Jawaban Soal UK BAB 7 Fisika Kelas XI (Termodinamika)

Di bab 7 yaitu mengenai Termodinamika. Kita akan mempelajari tentang usaha dan berbagai proses dalam termodinamika, hukum ke nol, hukum satu, hukum dua termodinamika, mesin carnot, mesin pendingin, dan lain-lain. Berikut adalah jawaban soal UK Bab 7 Fisika kelas XI tentang termodinamika.

1). Pada percobaan Joule, beban bermassa 5 kg mengalami perpindahan kedudukan sebesar 2 m. Jika massa air sebesar 0,2 kg, perubahan suhu air akibat kalor hasil gesekan sudu-sudu dan air adalah...
a. 1°C
b. 10°C
c. 100°C
d. 0,1°C
e. 0,12°C

Diketahui:
Massa beban (M) = 5 kg
Perubahan kedudukan benda, s atau Δh = 2 m
Massa air, (m) = 0,2 kg
Kalor jenis air, (c) = 4.200 J/kg.K
Percepatan gravitasi, g = 10 m/s²

Ditanya:
Perubahan suhu air (ΔT)?

Jawab:
Perubahan energi potensial gravitasi tepat sama dengan energi kalor pada air.
ΔEP = Q
M.g.Δh = m.c.ΔT
Ingat, M adalah massa beban yang digantung, sedangkan m adalah massa air dengan kincir di dalamnya.
(5).(10).(2) = (0,2)(4.200)(ΔT)
100 = 840.(ΔT)
ΔT = 100/840
ΔT = 0,12°C (Jawaban: E)

2). Suatu gas dimampatkan secara isobarik pada tekanan 2 MPa dari 0,5 m³ menjadi 0,4 m³. Usaha yang dilakukan pada gas adalah...
a. 10 kJ
b. 20 kJ
c. 100 kJ
d. 200 kJ
e. 400 kJ

Diketahui:
P = 2Mpa = 2.000.000 Pa
ΔV = 0,4 m³ - 0,5 m³ = -0,1 m³

Ditanya:  Usaha yang dilakukan (W) jika gas dimampatkan secara isobarik?

Jawab:
Jika gas dimampatkan secara isobarik, maka:
W = P . ΔV
W = 2000000. (-0,1)
W = -200.000 J
W = -200 kJ

3). Sejumlah gas mengalami ekspansi secara adiabatik volumenya menjadi 0,1 m³. Jika suhu akhir gas setengah suhu awalnya dan tekanan awal gas 2 x 10⁵ Pa, tekanan gas setelah ekspansi adalah... (γ = 1,4)
a. 10⁵ Pa
b. 10³ Pa
c. 70⁵ Pa
d. 700 Pa
e. 2 x 10⁴ Pa

Diketahui:
V2 = 0,1 m³
T2 = 1T ----> setengah suhu awalnya
T1 = 2T
P1 = 2 x 10⁵ Pa
γ = 1,4 = 14/10

Ditanya: P2 (Tekanan gas setelah ekspansi)?

Jawab:
Cari dulu volume awal (V1).
T1. V1^γ-1 = T2. V2^γ-1
2 . V1^1,4-1 = 1 . (0,1)^1,4-1
2. V1^0,4 = (0,1)^0,4
karena 0,4 = 4/10, maka semuanya dipangkatkan 10/4 agar pangkat yang lain hilang.
2^10/4. V1 = 0,1
5,65 .V1 = 0,1
V1 = 0,1 / 5,65
V1 = 0,017 m³

Lalu cari P2-nya.
P1.V1^γ = P2.V2^γ
2 x 10⁵ . (0,017)^1,4 = P2 . (0,1)^1,4
2 x 10⁵ . 0,0035 = P2 . 0,04
P2 = 700 / 0,04
P2 = 17500 Pa

4). Grafik berikut ini menunjukkan hubungan antara volume (V) dan tekanan (p) dari suatu gas.
Proses yang menunjukkan gas memperoleh energi terbesar dari usaha yang dilakukan lingkungan pada gas adalah...
a. E ke A
b. D ke E
c. C ke D
d. B ke C
e. A ke B

Diketahui:
Lihat pada gambar di buku.

