi) menjadi titik-titik air.
A. Konsep Dasar Termodinamika
Bayangkan situasi ini:
"Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari hubungan antara panas (kalor) dan usaha (kerja). Dari mesin uap hingga lemari es, semua melibatkan prinsip termodinamika dalam kehidupan sehari-hari."
"Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari hubungan antara panas (kalor) dan usaha (kerja). Dari mesin uap hingga lemari es, semua melibatkan prinsip termodinamika dalam kehidupan sehari-hari."
1. Sistem dan Lingkungan
Definisi:
Sistem adalah bagian dari alam semesta yang menjadi fokus pengamatan. Lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem.
Sistem adalah bagian dari alam semesta yang menjadi fokus pengamatan. Lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem.
Jenis Sistem:
- Sistem Terbuka: pertukaran energi dan materi
- Sistem Tertutup: pertukaran energi saja
- Sistem Terisolasi: tidak ada pertukaran
Sistem Terbuka
Air dalam panci terbuka (kalor dan uap keluar)
Sistem Tertutup
Air dalam panci tertutup (kalor masuk, uap tidak keluar)
Sistem Terisolasi
Termos ideal (tidak ada pertukaran kalor)
2. Sifat-sifat Sistem Termodinamika
Sifat Ekstensif
Bergantung pada ukuran sistem
Contoh: Volume (V), Energi Dalam (U), Entropi (S)
Contoh: Volume (V), Energi Dalam (U), Entropi (S)
Sifat Intensif
Tidak bergantung pada ukuran sistem
Contoh: Tekanan (P), Suhu (T), Massa Jenis (\(\rho\))
Contoh: Tekanan (P), Suhu (T), Massa Jenis (\(\rho\))
Perbedaan Sifat Ekstensif dan Intensif:
Sifat ekstensif berubah jika sistem dibagi, sedangkan sifat intensif tetap.
Sifat ekstensif berubah jika sistem dibagi, sedangkan sifat intensif tetap.
B. Usaha dan Gas Ideal
Bayangkan situasi ini:
Usaha termodinamika adalah kerja yang dilakukan oleh gas saat memuai, atau kerja yang diterima gas saat menyusut. Di kehidupan sehari-hari, hal ini terjadi karena perubahan suhu dan tekanan. Contoh paling dekat adalah pompa sepeda. Saat kita menekan pompa, kita memberikan usaha kepada gas di dalamnya sehingga gas menjadi panas. Sebaliknya, pada mesin motor atau mobil, gas hasil pembakaran bensin memuai dan mendorong piston, sehingga kendaraan bisa berjalan.
Pertanyaan Apersepsi:
"Pernahkah kalian memompa ban sepeda? Mengapa ujung pompa terasa hangat atau panas setelah digunakan beberapa kali?"
Ujung pompa terasa panas karena kita melakukan usaha (kerja) pada gas di dalam pompa saat menekan tuasnya. Ketika kita menekan pompa, volume gas mengecil dan tekanannya membesar. Usaha yang kita berikan ini berubah menjadi energi panas di dalam gas, sehingga suhu pompa ikut naik.
Usaha termodinamika adalah kerja yang dilakukan oleh gas saat memuai, atau kerja yang diterima gas saat menyusut. Di kehidupan sehari-hari, hal ini terjadi karena perubahan suhu dan tekanan. Contoh paling dekat adalah pompa sepeda. Saat kita menekan pompa, kita memberikan usaha kepada gas di dalamnya sehingga gas menjadi panas. Sebaliknya, pada mesin motor atau mobil, gas hasil pembakaran bensin memuai dan mendorong piston, sehingga kendaraan bisa berjalan.
"Pernahkah kalian memompa ban sepeda? Mengapa ujung pompa terasa hangat atau panas setelah digunakan beberapa kali?"
