MATERI THERMO DINAMIKA

Soal No. 1
Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!
(1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa)

Pembahasan
Data :
V₂ = 4,5 m³
V₁ = 2,0 m³
P = 2 atm = 2,02 x 10⁵ Pa
Isobaris → Tekanan Tetap

W = P (ΔV)
W = P(V₂ − V₁)
W = 2,02 x 10⁵ (4,5 − 2,0) = 5,05 x 10⁵ joule
(Sumber soal : UAN 1999)
Soal No. 2
1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27^oC dipanaskan secara isobarik sampai 87^oC. Jika tekanan gas helium 2 x 10⁵ N/m² , gas helium melakukan usaha luar sebesar....
A. 60 kJ
B. 120 kJ
C. 280 kJ
D. 480 kJ
E. 660 kJ
(Sumber Soal : UMPTN 1995)

Pembahasan
Data :
V₁ = 1,5 m³
T₁ = 27^oC = 300 K
T₂ = 87^oC = 360 K
P = 2 x 10⁵ N/m²

W = PΔV
Mencari V₂ :
^V₂/_T2 = ^V₁/_T1
V₂ = ( ^V₁/_T1 ) x T₂ = ( ^1,5/₃₀₀ ) x 360 = 1,8 m³
W = PΔV = 2 x 10⁵(1,8 − 1,5) = 0,6 x 10⁵ = 60 x 10³ = 60 kJ

Soal No. 3
²⁰⁰⁰/₆₉₃ mol gas helium pada suhu tetap 27^oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

Pembahasan
Data :
n = ²⁰⁰⁰/₆₉₃ mol
V₂ = 5 L
V₁ = 2,5 L
T = 27^oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas :
W = nRT ln (V₂ / V₁)
W = (²⁰⁰⁰/₆₉₃ mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( ^{5 L} / _{2,5 L} )
W = (²⁰⁰⁰/₆₉₃) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule
(Sumber soal UNAS 2001)
Soal No. 4
Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah....
A. 120 J
B. 124 J
C. 135 J
D. 148 J
E. 200 J
(Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Pembahasan
η = ( 1 − ^T_r / _Tt ) x 100 %
Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :
η = ( 1 − ⁴⁰⁰/₆₀₀) = ¹/₃
η = ( ^W / _Q1 )
¹/₃ = ^W/₆₀₀
W = 200 J

Soal No. 5
Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!



Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....
A. 660 kJ
B. 400 kJ
C. 280 kJ
D. 120 kJ
E. 60 kJ
(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)

Pembahasan
W_AC = W_AB + W_BC
W_AC = 0 + (2 x 10⁵)(3,5 − 1,5) = 4 x 10⁵ = 400 kJ

Soal No. 6
Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%
A. 50,0
B. 52,5
C. 57,0
D. 62,5
E. 64,0
(Sumber Soal : UNAS 2004)

Pembahasan
Data pertama:
η = 40% = ⁴ / ₁₀
T_t = 400 K
Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (T_r) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:
η = 1 − (^Tr/_Tt)
⁴ / ₁₀ = 1 − (^Tr/₄₀₀)
(^Tr/₄₀₀) = ⁶ / ₁₀
Tr = 240 K

Data kedua :
Tt = 640 K
Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)
η = ( 1 − ^Tr/_Tt) x 100%
η = ( 1 − ²⁴⁰/₆₄₀) x 100%
η = ( ⁵ / ₈ ) x 100% = 62,5%

Soal No. 7
Perhatikan gambar berikut ini!



Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :
a) Efisiensi mesin Carnot
b) Usaha mesin Carnot
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
d) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasan
a) Efisiensi mesin Carnot
Data :
Tt = 227^oC = 500 K
Tr = 27^oC = 300 K
η = ( 1 − ^Tr/_Tt) x 100%
η = ( 1 − ³⁰⁰/₅₀₀) x 100% = 40%
b) Usaha mesin Carnot
η = ^W/_Q1
⁴/₁₀ = ^W/₁₂₀₀
W = 480 joule
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
Q₂ = Q₁ − W = 1200 − 480 = 720 joule
Q₂ : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da
ab → 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)
(Sumber soal UNAS 2000)
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. 200
B. 400
C. 600
D. 800
E. 1000

Pembahasan
W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda
W = ab x bc
W = 2 x (2 x 10⁵) = 400 kilojoule
(Sumber soal UAN 2002)
 

9.Sebanyak 2 x 10^-3 mol gas memuai secara isotermal dari v₁=20 cm²  ke v₂=50cm² pada suhu 300 k.Jika tetapan gas umum 8,3 J/mol.k,besar usaha pada sistem adalah………..

W        =nRT(V₂/V₁)

            =2 x 10^-3 . 8,3 . 300 . ln(50/20)

            = 2 x 10^-3 83 . 30 . ln 2,5

            =4,56 x 10² J

(Sumber Soal UAN 1994)

10.  Suatu gas mengalami ekspansi pada tekanan konstan 5 atm (1 atm = 10⁵ N/m²).Volume awal gas adalah 300 liter dan setelah mengalami ekspansi,volumenya menjadi dua kalinya.Tentukan usaha yang dilakukan oleh gas!

W        = P∆V

            =P(V₂-V₁)=(5 x 10⁵ N/m²) (0,6 m³ – 0,3 m³) = 1,5 x 10⁵ J

(Sumber soal UAN 1992)

Tugas berkala Dicky Fernanda Adrian (08) XI-IPA 2 

MATERI HIDRODINAMIK


1. Selama proses isokhorik (v = 1 m³), gas menerima kalor 1000 kalori sehingga tekanan berubah sebesar 814 N/m². Hitunglah perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?

