Rangkuman Materi Termodinamika Kelas 11

Termodinamika

Merupakan cabang ilmu fisika yang membahas hubungan panas/kalor dan usaha yang dilakukan oleh panas/kalor tersebut

Usaha sistem terhadap lingkungan

Persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis sebagai berikut:

W = p ∆V = p (V₂ – V₁)

Keterangan :

p = tekanan gas (N/m²)

∆V = perubahan volume (m³)

W = usaha yang dilakukan gas (joule)

Perubahan energi dalam

Perubahan energi dalam ∆U tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Hukum termodinamika

Hukum I Termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem

Q = ∆U + W

Perjanjian tanda untuk Q dan W sebagai berikut :

1. Jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan maka W bertanda positif.
2. Jika sistem menerima usaha dari lingkungan maka W bertanda negatif.
3. Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan
4. Q bertanda negatif jika sistem memberikan kalor kepada lingkungan

Proses Termodinamika

Proses Isokhorik

yaitu proses termodinamika yang terjadi pada gas dalam keadaan volum tetap.

Berlaku:

Usaha W= 0 maka Q = ΔU sehingga Q = 3/2 nRT (T₂-T₁)

Proses Isobarik

yaitu proses termodinamika yang terjadi pada gas keadaan tekanan tetap.

berlaku persamaan.

Usaha W

W=P(V₂ – V₁)

Perubahan energi dalam ΔU

ΔU= 3/2 P(V₂ -V₁)

Sehingga

Q= 5/2 P(V₂-V₁)

Proses Isotermik

merupakan proses termodinamika yang terjadi pada gas keadaan suhu tetap.

berlaku persamaan.

Usaha W

Perubahan energi dalam ΔU = 0 maka kalor Q = W

Proses Adiabatik

merupakan proses termodinamika yang berlangsung tanpa adanya pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan.

berlaku persamaan.

Usaha W

Karena Q = 0 sehingga

ΔU = -W

y = konstanta Laplace

Kapasitas Kalor

Merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu gas sebesar 1^oC, dinyatakan dengan persamaan:

Kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua yaitu kapasitas kalor pada tekanan tetap (C_p) dan pada volume tetap (C_v)

Pada proses isokhorik

Q_v = ∆U

Pada proses isobarik

Q_p = ∆U + p∆V

Diperoleh:

Mesin Carnot dan Mesin Pendingin

Mesin Carnot

Sebuah mesin Carnot memiliki empat langkah dalam pengoprasiannya. Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot.

1. Pada langkah pertama, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2, sejumlah kalor (Q1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.
2. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.
3. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 melalui proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200 K) menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.
4. Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan keadaannya berubah dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang.

Mesin Carnot adalah mesin efisien yang bekerja dalam suhu reservoir tinggi dan suhu reservoir rendah. Oleh karena itu, suatu mesin Carnot memiliki efisiensi. Rumus efisiensi mesin Carnot sebagai berikut.

keterangan:

ŋ = efisiensi mesin kalor

T₂ = suhu pada reservoir rendah (K)

T₁ = suhu pada reservior tinggi (K)

W = usaha (Joule)

Q₁= kalor yang diserap (Joule)

Q₂ = kalor yang dilepas (Joule)

Mesin Pendingin

Prinsip kerja mesin pendingin contohnya lemari es dan penyejuk ruangan yaitu mengalirkan kalor keluar dari lingkungan sejuk ke lingkungan hangat. Sistem menerima kerja sebesar W dan menyerap kalor dengan suhu reservoir rendah T₂ sebesar Q₂ serta membuang sejumlah kalor yang lebih besar ke reservoir suhu tinggi T₁ sebesar Q_1. Untuk kerja dari mesin pendingin dapat ditentukan melalui koefisiensi performansi K_p.

