Postingan ini membahas contoh soal termodinamika dan pembahasannya. Termodinamika adalah salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Termodinamika yang dibahas mencakup proses-proses termodinamika dan hukum termodinamika.
Proses Isobarik
Proses isobarik adalah proses dalam termodinamika yang terjadi pada tekanan tetap. Rumus yang berlaku pada proses isobarik sebagai berikut:
W = P (V2 – V1)
Keterangan:
W = Usaha termodinamika (joule), P = tekanan (Pa) dan V = volume (m3)
Proses Isotermik
Proses isotermik adalah proses dalam termodinamika yang terjadi pada suhu tetap. Rumus yang berlaku pada proses isotermik sebagai berikut:
W = n . R . T . lnKeterangan:
- W = usaha termodinamika (joule)
- n = mol
- R = tetapan umum gas
- T = suhu mutlak
- V = volume
Proses isokhorik
Proses isokhorik adalah proses dalam termodinamika yang terjadi pada tekanan tetap. Pada proses isokhorik besar usaha yang dilakukan = 0 atau W = 0.
Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah proses dalam termodinamika tanpa disertai perpindahan kalor. Rumus yang berlaku pada proses adiabatik sebagai berikut:
W =P1V1γ = P2V2γ
T1V1γ – 1 = T2V2γ – 1
γ =
Keterangan:
- γ = tetapan Laplace
- Cp = kapasitas kalor pada tekanan tetap.
- Cv = kapasitas kalor pada volume tetap.
- T = suhu
Hukum pertama Termodinamika
ΔU = Q – W
Keterangan: ΔU = perubahan energi dalam (joule), Q = kalor (joule), W = usaha (joule). W positif jika sistem melakukan usaha dan negatif jika usaha dilakukan pada sistem. Q positif jika sistem menerima kalor dan negatif jika sistem melepas kalor.
Untuk lebih jelasnya, perhatikan contoh soal dan pembahasannya dibawah ini.
Contoh soal 1
Diagram P-V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan gambar dibawah ini.
Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar…
A. 660 kj
B. 400 kj
C. 280 kj
D. 120 kj
E. 60 kj
Pembahasan / penyelesaian soal
- Proses dari A ke B adalah isokhorik sehingga WAB = 0.
- Proses dari B ke C adalah isobarik sehingga WBC = P (VC – VB) = 2 . 105 Pa (3,5 – 1,5) m3 = 4 . 105 j = 400 kj
Jadi usaha proses ABC WABC = WAB + WBC = 0 + 400 kj = 400 kj. Soal ini jawabannya B.
Contoh soal 2
Proses pemanasan suatu gas ideal digambarkan seperti grafik P-V berikut.
Besar usaha yang dilakukan gas pada siklus ABC adalah…
A. 4,5 j
B. 6,0 j
C. 9,0 j
D. 12,0 j
E. 24,0 j
Pembahasan / penyelesaian soal
- WAB = P (VB – VA) = 2 . 106 Pa (4 – 1) cm3
- WAB = 2 . 106 Pa . 3 . 10-6 m3 = 6,0 j
- WBC = 0 (proses isokhorik)
Jadi WABC = 6,0 j + 0 = 6,0 j. Soal ini jawabannya B.
Contoh soal 3
Dari grafik P-V dibawah, besar usaha pada proses I dan II berbanding sebagai…
A. 4 : 3
B. 3 : 4
C. 2 : 3
D. 1 : 2
E. 1 : 1
Pembahasan / penyelesaian soal
- WI : WII = luas persegi panjang I : luas persegi panjang II
- WI : WII = (30 x 20) : (40 x 15) = 1 : 1
Soal ini jawabannya E.
Contoh soal 4
Pada termodinamika, gas ideal mengalami proses isotermik jika…
A. perubahaan keadaan gas suhunya selalu tetap
B. Semua molekul bergerak dengan kecepatan berbeda
C. Semua keadaan gas sehunya selalu berubah
D. Pada suhu tinggi kecepatan molekulnya tinggi
E. Tekanan dan volume tidak mengalami perubahan
Soal ini jawabannya A.
Contoh soal 5
Sejumlah gas ideal mengalami proses isokhorik sehingga…
A. semua molekul kecepatannya sama
B. pada suhu tinggi kecepatan rata-rata molekul lebih besar.
C. Tekanan gas menjadi tetap
D. Gas tidak melakukan usaha
E. tidak memiliki energi dalam
Soal ini jawabannya D karena pada proses isokhorik besar usaha = 0.
Contoh soal 6
Didalam ruang tertutup terdapat 2 mol gas yang volumenya 20 liter, tekanan 3 atm dan suhu 27°C. Gas mengalami proses isotermal sehingga volumenya menjadi 80 liter. Jika R = 8,310 j/mol.K dan ln 4 = 1,386 maka usaha luar yang dilakukan gas sebesar…
A. 7093 j
B. 6910 j
C. 5417 j
D. 4286 j
E. 3455 j
Pembahasan / penyelesaian soal
Pada soal ini diketahui:
- n = 2 mol
- p = 3 atm = 3 x 105 Pa
- T = 27° C = (27 + 273) K = 300 K
- V1 = 20 L
- V2 = 80 L
- R = 8,310 j/mol.K
W = 2 mol . 8,310 j/mol.K . 300 . ln
W = 4.986 x ln 4 = 4.986 x 1,386 = 6910 j
Soal ini jawabannya B.
Contoh soal 7
Diketahui gas helium sebanyak 3 liter dengan suhu 27°C. Jika gas tersebut dipanaskan pada tekanan tetap sebesar 105 Pa hingga suhunya menjadi 327°C maka usaha yang dilakukan gas helium sebesar…
Pembahasan / penyelesaian soal
Pada soal ini diketahui:
- V1 = 3 L = 3 . 10-3 m3
- T1 = 27°C = 300 K
- T2 = 327 = (327 + 273) K = 600 K
- P = 105 Pa
Cara menjawab soal ini sebagai berikut:
V2 = 6 . 10-3 m3
W = P(V2 – V1) = 105 Pa (6 – 3) 10-3 m3 = 300 joule
Contoh soal 8
Sejumlah gas dengan tekanan mula-mula 2 atm dan volume mula-mula 2 liter mengalami ekspansi adiabatik sehingga volumenya menjadi 4 liter. Jika tetapan Laplace 1,4 maka usaha yang dilakukan gas sebesar…
Pembahasan / penyelesaian soal
Pada soal ini diketahui:
- P1 = 2 atm = 2 . 105 Pa
- V1 = 2 liter = 2 . 10-3 m3
- V2 = 4 liter = 4 . 10-3 m3
- γ = 1,4
Cara menjawab soal ini sebagai berikut:
P1V1γ = P2V2γ2 atm . (2 L)1,4 = P2 . (4 L)1,4
P2 = 2 atm (
W =
W =
Contoh soal 9
Jika kalor sebanyak 3500 joule ditambahkan pada sistem dan sistem melakukan usaha sebesar 3000 joule pada lingkungan, maka hitunglah perubahan energi dalam sistem?
Pembahasan / penyelesaian soal
Pada soal ini diketahui:
- Q = + 3500 joule (positif karena kalor ditambahkan pada sistem)
- W = + 3000 joule (positif karena sistem melakukan usaha)
Cara menjawab soal ini sebagai berikut:
- ΔU = Q – W
- ΔU = 3500 – 3000 = 500 joule
Jadi perubahan energi dalam sistem sebesar 500 joule.
Contoh soal 10
Suatu gas berada dalam ruang tertutup bervolume 5 m3 dan tekanan 4 . 105 Pa. Hitunglah usaha yang dilakukan gas jika gas mengalami proses isobarik sehingga volumenya menjadi 4 kali semula.
Pembahasan / penyelesaian soal
- W = P (V2 – V1)
- W = 4 . 105 Pa (4 . 5 m3 – 5 m3)
- W = 4 . 105 Pa . 3 . 5 m3 = 6.000.000 joule