Jawab:

Proses isokhorik: DV = 0 sehingga DW = P . DV = 0
DQ = DU + DW ® 1000 = DU + 0
Jadi perubahan energi dalam gas = 1000 kalori =1000 x 4.186 J = 4186J (SOAL UAN TAHUN 2001)

2. Gas diatomik pada suhu sedang 200ºC dan tekanan 105 N/m² bervolume 4 lt. Gas mengalami proses isobarik sehingga volumenya 6 liter kemudian proses isokhorik sehingga tekanannya 1.2 x 10⁵ N/m². Berapakah besar perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?

Jawab:

PV = n R T ® P DV + V DP = n R DT

Proses A - B (DP = 0):
P DV = n R DT = 10⁵ . 2.10^-3 = 200 J
DUBC = 5/2 n R DT = 500 J (diatomik 200ºC)

Proses :B - C (DV = 0): 
V DP = n R DT = 6.10^-3.0,2. 10⁵ = 1120 J
DUBC = 5/2 n R DT = 300 J (diatomik 200ºC)

Jadi DU total = DUAB + DUBC = 800 J (Soal UAN TAHUN 2001)

3. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi sebesar 1000ºK mempunyai efisiensi sebesar 50%. Agar efesiensinya naik menjadi 60%, berapakah reservoir suhu tinggi harus dinaikkan ?

Jawab:

h = 1-T₂/T₁ ® 0,5 = 1 T₂/1000 ® T₂ = 500ºK

Apabila efesiensinya dijadikan 60% (dengan T₂ tetap), maka

h = 1 - T₂/T₁ ® 0,6 =1 - 500/T₂ ® T₁= 12.50 ºK (SOAL UAN TAHUN 2003)

4. Bila suatu gas dimampatkan secara isotermik maka tentukanlah tekanan, energi dalam danusaha yang dilakukan oleh gas!

Jawab:

Gas dimampatkan berarti volume gas bertambah kecil (AV < 0)
Proses gas secara isotermik berarti DT = 0

Jadi: PV = C ® P = C/V

Karena volume gas bertambah kecil maka tekanan gas akan bertambah besar. Kenaikan tekanan gas ini disebabkan oleh makin seringnya molekul-molekul gas menumbuk dinding tempatnya (jarak tempuh molekul gas makin pendek) bukan karena kecepatannya yang bertambah.

DU=3/2 n R DT

Karena proses isotermik (DT= 0), maka perubahan energi dalam sama dengan nol (DU - 0). Berarti energi dalam gas tidak berubah.

DQ = DU + DW ® DW = P DV

Karena DU = 0 maka DQ = DW, berarti kalor yang diserap gas seluruhnya diubah menjadi usaha gas.

Karena volume gas bertambah kecil (DV < 0) maka usaha yang dilakukan gas negatif( DW < O), berarti gas menerima kerja dari luar. 

5.Air mengalir dalam pipa dari penampang besar menuju kepenampang kecil dengan kecepatan aliran 10 cm/s.Jika luas penampang besar 200 cm² dan luas penampang kecil 25 cm²,maka air keluar dari penampang kecil dengan kecepatan…………

A₁v₁=A₂v₂

200.10=25.v₂

2000/25=v₂

80 cm s^-1=v₂

6.Sebuah bejana besar yang diletakkan di atas tanah berisi air setinggi 6 meter. 

Satu meter di atas dasar bejana terdapat kran berdiameter 2 cm. Percepatan 

gravitasi g = 10 m/s²

Volume air persatuan waktu yang keluar dari kran adalah .... 

  Pembahasan: v1 ≈ 0 ; h1 = (6 – 1) meter ; h1 = 0. 

Persamaan Bernoulli: 

½ pv₁²+h₁pg=1/2 pv₂²+h₂pg

½ v₁²+(6-1)(10)=1/2 v₂²+0

0+50=1/2 V₂²

V₂²=100

V₂=10 m/s

Debit(Q)=V/t=Av

Q=(V₂) (π.D²/4)=(10)(π)(2.10^-2/4)²

Q=10(π)(4.10^-4/4)

Q=10^-3 π m³/s

7.Pompa hidrolik memiliki dua penampang yang berbeda. Jari-jari penampang yangkecil adalah 5 cm dan yang besar 10 cm. jika pada pengisap yang kecil diberikangaya luar sebesar 100 N. Berapakah besar gaya yang dihasilkan pada penampangyang besar?

Jawab :

P₁=P₂

F₁/A₁=F₂ /A₂

A adalah luas penampang silinder.A=πr²,jadi.........

100/π(0,05)²=F₂/π(0,1)²

F₂=(0,1)²/(0,05)² X 100

F₂=400 N

8.Dalam suatu percobaan, sebuah batu dimasukkan ke dalam gelas yang penuh air,setelah batu tercelup seluruhnya ternyata air yang tumpah 15 cm²

. jika g = 9,8m/s²

, tentukanlah:

(a)volume batu!

jawab:

(a)Pada saat batu dimasukkan ke dalam gelas, batu akan tenggelam sehinggavolume air yang tumpah akan sama dengan volume batu, yakni Va= Vb= 15cm²

9.Cara kerja gaya hidrolik pada dongkrak di dasari hukum..........

jawab:

hukum bernoulli

10.Volumenya tidak berubah saat di tekan adalah sifat dari...........

jawab:

fluida ideal

Tugas berkalaFisika Dicky Fernanda(08) XI-IPA 2