Keterangan :

Kp = koefisiensi performansi

T₂ = suhu pada reservoir rendah (K)

T₁ = suhu pada reservior tinggi (K)

W = usaha (Joule)

Q₁= kalor yang diserap (Joule)

Q₂ = kalor yang dilepas (Joule)

Contoh Soal Termodinamika Pembahasan & Jawaban Kelas 11

1. 300 K
2. 450 K
3. 480 K
4. 1.200 K
5. 1.800 K

PEMBAHASAN :

Jawaban : D

1. 1.200 Joule
2. 1.300 Joule
3. 1.400 Joule
4. 1.500 Joule
5. 1.600 Joule

PEMBAHASAN :

Jawaban : E

1. 2550 J
2. 3760 J
3. 4750 J
4. 5730 J
5. 6250 J

PEMBAHASAN :

Jawaban : E

1. 3.000 J
2. 4.000 J
3. 4.800 J
4. 6.000 J
5. 8.000 J

PEMBAHASAN :

Jawaban : C

1. RTV
2. RT lnV
3. 2RT
4. RT ln 2
5. RT ln (2V)

PEMBAHASAN :

Jawaban : D

1. 20,5 %
2. 25 %
3. 70,25 %
4. 90,7 %
5. 100 %

PEMBAHASAN :

Jawaban : B

1. 76 ⁰C
2. 91 ⁰C
3. 170 ⁰C
4. 100 ⁰C
5. 364 ⁰C

PEMBAHASAN :

Jawaban : B

1. 40%
2. 50%
3. 60%
4. 67%
5. 75%

PEMBAHASAN :

Jawaban : C

1. 100 kJ
2. 140 kJ
3. 200 kJ
4. 260 kJ
5. 320 kJ

PEMBAHASAN :

Jawaban : A

1. W
2. 2W
3. 3W
4. 4W
5. 6W

PEMBAHASAN :

Jawaban : B

PEMBAHASAN :
Pernyataan I : Gas idel yang volumenya mengembang akan melakukan usaha dengan persamaan W = P∆V
Pernyataan II : Usaha yang di lakukan gas tidak sebanding dengan perubahan tekanan tetapi hanya sebanding dengan tekanan.
Jawaban : E

1. 20 Joule
2. 15 Joule
3. 10 Joule
4. 5 Joule
5. 4 Joule

PEMBAHASAN :

Jawaban : C

1. 250 K
2. 300 K
3. 350 K
4. 400 K
5. 500 K

PEMBAHASAN :

Jawaban : E

1. 30% dan 20%
2. 40% dan 20%
3. 50% dan 20%
4. 50% dan 30%
5. 60% dan 40%

PEMBAHASAN :

Jawaban : C

1. 3 x 10⁵ N/m²
2. 4 x 10⁵ N/m²
3. 5 x 10⁵ N/m²
4. 6 x 10⁵ N/m²
5. 7 x 10⁵ N/m²

PEMBAHASAN :
Diketahui:
V₁ = 2 m³
V₂ = 4 m³
W = 6 x 10⁵ J

Maka untuk menghitung besar tekanan pada keadaan isobaric sebagai berikut:

Jawaban : A

1. 4 : 3
2. 5 : 6
3. 2 : 3
4. 2 : 1
5. 1 : 1

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Keadaan I:
P₁ = 25 N/m²
V₁₁ = 10 m³
V₁₂ = 30 m³

Keadaan II:
P₂ = 25 N/m²
V₂₁ = 20 m³
V₂₂ = 50 m³

Maka, menghitung besar perbandingan usaha luar gas keadaan I dan II sebagai berikut:

Jawaban : B

1. 11.215 J
2. 12.444 J
3. 25.669 J
4. 18.349 J
5. 15.331 J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Massa Nitrogen = 280 gr
T tetap = 47⁰ C = (47 + 273) K = 320 K
V₂ = 0,5 V₁
BM nitrogen = 28
ln 0,5 = – 0,69
R = 8,31 J/mol K

Maka besar kerja luar gas dapat dihitung sebagai berikut:

Besar kerja luar gas bernilai negatif berarti sistem menerima kerja luar.
Jawaban : D

1. 17,21 x 10⁵ N/m²
2. 18,11 x 10⁵ N/m²
3. 12,63 x 10⁵ N/m²
4. 16,67 x 10⁵ N/m²
5. 17,17 x 10⁵ N/m²

PEMBAHASAN :
Diketahui:
V₁ = 6 x 10^-2 m³
V₂ = 5 x V₁ = 5 x (6 x 10^-2 m³ ) = 30 x 10^-2 m³
W = 4 x 10⁵ J

Maka, besar tekanan gas adalah:

Jawaban : D

1. 1 x 10² J
2. 12 x 10² J
3. 0  J
4. 2 x 10² J
5. 3 x 10² J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
T₁ = 25⁰C
T₂ = 40⁰C
P = 15 Pa

Maka besar usaha luar gas dapat dihitung sebagai berikut:
W = pΔV
Sistem dalam keadaan isokhorik (volume tetap) ΔV = 0 maka:
W = p. 0 = 0
Jawaban : C