📖 LIHAT JAWABAN
✖ Tutup Jawaban
Ujung pompa terasa panas karena kita melakukan usaha (kerja) pada gas di dalam pompa saat menekan tuasnya. Ketika kita menekan pompa, volume gas mengecil dan tekanannya membesar. Usaha yang kita berikan ini berubah menjadi energi panas di dalam gas, sehingga suhu pompa ikut naik.
Usaha dalam Termodinamika:
Usaha adalah energi yang ditransfer dari sistem ke lingkungan (atau sebaliknya) melalui perubahan volume.
Usaha adalah energi yang ditransfer dari sistem ke lingkungan (atau sebaliknya) melalui perubahan volume.
\[
W = P \times \Delta V
\]
\[
W = \int_{V_1}^{V_2} P \times dV
\]
- \(W\) = usaha (J)
- \(P\) = tekanan (Pa)
- \(\Delta V = V_2 - V_1\) = perubahan volume (m³)
Konvensi Tanda Usaha:
\[ W = P(V_2 - V_1) \]
- Sistem melakukan usaha (ekspansi): \(W\) positif (+)
- Sistem menerima usaha (kompresi): \(W\) negatif (−)
\[ W = P(V_2 - V_1) \]
Proses Termodinamika
Isotermal
Suhu tetap
\(\Delta T = 0\)
\(W = nRT \ln\frac{V_2}{V_1}\)
\(\Delta T = 0\)
\(W = nRT \ln\frac{V_2}{V_1}\)
Isobarik
Tekanan tetap
\(\Delta P = 0\)
\(W = P(V_2 - V_1)\)
\(\Delta P = 0\)
\(W = P(V_2 - V_1)\)
Isokhorik
Volume tetap
\(\Delta V = 0\)
\(W = 0\)
\(\Delta V = 0\)
\(W = 0\)
Adiabatik
Tidak ada kalor
\(Q = 0\)
\(W = -\Delta U\)
\(Q = 0\)
\(W = -\Delta U\)
Hukum I Termodinamika:
\[ \Delta U = Q - W \]
\[ \Delta U = Q - W \]
- \(\Delta U\) = perubahan energi dalam (J)
- \(Q\) = kalor yang diserap sistem (J)
- \(W\) = usaha yang dilakukan sistem (J)
C. Pengertian Proses Termodinamika
Bayangkan situasi ini:
" Anak-anak, di kelas/rumah kita kan memakai AC agar ruangan menjadi dingin dan sejuk."
Pertanyaan Apersepsi
" Anak-anak, di kelas/rumah kita kan memakai AC agar ruangan menjadi dingin dan sejuk."
- Pernahkah kalian berjalan di dekat mesin AC yang dipasang di luar ruangan (outdoor)? Apa yang kalian rasakan? Kenapa mesin di luar itu justru meniupkan angin yang sangat panas? Dari mana datangnya panas tersebut?
- Kalau kita perhatikan, di luar ruangan pasti ada pipa kecil dari AC yang terus-menerus meneteskan air. Padahal, AC kan tidak diisi air seperti kita mengisi air minum. Dari mana datangnya air yang menetes dari AC tersebut?
- Mengapa orang tua atau guru selalu mengingatkan kita untuk menutup rapat pintu dan jendela saat AC sedang menyala? Apa dampaknya bagi mesin AC jika kita membiarkan pintu kamar terbuka lebar?
📖 LIHAT JAWABAN
✖ Tutup Jawaban
- Hukum termodinamika menyatakan bahwa dingin tidak bisa diciptakan begitu saja, melainkan dengan cara memindahkan panas. AC bekerja seperti 'pompa kalor'. Mesin AC di dalam ruangan menyerap panas dari udara kamar. Panas tersebut kemudian dialirkan melalui cairan pendingin (refrigeran) menuju mesin luar (outdoor). Di luar ruangan, panas tersebut dilepaskan ke udara bebas bantuan kipas. Jadi, udara panas di luar itu sebenarnya adalah panas dari dalam ruangan kita yang 'dibuang' keluar.
