Hukum 1 termodinamika – contoh soal UN1. Perbandingan usaha pada proses I dan II berdasarkan grafik di bawah adalah…A. 4 : 3B. 3 : 4C. 2 : 3D. 1 : 2E. 1 : 3Pembahasan :

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 :

Jawaban yang benar adalah B.2. Diagram P-V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar di bawah! Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC adalah…A. 400 kJB. 500 kJC. 600 kJD. 800 kJE. 1000 kJ

Pembahasan :Diketahui :P1 = 2 x 105 N/m2

P2 = 1 x 105 N/m2

V1 = 5 m3V2 = 15 m3Ditanya :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.

2. Sebuah mesin Carnot mempunyai reservoir suhu tinggi 300 oC dan reservoir suhu rendah 80 oC.

Efisiensi mesin itu adalah…

A. 38 %

B. 45 %

C. 50 %

D. 58 %

E. 67 %

Pembahasan :

Diketahui :

TL = 80oC = (80 + 273) K = 353 K

TH = 300oC = (300 + 273) K = 573 K

Jika suhu diketahui dalam satuan Celcius maka harus diubah ke satuan Kelvin (Kelvin adalah

satuan Sistem Internasional besaran suhu).

Ditanya :

Efisiensi (e) mesin Carnot ?

Jawab :

Jawaban yang benar adalah A.

3. Suhu tinggi reservoir mesin Carnot 600 K dan efisiensinya 60 %. Agar efisiensi mesin Carnot itu

menjadi 70 % maka suhu tinggi reservoir mesin Carnot itu menjadi…

A. 500 K

B. 800 K

C. 1000 K

D. 1200 K

E. 1500 K

Pembahasan :

Diketahui :

Data 1 : TH = 600 K, e = 60 %

Data 2 : TH = …. K ?, e = 70 %

Ditanya :

Suhu tinggi (TH)

Jawab :

Gunakan data 1 untuk menghitung suhu rendah (TL).

Gunakan TL dan data 2 untuk menghitung suhu tinggi (TH) :

Untuk mencapai efisiensi 70 % maka suhu tinggi = 800 Kelvin.

Perhatikan 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

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. 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. 1000

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

Soal No. 9Suatu 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) 

Read more: http://fisikastudycenter.com/fisika-xi-sma/33-termodinamika#ixzz2TYfZRVmt

Termodinamika

Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika kamu akan banyak

membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem,

sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan.

Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan)

terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan

dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume

awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan

perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis

sebagai

Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas

dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V.

hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas

bertambah besar (atau mengembang) dan V2 > V1. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha

dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V2 < V1 dan usaha gas bernilai negatif.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan

dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau

menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut

yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak.

Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini

berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik

dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala

mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas

akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan

sebagai

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas,R adalah konstanta umum gas (R =

8,31 J mol−1 K−1, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang

dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang

(sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah

satu bentuk dari hukum kekekalan energi.

Gambar

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu

akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem

melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi

dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika

dituliskan sebagai

Q = W + ∆U

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I

termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk)

akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan

bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi

dalam ∆U.

Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem

tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik.

Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan

hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor

dapat dinyatakan sebagai

Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.

Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses

isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor

yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada

volume konstan QV.

QV = ∆U

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan

proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini

dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada

proses isobarik berlaku

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap

gas pada volume konstan

QV =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Qp − QV

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada

tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0).

Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-

masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2,

usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas

pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan

grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam