Contoh Soal

Termodinamika – Fisika SMA

Sampel materi untuk guru yang ingin cari soal latihan. Temukan bank soal lengkap dan update dengan cara mendaftar gratis. Kirim soal-soal ini ke murid di kelas Bapak/Ibu Guru lewat Google Classroom, dalam bentuk kuis online, tautan kuis, file kuis, atau cetak langsung!

    1.

    Dari aliran energi pada sistem berikut yang merupakan proses adiabatik adalah ....

    A

    B

    C

    D

    E

    Pembahasan:

    Proses adiabatik merupakan suatu proses di mana tidak ada aliran kalor yang masuk maupun keluar dari suatu sistem. Sehingga transfer energi antara sistem dan lingkungan yang terjadi hanya berupa usaha.

    Ulas satu per satu gambar.

    → Terjadi aliran kalor dan usaha pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

    → Hanya terjadi usaha pada proses ini. Merupakan proses adiabatik.

    → Hanya terjadi aliran kalor pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

    → Terjadi aliran kalor dan usaha pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

    → Hanya terjadi aliran kalor pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

    Jadi, jawaban yang tepat adalah gambar berikut.

    2.

    Perhatikan beberapa proses termodinamika berikut!

    1. Adiabatik
    2. Isokhorik
    3. Isotermal
    4. Isobarik

    Proses yang terjadi pada siklus carnot adalah ...

    A

    (1), (2), dan (3)

    B

    (1) dan (3)

    C

    (2) dan (4)

    D

    (4) saja

    E

    semua benar

    Pembahasan:

    Siklus carnot merupakan siklus teoritis yang mengasumsikan mesin ideal. Siklus ini memberikan nilai efisiensi terbesar yang mungkin didapatkan apabila mesin bekerja pada dua reservoir panas yang berbeda. Proses yang terjadi pada siklus carnot terdiri atas 2 proses isotermal dan 2 proses adiabatik. Kurva siklus carnot adalah sebagai berikut:

    Jadi, proses yang terjadi pada siklus carnot adalah (1) dan (3).

    Ingin coba latihan soal dengan kuis online?

    Kejar Kuis
    3.

    Menurut hukum termodinamika 2, tingkat entropi pada suatu sistem akan bertambah seiring waktu. Hal ini menyebabkan secara alami panas hanya mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah. Namun, pada mesin pendingin seperti Air conditioner (AC), panas dikeluarkan dari tempat dingin ke tempat bersuhu lebih panas. Hal ini bisa terjadi karena ....

    A

    mekanisme kerja AC menyalahi kaidah hukum termodinamika 2

    B

    AC menggunakan usaha untuk mengeluarkan kalor dari tempat dingin ke tempat yang lebih panas

    C

    hukum termodinamika tidak relevan untuk menjelaskan cara kerja AC

    D

    udara dingin di AC bukan dihasilkan melalui proses perpindahan kalor

    E

    udara dingin yang dibawa oleh AC merupakan udara panas yang diberi zat pendingin

    Pembahasan:

    Hukum termodinamika 2 menyatakan kalor tidak mungkin bisa mengalir secara spontan dari entropi rendah (suhu tinggi) ke entropi tinggi (suhu rendah). Namun, hal ini mungkin dilakukan secara paksa menggunakan energi eksternal, dalam hal ini adalah usaha (WW). Air conditioner merupakan salah satu jenis mesin pendingin atau disebut juga sebagai pompa kalor (heat pump). Mesin ini memanfaatkan usaha (WW) untuk memindahkan kalor melawan gradien suhu, yaitu dari reservoir dingin (TCT_{\text{C}}) menuju reservoir panas (THT_{\text{H}}).

    Jadi, hal ini bisa terjadi karena AC menggunakan usaha untuk mengeluarkan kalor dari tempat dingin ke tempat yang lebih panas.

    4.

    Perhatikan besaran-besaran berikut!

    1. Suhu
    2. Tekanan
    3. Volume
    4. Aliran kalor

    Besaran yang tidak berubah pada proses adiabatik adalah ....