- Air itu berasal dari kelembapan udara di dalam ruangan kita sendiri. Di dalam AC, terdapat pipa yang sangat dingin. Ketika udara ruangan yang hangat dan lembap melewati pipa dingin tersebut, terjadi penurunan suhu yang membuat uap air di udara berubah wujud menjadi bintik-bintik air (proses kondensasi/pengembunan). Proses ini mirip dengan dinding luar gelas yang menjadi basah saat kita mengisinya dengan es batu. Air embun inilah yang kemudian dialirkan keluar melalui pipa kecil.
- Dalam termodinamika, kita mengenal adanya Sistem Tertutup dan Sistem Terbuka. Saat pintu ditutup rapat, AC bekerja dalam sistem tertutup, di mana ia hanya perlu mendinginkan udara yang jumlahnya terbatas di dalam kamar saja. Jika pintu terbuka, tandanya menjadi sistem terbuka. Udara panas dari luar rumah akan terus masuk ke dalam kamar. Akibatnya, kompresor AC harus bekerja keras tanpa henti untuk membuang panas yang terus-menerus masuk, membuat AC cepat rusak dan boros listrik.
Definisi Proses Termodinamika:
Proses Termodinamika adalah perubahan keadaan suatu sistem dari kondisi awal ke kondisi akhir melalui lintasan tertentu. Setiap proses memiliki karakteristik dan rumus usaha yang berbeda.
Proses Termodinamika adalah perubahan keadaan suatu sistem dari kondisi awal ke kondisi akhir melalui lintasan tertentu. Setiap proses memiliki karakteristik dan rumus usaha yang berbeda.
Proses termodinamika dalam kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada penggunaan lemari es (kulkas), pendingin ruangan (AC), dan termos air panas
- Lemari Es: Memindahkan kalor dari dalam ruang pendingin ke lingkungan luar menggunakan cairan pendingin (refrigerant).
- AC (Air Conditioner): Menyerap udara panas di dalam ruangan dan membuangnya ke luar untuk menurunkan suhu ruangan.
- Termos Air: Menggunakan sistem terisolasi untuk mencegah perpindahan kalor atau panas dari air di dalam ke lingkungan luar.
- Kendaraan: Mengubah energi kimia dari bahan bakar bensin atau solar menjadi energi gerak mekanik untuk menjalankan mobil atau motor.
- Tubuh Manusia: Mengubah energi kimia dari makanan yang kita makan menjadi energi panas dan gerak untuk beraktivitas.
Empat Proses Dasar Termodinamika:
- Isotermal → Suhu tetap (\(T = \text{konstan}\))
- Isokhorik → Volume tetap (\(V = \text{konstan}\))
- Isobarik → Tekanan tetap (\(P = \text{konstan}\))
- Adiabatik → Tidak ada kalor (\(Q = 0\))
D. Proses Isotermal
Isotermal
Suhu tetap (\(T\) = konstan)
Contoh: Ekspansi gas pada suhu ruang
Grafik \(P\)-\(V\): Kurva hiperbola
\(P \times V = \text{konstan}\)
\(P_1 V_1 = P_2 V_2\)
\(W = nRT \ln\frac{V_2}{V_1}\)
Contoh: Ekspansi gas pada suhu ruang
Karakteristik
- \(\Delta T = 0\)
- \(\Delta U = 0\) (gas ideal)
- \(Q = W\)
- \(P \propto \frac{1}{V}\)
Penerapan:
- Mesin pendingin
- Ekspansi gas dalam silinder
E. Proses Isokhorik
Isokhorik
Volume tetap (\(V\) = konstan)
Contoh: Pemanasan gas dalam wadah tertutup
Grafik \(P\)-\(V\): Garis vertikal
