Soal Dan Penyelesaian Hukum Termodinamika Buku Kelas 11 SMA

Hukum I Termodinamika

Jumlah kalor pada suatu sistem ialah sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem tersebut.

Rumus Hukum I Termodinamika

Dari bunyi hukum I Termodinamika, maka rumus hukum I Termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut ini :

$$Q=\Delta U+W$$ Di mana : ∆U = Perubahan energi dalam sistem (J)
Q = Kalor (J)
W = Usaha (J)
Perjanjian pada hukum I Termodinamika
Rumus hukum I Termodinamika dipakai dengan perjanjian sebagai berikut ini :

sistem melakukan suatu usaha, Usaha (W) bernilai positif (+)

sistem menerima suatu usaha, Usaha (W) bernilai negatif (-)

sistem melepaskan kalor, Q bernilai negatif

sistem menerima suatu kalor, Q bernilai positif

Hukum II Termodinamika, silahkan ke link ini

SOAL DAN PENYELESAIAN HUKUM TERMODINAMIKA

---

1. Pada percobaan Joule, beban bermassa 5 kg mengalami perpindahan kedudukan sebesar 2 m. Apabila massa air sebesar 0,2 kg, perubahan suhu air akibat gesekan sudu-sudu dan air adalah...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
Energi potensial air berubah menjadi energi kalor pada air.
$$\\Ep=Q\\Mgh=mc\Delta t\\\Delta t=\frac{Mgh}{mc} \\\Delta t=\frac{5(10)(2)}{0,2(4200)} \\\Delta t=0,12^{o}C$$

---

2. Suatu gas dimampatkan secara isobarik dalam tekanan 2 MPa berdasarkan 0,5 m³ menjadi 0,4 m³. Usaha yang dilakukan pada gas ...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
Jika gas dimampatkan secara isobarik, maka:
$$\\W = P . \Delta V \\W = 2\times 10^6. (0,4-0,5) \\W = -2\times 10^5 J \\W = -200\: kJ$$

---

3. Suatu gas dalam tabung mengalami pemampatan secara adiabatik maka pada proses ini akan terjadi...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
Pada proses adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem Q=0;
Pemampatan secara adiabatik, berarti menaikkan tekanan pada gas.
$$\\P_1V_1^\gamma = P_2V_2^\gamma \Rightarrow P_1<P_2\\\textrm{maka}\\V_1>V_2\: \textrm{sehingga:}\\W<0$$ $$\\T_1V_1^{(\gamma -1)} =T_2V_2^{(\gamma -1)}\\V_1 >V_2\\\textrm{maka:}\\T_1 <T_2\\\Delta T>0$$

---

4. Sejumlah gas mengalami ekspansi secara adiabatik volumenya menjadi 0,1 m³. Apabila suhu akhir gas 1/2 suhu awalnya dan tekanan awal gas 2 x 10⁵ Pa, tekanan gas menjadi... (γ = 1,4)
Jawaban Fisika Pak Dimpun
Volume Awal:
$$\\T_1. V_1^{(\gamma -1)} = T_2. V_2^{(\gamma -1)} \\T_1 . V_1^{(1,4-1)} = \frac{1}{2}T_1 . (0,1)^{(1,4-1)} \\2. V_1^{(0,4)} = (0,1)^{(0,4)} \\\textrm{dipangkatkan dengan:}\frac{10}{4} \\2^{(10/4)}. V_1 = 0,1 \\5,65 .V_1 = 0,1 \\V_1 = \frac{0,1 }{5,65} \\V_1 = 0,017\, m^3$$ Tekanan Akhir:
$$\\P_1.V_1^ \gamma = P_2.V_2^ \gamma \\2 x 10^5 . (0,017)^{(1,4 )}= P_2 . (0,1)^{(1,4 )} \\2 x 10^5 . 0,0035 = P_2 . 0,04 \\P_2 = \frac{700}{0,04} \\P_2 = 17.500 Pa\\P_2 = 17,5kPa$$

---

5. Gas mengalami ekspansi secara isotermal menurut volume awal 3 liter pada tekanan 20 atm (1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa) menjadi volume akhir 24 liter. Usaha yang dilakukan sang gas tadi merupakan... (Diketahui: nRT1 = P1V1 serta ln 2 = 0,693)
Jawaban Fisika Pak Dimpun
$$\\W = n.R.T_1. ln \left (\frac{V_2}{V_1} \right )\\W = P_1.V_1. ln \left (\frac{V_2}{V_1} \right ) \\W = 20x2 x 10^5 . 0,003 . ln \left (\frac{0,024}{0,003} \right ) \\W = 6060 . ln 8\\W = 6060 . ln 2^3\\W = 6060. 3 ln 2\\W = 6060 . 3(0,693) \\W = 12.598,74 J \\W = 12,5 x 10^3 J$$

---

6. Pada tekanan kontinu 10⁶ Pa, suhu 10 mol gas helium naik dari -20°C menjadi 0°C. Perubahan energi dalam dan besar usaha yang dilakukan gas helium apabila gas tadi menyerap kalor sebanyak 4 kJ adalah... (R = 8,31 J/K mol)
Jawaban Fisika Pak Dimpun
Perubahan energi dalam:
$$\\\Delta U = \frac{3}{2} n.R.\Delta T \\\Delta U = \frac{3}{2} . 10. 8,31. 20 \\\Delta U = 2493 J \\\Delta U = 2,49 kJ$$ Usaha:
$$\\\\Q = \Delta U + W \\W = Q - \Delta U \\W = 4000 - 2493 \\W = 1507 J \\W = 1,51 kJ$$

---

7. Besarnya energi dalam menurut suatu gas monoatomik yang terdiri atas 10²⁴ molekul serta bersuhu 400 K adalah... (k = 1,38 x 10^-23 J/K)
Jawaban Fisika Pak Dimpun
$$\\U =\frac{3}{2} N.k.T \\U = (\frac{3}{2}). (10^{24}). (1,38 x 10^{-23} ). 400 \\U = 8280 J \\U = 8,28 kJ$$

---

8. Sejumlah gas ideal mengalami ekspansi sehingga volumenya menjadi 2 kali semula, ternyata energi dalam gas empat kali semula. Tekanan gas tadi akan menjadi...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
Temperatur:
$$\\\frac{U_1}{U_2}=\frac{T_1}{T_2}\\\frac{U_1}{4U_1}=\frac{T_1}{T_2}\\\frac{T_1}{T_2}=\frac{1}{4}\\T_2=4T_1$$ Tekanan:
$$\\\frac{P_1.V_1}{T_1}=\frac{P_2.V_2}{T_2}\\\frac{P_1.V_1}{T_1}=\frac{P_2.2V_1}{4T_1}\\P_2=2P_1$$

---

9. Dua mol gas monoatomik mendapatkan kalor sebanyak 1297,14 Joule secara isokhorik. Jika R = 8,13 J/mol K, tentukan perubahan suhu gas tadi...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
$$\\Q =\frac{3}{2} n.R.\Delta T \\1297,14 = \frac{3}{2}. 2 . 8,13 . \Delta T \\1297,14 = 24,39 . \Delta T \\\Delta T = 1297,14 / 24,39 \\\Delta T = 53,1 K$$

---

10. Mesin Carnot menerima 1.000 kkal berdasarkan reservoir 627°C serta mengeluarkannya pada reservoir 27°C. Banyaknya kalor yang dikeluarkan reservoir suhu rendah adalah...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
$$\\\frac{T_{2}}{T_1}=\frac{Q_2}{Q_1}\\\frac{27 + 273}{627 + 273}=\frac{Q_2}{1000}\\\frac{300}{900}=\frac{Q_2}{1000}\\Q_2=\frac{1000}{3}=333,3\: kkal$$

---

11. Mesin Carnot menerima kalor menurut reservoir bersuhu tinggi 900 K dan melepaskannya pada reservoir bersuhu rendah 450 K. Efisiensi mesin Carnot tersebut adalah...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
$$\\\eta =1-\frac{T_2}{T_1}\\\eta =1-\frac{450}{900}\\\eta =0,5=50\%$$

---

12. Sebuah mesin Carnot yang memakai reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi...
Jawaban Fisika Pak Dimpun
$$\\\frac{T_{1}^{'}}{T_1}=\frac{1-\eta _1}{1-\eta _2}\\\frac{T_{1}^{'}}{800}=\frac{1-0,4}{1-0,5}=\frac{6}{5}\\T_{1}=\frac{4800}{5}=960K$$ Barangkali yang anda cari ada di sini:
CONTOH SOAL DAN PENYELESAIAN TERMODINAMIKA