Ditanya:  Proses yang menunjukkan gas memperoleh energi terbesar?

Jawab:
Usaha terbesar dimiliki oleh proses dengan bidang terluas dan yang memiliki bidang terluas adalah proses D ke E (Jawaban: B)

5). Suatu gas dalam tabung mengalami pemampatan secara adiabatik maka pada proses ini akan terjadi...
a. W = 0 dan ΔT > 0
b. W < 0 dan ΔT > 0
c. W > 0 dan ΔT = 0
d. W < 0 dan ΔT < 0
e. W > 0 dan ΔT > 0

Jawab:
Proses adiabatik adalah sebuah proses dimana pemuaian ditandai dengan tidak adanya kalor yang masuk atau keluar sistem "Q=0" sehingga berlaku ΔU = -W yang berarti W < 0.
Jika gas memuai secara adiabatik, maka gas melakukan kerja dan mengakibatkan penurunan energi dalam sistem. Energi dalam sistem berkurang sebesar ΔU sehingga suhu gas juga turun, yang berarti ΔT < 0. (Jawaban: D)

6). Gas mengalami ekspansi secara isotermal dari volume awal 3 liter pada tekanan 20 atm (1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa) menjadi volume akhir 24 liter. Usaha yang dilakukan oleh gas tersebut adalah... (Diketahui: nRT₁ = P₁V₁ dan ln 2 = 0,693)
a. 1,25 x 10³ J
b. 2,50 x 10³ J
c. 12,5 x 10³ J
d. 2,5 x 10⁴ J
e. 1,25 x 10⁵ J

Diketahui:
Isotermal = suhu tetap
V1 = 3 L = 0,003 m³
V2 = 24 L = 0,024 m³
P = 20 atm = 20,2 x 10⁵ Pa
ln 2 = 0,693
nRT₁ = P₁V₁
Ditanya: W (usaha)?

Jawab:
W = n.R.T1. ln (V2/V1)
W = P1.V1. ln (V2/V1)
W = 20,2 x 10⁵ . 0,003 . In (0,024/0,003)
W = 6060 . ln 8
W = 6060 . ln 2³ ----- ln a^r = r ln a
W = 6060. 3 ln 2
W = 6060 . 3(0,693)
W = 6060. 2,079
W = 12.598,74 J
W = 12,5 x 10³ J (Jawaban: C)

7). Pada tekanan konstan 10⁶ Pa, suhu 10 mol gas helium naik dari -20°C menjadi 0°C. Perubahan energi dalam dan besar usaha yang dilakukan gas helium jika gas tersebut menyerap kalor sebesar 4 kJ adalah... (R = 8,31 J/K mol)
a. ΔU = 2,49 kJ, W = 1,51 kJ
b. ΔU = 1,51 kJ, W = 2,49 kJ
c. ΔU = -2,49 kJ, W = -1,51 kJ
d. ΔU = -1,51 kJ, W = -2,49 kJ
e. ΔU = 2,49 kJ, W = 6,49 kJ

Diketahui:
P = 10⁶ Pa
n = 10 mol
ΔT = (T2-T1) = (0°C-(-20°C)) = 20°C
Q = 4 kJ = 4000 J
R = 8,31 J/K mol

Ditanya: Perubahan energi dalam (ΔU) dan besar usaha (W)?

Jawab:
Cari perubahan energi dalam dengan persamaan.
ΔU = (3/2) n.R.ΔT
ΔU = (3/2). 10. 8,31. 20
ΔU = 2493 J
ΔU = 2,49 kJ

Lalu cari usaha, dengan persamaan hukum 1 termodinamika.
Q = ΔU + W
W = Q - ΔU
W = 4000 - 2493
W = 1507 J
W = 1,51 kJ

Jawaban: (A)

8). Besarnya energi dalam dari suatu gas monoatomik yang terdiri atas 10²⁴ molekul dan bersuhu 400 K adalah... (k = 1,38 x 10^-23 J/K)
a. 0,34 kJ
b. 0,69 kJ
c. 1,38 kJ
d. 2,76 kJ
e. 8,28 kJ

Diketahui:
N = 10²⁴ molekul
f = 3 (gas monoatomik memiliki derajat kebebasan 3)
T = 400 K
k = 1,38 x 10^-23 J/K

Ditanya: U (energi dalam)?

Jawab:
U = (3/2) N.k.T
U = (3/2). 10²⁴. 1,38 x 10^-23 . 400
U = 8280 J
U = 8,28 kJ (Jawaban: E)

9). Sejumlah gas ideal mengalami ekspansi sehingga volumenya menjadi dua kali semula, ternyata energi dalam gas menjadi empat kali semula. Tekanan gas tersebut akan menjadi...
a. tetap
b. 2 kali
c. 4 kali
d. 8 kali
e. 16 kali

Diketahui:
V1 = 1V
V2 = 2V
U1 = 1U ----> T1 = T
U2 = 4U ---> Jika Energi dalam dinaikkan, jika menurut rumus (N.f.(1/2).k.T), maka yang termasuk di dalamnya juga dinaikkan. --> Termasuk T (suhu)
berarti T2 = 4T

Ditanya: P (tekanan gas)?

Jawab:
Memakai persamaan.
(P1.V1) / T1 = (P2.V2) /T2
(P1 .1) / 1 = (P2 . 2) / 4
P1 = (P2 . 2) / 4 -----> pindah 4 ke ruas kiri
4P1 = 2P2
P2 = 4P1/2
P2 = 2P1

Berarti tekanan gas tersebut akan menjadi 2 kali lipat dari tekanan awalnya (Jawaban: B)


10). Dua mol gas monoatomik mendapatkan kalor sebanyak 1297,14 joule secara isokhorik. Jika R = 8,13 J/mol K, tentukan perubahan suhu gas tersebut...
a. 75 K
b. 52 K
c. 50 K
d. 35 K
e. 20 K

Diketahui:
Isokhorik = volume tetap
n = 2 mol
f = 3 (gas monoatomik dengan derajat kebebasan 3)
Q = 1297,14
R = 8,13 J/mol K

Ditanya: ΔT (perubahan suhu)?

Jawab:
Q = (f/2) n.R.ΔT
1297,14 = (3/2). 2 . 8,13 . ΔT
1297,14 = 24,39 . ΔT
ΔT = 1297,14 / 24,39
ΔT = 53,1 K (Jawaban yang mendekati adalah (B))

11). Mesin Carnot mengambil 1.000 kkal dari reservoir 627°C dan mengeluarkannya pada reservoir 27°C. Banyaknya kalor yang dikeluarkan reservoir suhu rendah adalah...
a. 43,1 kkal
b. 330 kkal
c. 600 kkal
d. 666,7 kkal
e. 956,9 kkal

Diketahui:
Q1 = 1000 kkal
T1 = 627°C = 627 + 273 = 900 K
T2 = 27°C = 27 + 273 = 300 K

Ditanya: Q2 (kalor yang dikeluarkan reservoir suhu rendah)?

Jawab:
Q2/Q1 = T2/T1
Q2 / 1000 = 300 / 900
Q2 = (300 x 1000) / 900
Q2 = 300000 / 900
Q2 = 333,33 kkal (Jawaban yang mendekati adalah: (B))

12). Mesin Carnot menerima kalor dari reservoir bersuhu tinggi 900 K dan melepaskannya pada reservoir bersuhu rendah 495 K. Efisiensi mesin Carnot tersebut adalah...
a. 40%
b. 45%
c. 50%
d. 55%
e. 80%

Diketahui:
T1 = 900 K
T2 = 495 K

Ditanya: η (efisiensi mesin Carnot)?