\(\frac{P}{T} = \text{konstan}\)
\(\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}\)
\(W = 0\)
Contoh: Pemanasan gas dalam wadah tertutup
Karakteristik
- \(\Delta V = 0\)
- \(W = 0\) (tidak ada usaha)
- \(Q = \Delta U\)
- \(P \propto T\)
Penerapan:
- Panci presto
- Pemanasan gas di ruang tertutup
F. Proses Isobarik
Isobarik
Tekanan tetap (\(P\) = konstan)
Contoh: Pemanasan air dalam panci terbuka
Grafik \(P\)-\(V\): Garis horizontal
\(\frac{V}{T} = \text{konstan}\)
\(\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}\)
\(W = P(V_2 - V_1)\)
Contoh: Pemanasan air dalam panci terbuka
Karakteristik
- \(\Delta P = 0\)
- \(W = P \Delta V\)
- \(Q = \Delta U + W\)
- \(V \propto T\)
Penerapan:
- Mesin uap
- Pemanasan air di panci
G. Proses Adiabatik
Adiabatik
Tidak ada kalor (\(Q = 0\))
Contoh: Kompresi gas dalam mesin diesel
Grafik \(P\)-\(V\): Kurva lebih curam dari isotermal
\(P V^\gamma = \text{konstan}\)
\(P_1 V_1^\gamma = P_2 V_2^\gamma\)
\(W = -\Delta U = \frac{P_1 V_1 - P_2 V_2}{\gamma - 1}\)
Contoh: Kompresi gas dalam mesin diesel
Karakteristik
- \(Q = 0\)
- \(\Delta U = -W\)
- \(T\) berubah (suhu turun saat ekspansi)
- \(\gamma = C_P/C_V\)
Penerapan:
- Mesin diesel
- Kompresor gas
Perbandingan Grafik P-V:
- Isotermal: \(P \propto 1/V\) (kurva hiperbola)
- Adiabatik: \(P \propto 1/V^\gamma\) (kurva lebih curam)
- Isobarik: Garis horizontal
- Isokhorik: Garis vertikal
H. 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 / 20
1 Sistem dan Lingkungan
Dalam kehidupan sehari-hari, contoh sistem termodinamika adalah air dalam panci yang dipanaskan.
Manakah yang merupakan lingkungan dari sistem tersebut?
✅ Jawaban & Langkah:
Lingkungan adalah api / kompor (sumber panas) karena memberikan energi ke sistem (air dalam panci).
Lingkungan adalah api / kompor (sumber panas) karena memberikan energi ke sistem (air dalam panci).
2 Usaha Sistem terhadap Lingkungan
Sebuah piston berisi gas memuai dan mendorong beban. Jika volume gas bertambah, apakah usaha yang dilakukan gas bernilai positif atau negatif?
✅ Jawaban & Langkah:
Usaha bernilai positif karena gas melakukan usaha terhadap lingkungan (ekspansi).
Usaha bernilai positif karena gas melakukan usaha terhadap lingkungan (ekspansi).
3 Usaha Gas pada Tekanan Tetap
Grafik P-V: (0,3 liter, 2 atm) → (0,5 liter, 2 atm)
Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga memuai seperti terlihat pada gambar.
Tentukanlah usaha yang dilakukan gas (1 atm = 105 N/m2).
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (0,5 - 0,3) \times 10^{-3} = 2 \times 10^5 \times 2 \times 10^{-4} = 40 \, \text{J} \)
\( W = p \Delta V = 2 \times 10^5 \times (0,5 - 0,3) \times 10^{-3} = 2 \times 10^5 \times 2 \times 10^{-4} = 40 \, \text{J} \)
4 Siklus Termodinamika
A(2 L, 2 atm) → B(3 L, 2 atm) → C(3 L, 1 atm) → D(2 L, 1 atm) → A
Tentukan usaha yang dilakukan gas dari A ke B, B ke C, C ke D, D ke A, dan total satu siklus.