    A

    (1), (2), dan (3)

    B

    (1) dan (3)

    C

    (2) dan (4)

    D

    (4) saja

    E

    semua benar

    Pembahasan:

    Proses adiabatik merupakan suatu proses dimana tidak ada aliran kalor yang masuk maupun keluar dari suatu sistem. Sehingga transfer energi antara sistem dan lingkungan yang terjadi hanya berupa usaha. Pada proses ini volume, suhu, maupun tekanan bisa berubah.

    Jadi, besaran yang tidak berubah pada proses adiabatik adalah (4) saja.

    Ingin cari soal-soal HOTS?

    Soal HOTS
    5.

    Suatu proses adiabatik dengan γ\gamma = 3 terjadi pada sebuah mesin yang awalnya berada pada kondisi T1T_1 = 280 K dan V1V_1 = 10 L. Lalu, volume gas pada mesin dipampatkan menjadi seperempatnya. Berapa suhu gas akhir pada mesin?

    A

    1.000 K

    B

    1.060 K

    C

    2.120 K

    D

    3.240 K

    E

    4.480 K

    Pembahasan:

    Diketahui:

    Proses adiabatik dengan γ\gamma = 3

    Suhu awal T1T_1 = 280 K

    Volume awal V1V_1 = 10 L

    Volume akhir V2V_2 = 14V1\frac{1}{4}V_1 = 2,5 L

    Ditanya:

    Suhu akhir T2T_2 = ?

    Jawab:

    Proses adiabatik merupakan suatu proses di mana tidak ada aliran kalor yang masuk maupun keluar dari suatu sistem. Sehingga transfer energi antara sistem dan lingkungan yang terjadi hanya berupa usaha. Hubungan suhu dan volume pada proses ini adalah T1V1γ1=T2V2γ1T_1V_1^{\gamma-1}=T_2V_2^{\gamma-1} di mana PP adalah tekanan, TT adalah suhu, dan γ\gamma merupakan rasio kalor spesifik.

    T1V1γ1=T2V2γ1T_1V_1^{\gamma-1}=T_2V_2^{\gamma-1}

    Dengan melakukan penataan ulang terhadap persamaan tersebut, didapat

    T2=T1(V1V2)γ1T_2=T_1\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma-1}

    =280(102,5)31=280\left(\frac{10}{2,5}\right)^{3-1}

    =280(4)2=280\left(4\right)^2

    =4.480=4.480 K

    Jadi, suhu akhirnya menjadi 4.480 K.

    6.

    Perhatikan gambar berikut!

    Besarnya perubahan energi dalam pada sistem tersebut adalah ....

    A

    -200 J

    B

    -100 J

    C

    0 J

    D

    100 J

    E

    200 J

    Pembahasan:

    Diketahui:

    Diagram aliran energi dari sebuah sistem termodinamika.

    QmasukQ_{\text{masuk}} = 300 J

    QkeluarQ_{\text{keluar}} = -200 J (bernilai negatif karena dilepaskan dari sistem ke lingkungan)

    WmasukW_{\text{masuk}} = -200 J (bernilai negatif karena diberikan dari lingkungan ke sistem)

    WkeluarW_{\text{keluar}} = 100 J

    Ditanya:

    Perubahan energi dalam ΔU\Delta U = ?

    Jawab:

    Energi dalam merupakan energi yang dimiliki oleh sistem terkait dengan interaksi antar partikel di dalam sistem tersebut. Nilai absolutnya sulit dihitung. Namun, perubahan energi dalam (ΔU\Delta U) nya dapat dihitung dengan mudah. Selama proses termodinamika terjadi, energi dalam dapat berkurang maupun bertambah.

    Menurut hukum kekekalan energi, besarnya perubahan energi dalam suatu sistem adalah:

    ΔU=QW\Delta U=Q-W, di mana Q merupakan kalor yang diterima dari lingkungan dan W merupakan usaha yang diberikan ke lingkungan. Kalor yang dilepas ke lingkungan akan bernilai negatif serta usaha yang diberikan oleh lingkungan juga akan bernilai negatif.