Jawab:
η = (1 - (T2/T1) x 100%
η = (1 - (495/900) x 100%
η = ((900/900) - (495/900)) x 100%
η = 405/900 x 100% (100% = 100/100 = 1, jadi bisa diabaikan)
η = 405/900
η = 0,45
η = 45/100 atau sama saja dengan 45% (Jawaban: B)

13). Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi...
a. 900 K
b. 960 K
c. 1.000 K
d. 1.180 K
e. 1.600 K

Diketahui:
T1 = 800 K
η1= 40% = 0,4
η2 = 50% = 0,5

Ditanya: T1 (suhu reservoir tinggi saat efisiensi menjadi 50%)?

Jawab:
tentukan suhu reservoir rendah (T2) pada efisiensi 40%.
η = (1 - (T2/T1)) x 100%
0,4 = (1 - (T2/800)) x 100% ----> 100% = 100/100 = 1, jadi bisa dihilangkan karena dikalikan satu hasilnya tetap sama.
0,4 = 1 - (T2/800)
T2/800 = 1 - 0,4
T2 / 800 = 0,6
T2 = 480 K

Lalu tentukan suhu reservoir tinggi menggunakan T2 yang diperoleh untuk η =50%.
η = (1 - (T2/T1)) x 100%
0,5 = (1 - (480/T1))
480/T1 = 1 - 0,5
480/T1 = 0,5
T1 = 480/0,5
T1 = 960 K (Jawaban: B)

14). Sejumlah gas ideal mengalami siklus, seperti pada gambar berikut.
Dalam satu sekon dapat terjadi lima siklus. Daya yang dihasilkan per siklus adalah...
a. 80 watt
b. 200 watt
c. 400 watt
d. 800 watt
e. 1000 watt

Diketahui:
Lihat pada gambar di buku.

Ditanya: Daya yang dihasilkan?

Jawab:
*Usaha dari A ke B bertanda positif karena arah proses ke kanan. Karena bidangnya menyerupai luas trapesium, maka memakai luas trapesium.
Wab = 1/2 (400 + 200 kPa) 4 L
Wab = 1/2 (600) 4
Wab = 1/2 . 2400
Wab = 1200 J

*Usaha dari B ke C bertanda negatif karena arah proses ke kiri. Karena bidangnya menyerupai persegi panjang, maka memakai luas persegi panjang.
Wbc = - 200 kPa x 4 L
Wbc = -800 J

*Usaha dari C ke A sama dengan nol karena dengan sumbu V tidak dapat membentuk bidang (luasnya = 0)

Usaha keseluruhan proses adalah = 1200 + (-800) + 0 = 400 J

Dalam satu sekon dapat terjadi 5 siklus. Daya yang dihasilkan per siklus adalah 400 Watt (400 Joule/sekon) -> (Jawaban: C)

15). Suhu di dalam ruang mesin pendingin -3°C dan suhu udara luar 27°C. Setiap detik, kalor yang dilepaskan mesin pendingin adalah 450 J. Besarnya daya listrik rata-rata yang dibutuhkan oleh mesin pendingin tersebut adalah...
a. 25 watt
b. 50 watt
c. 90 watt
d. 150 watt
e. 900 watt

Diketahui:
T1 = -3°C = -3 + 273 = 270 K
T2 = 27°C = 27 + 273 = 300 K
Q1 = 450 J/detik

Ditanya: Daya listrik rata-rata?

Jawab:
Kita cari dulu usahanya.
W/Q1 = (T2/T1) - 1
W/Q1 = (300/270) - (270/270)
W/Q1 = 30/270
W/Q1 = 1/9
W = (1/9) x Q1
W = (1/9) x 450
W = 50 J

Lalu cari dayanya.
P = W/t
P = 50 J/1s
P = 50 Watt (Jawaban: B)