✅ Jawaban & Langkah:
A→B: isobarik \( W = 2 \times 10^5 \times 1 \times 10^{-3} = 200 \, \text{J} \) (positif)
B→C: isokhorik \( W = 0 \)
C→D: isobarik \( W = 1 \times 10^5 \times (-1) \times 10^{-3} = -100 \, \text{J} \)
D→A: isokhorik \( W = 0 \)
Total = \( 200 + 0 - 100 + 0 = 100 \, \text{J} \)
A→B: isobarik \( W = 2 \times 10^5 \times 1 \times 10^{-3} = 200 \, \text{J} \) (positif)
B→C: isokhorik \( W = 0 \)
C→D: isobarik \( W = 1 \times 10^5 \times (-1) \times 10^{-3} = -100 \, \text{J} \)
D→A: isokhorik \( W = 0 \)
Total = \( 200 + 0 - 100 + 0 = 100 \, \text{J} \)
5 Ekspansi Isotermal Helium
Sepuluh mol gas helium memuai secara isotermal pada suhu 47°C sehingga volumenya menjadi dua kali volume mula-mula.
Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas helium. (R = 8,31 J/mol K)
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = nRT \ln(V_2/V_1) = 10 \times 8,31 \times (320) \times \ln 2 \)
\( = 10 \times 8,31 \times 320 \times 0,693 \approx 18400 \, \text{J} \)
\( W = nRT \ln(V_2/V_1) = 10 \times 8,31 \times (320) \times \ln 2 \)
\( = 10 \times 8,31 \times 320 \times 0,693 \approx 18400 \, \text{J} \)
6 Usaha pada Proses Isokhorik
Grafik P-V dengan volume tetap (isokhorik)
Dari grafik, tentukan usaha saat proses isokhorik (volume tetap)!
✅ Jawaban & Langkah:
Pada proses isokhorik, volume tetap (\(\Delta V = 0\)), maka \( W = p \Delta V = 0 \, \text{J} \).
Pada proses isokhorik, volume tetap (\(\Delta V = 0\)), maka \( W = p \Delta V = 0 \, \text{J} \).
7 Usaha Tekanan Tetap
Suatu gas yang volumenya 1,2 liter perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap \(1,5 \times 10^5 \, \text{N/m}^2\) hingga volumenya menjadi 2 liter.
Berapakah usaha yang dilakukan gas?
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p \Delta V = 1,5 \times 10^5 \times (2 - 1,2) \times 10^{-3} = 1,5 \times 10^5 \times 0,8 \times 10^{-3} = 120 \, \text{J} \)
\( W = p \Delta V = 1,5 \times 10^5 \times (2 - 1,2) \times 10^{-3} = 1,5 \times 10^5 \times 0,8 \times 10^{-3} = 120 \, \text{J} \)
8 Siklus A-B-C-A
A(2 L, 3×10⁵ Pa) → B(6 L, 3×10⁵ Pa) → C(6 L, 1×10⁵ Pa) → A (lengkung)
Tentukan usaha gas dari A ke B, B ke C, C ke A, dan usaha netto satu siklus.
✅ Jawaban & Langkah:
A→B: \( W = 3 \times 10^5 \times 4 \times 10^{-3} = 1200 \, \text{J} \)
B→C: isokhorik \( W = 0 \)
C→A: \( W \approx -800 \, \text{J} \) (luas di bawah kurva)
Netto = \( 1200 - 800 = 400 \, \text{J} \)
A→B: \( W = 3 \times 10^5 \times 4 \times 10^{-3} = 1200 \, \text{J} \)
B→C: isokhorik \( W = 0 \)
C→A: \( W \approx -800 \, \text{J} \) (luas di bawah kurva)
Netto = \( 1200 - 800 = 400 \, \text{J} \)
9 Pemampatan Adiabatik
Sebuah mesin memiliki rasio pemampatan 12:1 (volume akhir = 1/12 volume awal).