    ΔU=QW\Delta U=Q-W

    =(Qmasuk+Q keluar)(Wmasuk+Wkeluar)=\left(Q_{\text{masuk}}+Q_{\text{ keluar}}\right)-\left(W_{\text{masuk}}+W_{\text{keluar}}\right)

    =(300+(200))((200)+100)=\left(300+\left(-200\right)\right)-\left(\left(-200\right)+100\right)

    =100(100)=100-\left(-100\right)

    =200=200 J

    Jadi, besarnya perubahan energi dalam adalah 200 J.

    Ingin cari soal-soal AKM?

    Hubungi Kami
    7.

    Kalor sebanyak 2.000 J diberikan pada sebuah mesin tak ideal yang memiliki efisiensi maksimal 40%. Usaha terbesar yang mungkin dihasilkan mesin ini adalah ....

    A

    100 kJ

    B

    400 kJ

    C

    800 kJ

    D

    1.200 kJ

    E

    1.600 kJ

    Pembahasan:

    Diketahui:

    Efisiensi η\eta = 40% = 0,4

    Kalor dari reservoir panas QHQ_{\text{H}} = 2.000 J

    Usaha WW = 400 kJ

    Ditanya:

    Usaha WW = ?

    Jawab:

    Efisiensi pada sebuah mesin kalor adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain η=WQH\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}. WW adalah usaha dan QHQ_{\text{H}} adalah kalor dari reservoir panas.

    Lakukan modifikasi terhadap persamaan η=WQH\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}.

    W=ηQHW=\eta Q_{\text{H}}

    =0,4(2.000)=0,4\left(2.000\right)

    =800=800 kJ

    Jadi, usaha terbesar yang mungkin dihasilkan adalah 800 kJ.

    8.

    Sebuah mesin pendingin bekerja antara suhu 250 K dan 300 K. Berapa besar koefisien performansi dari mesin ini?

    A

    1

    B

    2

    C

    3

    D

    4

    E

    5

    Pembahasan:

    Diketahui:

    Suhu reservoir dingin TCT_{\text{C}} = 250 K

    Suhu reservoir panas THT_{\text{H}}= 300 K

    Ditanya:

    Koefisien performansi CPC_P = ?

    Jawab:

    Mesin pendingin disebut juga sebagai pompa kalor (heat pump). Mesin ini memanfaatkan usaha (WW) untuk memindahkan kalor melawan gradien suhu, yaitu dari reservoir dingin ( TCT_{\text{C}}) menuju reservoir panas (THT_{\text{H}}). Efisiensi pada mesin pendingin dapat dicari menggunakan koefisien performansi CP=TCTHTCC_P=\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}-T_{\text{C}}} dimana THT_{\text{H}} merupakan suhu di reservoir panas dan TCT_{\text{C}} merupakan suhu di reservoir dingin.

    CP=TCTHTCC_P=\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}-T_{\text{C}}}

    =250300250=\frac{250}{300-250}

    =25050=\frac{250}{50}

    =5=5

    Jadi, koefisien performansi dari mesin tersebut adalah 5.

    Ingin tanya tutor?

    Tanya Tutor
    9.

    Isometric factory - Download Free Vectors, Clipart Graphics & Vector Art

    Sebuah motor bakar yang bekerja antara suhu 400 K dan 1.200 K dibeli oleh sebuah perusahaan manufaktur. Ketika beroperasi, suhu maksimal yang diizinkan hanya sebesar 1.000 K akibat alasan keamanan. Maka, efisiensi maksimal yang mungkin dicapai oleh mesin berkurang sebanyak ....

    A

    3,33%

    B

    6,67%

    C

    9,33%

    D

    10,33%

    E

    12%

    Pembahasan:

    Diketahui:

    Suhu reservoir dingin TCT_{\text{C}} = 400 K

    Suhu reservoir panas praoperasi THT_{\text{H}} = 1.200 K

    Suhu reservoir panas saat beroperasi THT_{\text{H}}' = 1.000 K

    Ditanya:

    Pengurangan efisiensi Δη\Delta\eta = ?