1. 650 K
2. 609 K
3. 500 K
4. 550 K
5. 450 K

PEMBAHASAN :
Diketahui:
V₁ = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³
T₁ = 47⁰ C = (47 + 273)K = 320 K
P₁ = 1 Atm = 1 x 10⁵ N/m²
V₂ = 20 cm³ = 20 x 10^-6 m³
γ = 1,4

Maka, untuk menghitung suhu akhir udara adalah

Jawaban : B

1. Q = 0
2. ΔU = – 15 J
3. ΔU + Q = – 150 J
4. ΔU = 150 J
5. ΔU = -10 J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
W = – 150 J
Q = 0 (proses dalam sistem secara adiabatik)

Maka, berdasarkan hukum I Termodinamika adalah:
ΔU + W = Q
ΔU = – W
ΔU = – (- 150 J)
ΔU = 150 J
Jawaban : D

1. 7.553,79 J
2. 8.766,98 J
3. 9.876,99 J
4. 9.998,89 J
5. 10.234,66 J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Mol gas monoatomik (n) = 4 mol
T _awal  (T₁) = 30^oC  = (30 + 273) K = 303 K
Tekanan Awal (P₁) = 4 x10⁵ Pa
Tekanan akhir (P₂) = 6 x 10⁵ Pa
R = 8,31 J/mol K

Menentukan suhu akhir setelah proses isokhorik berlangsung

Menentukan energi dalam berdasarkan hukum I Termodinamika
ΔU = Q_V = C_V DT = 3/2 nRDT = 3/2 nr(T₂ – T₁)
ΔU = 3/2 (4 mol)(8,31 J/mol K) (454,5 – 303)K = 7.553,79 J
Jawaban : A

1. 45 m³
2. 54 m³
3. 63 m³
4. 72 m³
5. 85 m³

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Volume awal (V₁) = 10 m³
Suhu awal (T₁) = 27^oC = (27 + 273) K = 300 K
Tekanan awal (P₁) =  8 x 10⁵Pa
Suhu akhir (T₂) = 0^oC (STP) = (0 + 273)K = 273 K
Tekanan akhir (P₂) = 1 atm (STP) = 1,01 x 10⁵ Pa

Maka volume gas pada keadaan standar (STP) adalah

Jawaban : A

1. 55⁰ C
2. 77⁰ C
3. 66⁰ C
4. 44⁰ C
5. 33⁰ C

PEMBAHASAN :
Diketahui:
T₁ = 227⁰ C = (227 + 273)K = 500 K
η = 30%

Maka untuk menghitung suhu pada reservoir rendah sebagai berikut:
T₂ = (1 – h) x T₁= (1 – 0,3) x 500 K
T₂ = 0,7 x 500 K = 350 K

Satuan kelvin kita ubah menjadi celcius, sebagai berikut:
T = (350 – 273)⁰ C = 77⁰ C
Jawaban : B

1. 34 %
2. 23 %
3. 13,5 %
4. 11,2%
5. 28,57%

PEMBAHASAN :
Diketahui:
Kalor pada reservoir panas, Q₁ = 3.500 J
Kalor pada reservoir dingin, Q₂ = 2.500 J
Maka, besar efisiensi mesin carnot dapat dihitung sebagai berikut:

Jawaban : E

1. 5
2. 6
3. 7
4. 8
5. 9

PEMBAHASAN :
Diketahui:
suhu di luar, T₁ = 27⁰ C = (27 + 273) K = 300 K
suhu di dalam T₂ = -12⁰ C = (-12 + 273) K = 261 K

maka, besar koefisien performansi kulkas dapat dihitung sebagai berikut:

Jawaban : C

1. 756.009 J
2. 778.996 J
3. 961.595 J
4. 911.008 J
5. 877.221 J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
T₂ = – 5⁰ C = (- 5 + 273) K = 268 K
T₁ = 28⁰ C = (28 + 273) K = 301 K
P = 300 watt
Rentang waktu refrigerator menggunakan listrik (t) = 1 jam = 3.600 sekon

Menentukan kalor penggunaan listrik refrigerator selama 1 jam
Q₁ = P . t
.    = 300 watt . 3.600 sekon
.    = 1.080.000 J