Gas pada 35°C, 1 atm, γ = 1,4. Hitung tekanan akhir dan suhu akhir (proses adiabatik).
✅ Jawaban & Langkah:
\( T_2 = T_1 (V_1/V_2)^{\gamma -1} = 308 \times 12^{0,4} \approx 830 \, \text{K} \)
\( p_2 = p_1 (V_1/V_2)^{\gamma} = 1 \times 12^{1,4} \approx 32,4 \, \text{atm} \)
\( T_2 = T_1 (V_1/V_2)^{\gamma -1} = 308 \times 12^{0,4} \approx 830 \, \text{K} \)
\( p_2 = p_1 (V_1/V_2)^{\gamma} = 1 \times 12^{1,4} \approx 32,4 \, \text{atm} \)
10 Usaha Adiabatik
Usaha sebesar \(2 \times 10^3\) J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal monoatomik sehingga suhu mutlaknya menjadi 2 kali semula.
Tentukan suhu awal gas (R = 8,31 J/mol K).
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = \frac{3}{2} nR (T_2 - T_1) \) untuk monoatomik.
\( 2000 = \frac{3}{2} \times 0,5 \times 8,31 \times (2T_1 - T_1) \)
\( 2000 = 6,2325 T_1 \) → \( T_1 \approx 321 \, \text{K} \)
\( W = \frac{3}{2} nR (T_2 - T_1) \) untuk monoatomik.
\( 2000 = \frac{3}{2} \times 0,5 \times 8,31 \times (2T_1 - T_1) \)
\( 2000 = 6,2325 T_1 \) → \( T_1 \approx 321 \, \text{K} \)
11 Isobarik dan Perubahan Energi Dalam
Gas ideal 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 Kerja Siklus A-B-C
A(2 L, 3×10⁵) → B(4 L, 3×10⁵) → C(4 L, 1×10⁵) → A
Tentukan kerja yang dihasilkan pada siklus tersebut.
✅ Jawaban & Langkah:
Luas siklus = \( (4-2) \times 10^{-3} \times (3-1) \times 10^5 = 2 \times 10^{-3} \times 2 \times 10^5 = 400 \, \text{J} \)
Luas siklus = \( (4-2) \times 10^{-3} \times (3-1) \times 10^5 = 2 \times 10^{-3} \times 2 \times 10^5 = 400 \, \text{J} \)
13 Usaha Adiabatik Diatomik
Sistem berisi 4 mol gas diatomik mengalami proses adiabatik dari 527 K ke 753 K. (R = 8,317 J/mol.K)
Tentukan usaha yang dilakukan sistem!
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = \frac{5}{2} nR (T_2 - T_1) = \frac{5}{2} \times 4 \times 8,317 \times (753 - 527) \)
\( = 10 \times 8,317 \times 226 = 18780 \, \text{J} \)
\( W = \frac{5}{2} nR (T_2 - T_1) = \frac{5}{2} \times 4 \times 8,317 \times (753 - 527) \)
\( = 10 \times 8,317 \times 226 = 18780 \, \text{J} \)
14 Tekanan dari Usaha
Gas volume 0,5 m³ dipanaskan pada tekanan tetap hingga 2 m³. Jika usaha luar = \(3 \times 10^5\) J,
berapa besar tekanan gas?
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p \Delta V \) → \( p = W / \Delta V = 3 \times 10^5 / (2 - 0,5) = 2 \times 10^5 \, \text{N/m}^2 \)
\( W = p \Delta V \) → \( p = W / \Delta V = 3 \times 10^5 / (2 - 0,5) = 2 \times 10^5 \, \text{N/m}^2 \)
15 Usaha Tekanan Konstan
Satu mol gas ideal dipanaskan pada tekanan konstan sehingga volumenya menjadi 4 kali lebih besar.
Jika R tetapan gas universal, tentukan usaha yang dilakukan gas!