    Jawab:

    Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi η=1TCTH\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}  di mana TCT_{\text{C}} merupakan suhu di reservoir dingin dan THT_{\text{H}} merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin. Untuk mesin apa pun yang bekerja pada suhu tertentu, efisiensinya tertinggi yang mungkin dicapai adalah efisiensi mesin carnot.

    Hitung besarnya efisiensi pada kondisi praoperasi dan pascaoperasi.

    Praoperasi

     η=1TCTH\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}

    =14001.200=1-\frac{400}{1.200}

    =113=1-\frac{1}{3}

    =23=\frac{2}{3}

    = 23(100%)=\ \frac{2}{3}\left(100\%\right) (ubah ke bentuk persen)

    =66,67%=66,67\%

    Saat beroperasi

     η=1TCTH\eta'=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}'} 

    =14001.000=1-\frac{400}{1.000}

    =10,4=1-0,4

    =0,6=0,6

    =0,6(100%)=0,6\left(100\%\right) (ubah ke bentuk persen)

    =60%=60\%

    Sehingga besarnya pengurangan efisiensi adalah sebesar

    Δη=ηη\Delta\eta=\eta-\eta'

    =66,67%60%=66,67\%-60\%

    =6,67%=6,67\%

    Jadi, efisiensi maksimal yang mungkin dicapai oleh mesin berkurang sebanyak 6,67%.

    10.

    PT. Kecit Heavy Industries, Tbk merupakan sebuah perusahaan manufaktur nasional. Perusahaan ini membeli sebuah mesin yang bekerja pada suhu 400 K - 800 K untuk membantu proses operasionalnya. Ketika quality check dilakukan, kalor masukan sebesar 30 kJ menghasilan usaha sebesar 10 kJ. Besarnya rugi-rugi usaha yang dialami mesin ini adalah sebesar ....

    A

    0 kJ

    B

    5 kJ

    C

    10 kJ

    D

    15 kJ

    E

    20 kJ

    Pembahasan:

    Diketahui:

    Suhu reservoir panas THT_{\text{H}} = 800 K

    Suhu reservoir dingin TCT_{\text{C}} = 400 K

    Kalor masukan dari reservoir panas QHQ_{\text{H}} = 30 kJ

    Usaha riil yang dihasilkan WriilW_{\text{riil}} = 10 kJ

    Ditanya:

    Rugi-rugi usaha WrugiW_{\text{rugi}} = ?

    Jawab:

    Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin.

    Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi η=1TCTH\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}  di mana TCT_{\text{C}} merupakan suhu di reservoir dingin dan THT_{\text{H}} merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin.

    Pada mesin kalor di kondisi riil, terdapat rugi-rugi daya yang dihasilkan akibat adanya rugi panas, rugi bunyi, rugi gesekan, dan rugi inersia. Sehingga, persamaan efisiensi sebelumnya tidak berlaku lagi. Efisiensi pada mesin kalor secara umum didefinisikan perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain η=WQH\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}} di mana WW adalah usaha dan QHQ_{\text{H}} adalah kalor dari reservoir panas.

    Cari efisiensi carnotnya terlebih dahulu

     ηcarnot=1TCTH\eta_{\text{carnot}}=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}  

    =1400800=1-\frac{400}{800}

    =112=1-\frac{1}{2}

    =12=\frac{1}{2}

    Sehingga apabila mesin bekerja secara maksimal tanpa adanya rugi-rugi daya yang seharusnya dihasilkan adalah

     ηcarnot=WidealQH\eta_{\text{carnot}}=\frac{W_{\text{ideal}}}{Q_{\text{H}}}

    Wideal=ηcarnotQHW_{\text{ideal}}=\eta_{\text{carnot}}Q_{\text{H}}

    =12(30)=\frac{1}{2}\left(30\right)

    =15=15 kJ

    Maka besarnya energi yang hilang adalah sebesar

    Wrugi=WidealWriilW_{\text{rugi}}=W_{\text{ideal}}-W_{\text{riil}}

    =1510=15-10

    =5=5 kJ

    Jadi, rugi-rugi usaha yang dialami mesin ini adalah sebesar 5 kJ.

    Daftar dan dapatkan akses ke puluhan ribu soal lainnya!

    Buat Akun Gratis