Menentukan besar kalor yang dikeluarkan dari refrigerator selama 1 jam

Jawaban : C

1. – 30⁰ C
2. – 20⁰ C
3. – 29⁰ C
4. – 15⁰ C
5. – 24⁰ C

PEMBAHASAN :
Diketahui:
T₁ = 26⁰ C → (26 + 273)K = 299 K
K_p = 5

Maka untuk menghitung T₂  sebagai berikut:

Merubah satuan derajat kelvin ke derajat Celsius:
(249 – 273) ⁰ C = – 24⁰ C
Jawaban : E

1. 100 J
2. 92 J
3. 89 J
4. 84 J
5. 96 J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
V₁ = 1,5 x 10^-5 m³
V₂ = 4,5 x 10^–5 m³
P = 20⁵ N/m²

Maka usaha yang dilakukan gas dapat dihitung sebagai berikut:
W = P(V₂ – V₁)
= 20⁵ (4,5 x 10^-5 – 1,5 x 10^-5)
= 20⁵ (3 x 10^-5)
= (32 x 10⁵) x (3 x 10^-5)
= 96 J
Jawaban : E

1. 8 x 10⁵ J
2. 2 x 10⁵ J
3. 5 x 10⁵ J
4. 9 x 10⁵ J
5. 4 x 10⁵ J

PEMBAHASAN :
Diketahui:
W = P(V₂ – V₁)

Perhatikan grafik berikut ini!

W_AB = P_AB (V_B – V_A)
= 2 x 10⁵ (3 – 3)
= 2 x 10⁵ J

W_BC = P_BC (V_C – V_B)
= 4 x 10⁵ (4,5 – 3)
= 4 x 10⁵ (1,5)
= 6 x 10⁵ J

Maka usaha total dapat dihitung sebagai berikut:
W_Total = W_AB + W_BC
= (2 x 10⁵) + (6 x 10⁵)
= 8 x 10⁵ J
Jawaban : A

1. Isokhoris
2. Isobaris
3. Isotermis
4. Adiabatis
5. Siklus tertutup

PEMBAHASAN :
Grafik di atas menunjukan proses isobaris, yaitu proses perubahan keadaan sistem pada tekanan konstan. Berlaku rumus W = P(V₂ – V₁).
Jawaban : B

1. Terjadi pemampatan gas
2. Sistem menerima usaha
3. Usaha bersifat netral
4. Sistem tidak melakukan usaha
5. Dalam sistem gas mengembang

PEMBAHASAN :
Usaha bernilai positif atau negatif bergantung pada, sebagai berikut:

1. Jika sistem melakukan usaha, maka DV bernilai positif. Usaha pada sistem menjadi positif. Dalam hal ini gas mengembang.
2. Jika sistem menerima usaha, maka DV bernilai negatif. Usaha pada sistem menjadi negatif. Dalam hal ini gas dimampatkan.

Jawaban : E

1. Berlaku rumus ΔU = Q – W
2. Perubahan energi dalam dipengaruhi oleh kalor dan usaha
3. W positif jika sistem melakukan usaha
4. ΔU negatif jika energi dalam naik
5. Q negatif jika sistem melepas panas

PEMBAHASAN :
Hukum 1 Termodinamika dapat ditulis secara matematis sebagai berikut:
ΔU = Q – W atau Q = ΔU + W

Keterangan:
ΔU = perubahan energi dalam
+ energi dalam naik
(-) energi dalam turun

Q = jumlah kalor
+ sistem menerima panas
(-) sistem melepas panas

W = usaha sistem
+ sistem melakukan usaha
(-) sistem menerima usaha
Jawaban : D

1. 966 J/K
2. 060 J/K
3. 542 J/K
4. 120 J/K
5. 897 J/K

PEMBAHASAN :
Diketahui:
M = 30 gr/mol
C_V = 636 J/K
R = 8,314 J/mol.K

Maka kapasitas kalor gas nitrogen pada tekanan tetap dapat dihitung sebagai berikut:

Jawaban : B

1. 33,3 %
2. 28 %
3. 35 %
4. 42,1 %
5. 50 %

PEMBAHASAN :
T₁ = 327 + 273 = 600 K
T₂ = 127 + 273 = 400 K

Maka efisiensi mesin kalor dapat dihitung sebagai berikut:

Jawaban : A

1. 800 K
2. 650 K
3. 900 K
4. 580 K
5. 750 K

PEMBAHASAN :
η₁ = 50% = 0,5
η₂ = 60% = 0,6
T₁ = 600 K

Jawaban : E