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = p (V_2 - V_1) = nR(T_2 - T_1) = 1 \cdot R (4T - T) = 3RT \)
\( W = p (V_2 - V_1) = nR(T_2 - T_1) = 1 \cdot R (4T - T) = 3RT \)
16 Usaha Isokhorik
Usaha yang dilakukan gas ideal yang mengalami proses isokhorik dari tekanan \(p_1\) sampai \(p_2\) adalah?
✅ Jawaban & Langkah:
Pada proses isokhorik, volume tetap (\(\Delta V = 0\)), maka \( W = 0 \).
Pada proses isokhorik, volume tetap (\(\Delta V = 0\)), maka \( W = 0 \).
17 Massa Gas Tambahan
1,2 kg gas ideal pada tekanan 2×10⁵ Pa, suhu 27°C. Kemudian dimasukkan gas sejenis sehingga suhu 87°C, tekanan 3×10⁵ Pa.
Berapa massa gas yang dimasukkan?
✅ Jawaban & Langkah:
\( \frac{p_1 V}{m_1 T_1} = \frac{p_2 V}{m_2 T_2} \) → \( m_2 = m_1 \frac{p_2 T_1}{p_1 T_2} = 1,2 \times \frac{3 \times 300}{2 \times 360} = 1,5 \, \text{kg} \)
Massa tambahan = \( 1,5 - 1,2 = 0,3 \, \text{kg} \)
\( \frac{p_1 V}{m_1 T_1} = \frac{p_2 V}{m_2 T_2} \) → \( m_2 = m_1 \frac{p_2 T_1}{p_1 T_2} = 1,2 \times \frac{3 \times 300}{2 \times 360} = 1,5 \, \text{kg} \)
Massa tambahan = \( 1,5 - 1,2 = 0,3 \, \text{kg} \)
18 Ekspansi Isotermal Monoatomik
10 mol gas monoatomik memuai secara isotermal pada 127°C sehingga volumenya menjadi 4 kali volume mula-mula.
Tentukan usaha yang dilakukan gas! (R = 8,31 J/mol K, ln 4 = 1,386)
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = nRT \ln(V_2/V_1) = 10 \times 8,31 \times 400 \times 1,386 \approx 46000 \, \text{J} \)
\( W = nRT \ln(V_2/V_1) = 10 \times 8,31 \times 400 \times 1,386 \approx 46000 \, \text{J} \)
19 Usaha 2 Siklus
A(25 L, 300 kPa) → B(100 L, 300 kPa) → C(25 L, 100 kPa) → A
Tentukan usaha yang dibutuhkan untuk 2 kali siklus!
✅ Jawaban & Langkah:
Luas 1 siklus = \( (100-25) \times 10^{-3} \times (300-100) \times 10^3 = 75 \times 10^{-3} \times 200 \times 10^3 = 15000 \, \text{J} \)
2 siklus = \( 30000 \, \text{J} \)
Luas 1 siklus = \( (100-25) \times 10^{-3} \times (300-100) \times 10^3 = 75 \times 10^{-3} \times 200 \times 10^3 = 15000 \, \text{J} \)
2 siklus = \( 30000 \, \text{J} \)
20 Ekspansi Isotermal (4 atm → 2 atm)
10 mol gas ideal pada 27°C, tekanan 4 atm mengembang isotermal hingga tekanannya 2 atm.
Tentukan usaha yang dilakukan gas! (R = 8,31 J/mol K, ln 2 = 0,693)
✅ Jawaban & Langkah:
\( W = nRT \ln(V_2/V_1) = nRT \ln(p_1/p_2) = 10 \times 8,31 \times 300 \times 0,693 \approx 17280 \, \text{J} \)
\( W = nRT \ln(V_2/V_1) = nRT \ln(p_1/p_2) = 10 \times 8,31 \times 300 \times 0,693 \approx 17280 \, \text{J} \)
Komentar