Artikel Termodinamika II (Tugas Berkala)

Definisi Hukum Termodinamika

Pada umumnya hukum termodinamika sangat berkaitan dengan energi dan lingkungan yang kita ditinggali. Hal ini berkaitan dengan asal kata termodinamika yang diambil dari bahasa Yunani. Thermos yang artinya panas dan dinamic yang berarti perubahan. Sehingga bisa disimpulkan bahwa hukum termodinamika adalah hukum yang berkaitan dengan kekekalan energi. Dan menentukan bahwa adanya peristiwa perpindahan panas merupakan suatu bentuk lain dari perpindahan energi tersebut.

Sistem Termodinamika

Sejak ditemukan hukum termodinamika, hukum ini telah menjadi salah satu hukum terpenting dalam lingkup ilmu fisika. Sehingga hukum ini sering dikaitkan dengan konsep – konsep yangbersifat universal. Hal ini dikarenakan hukum termodinamika memiliki kebenaran yang bersifat umum. Dan tidak dibatasi dengan adanya rincian dari konsep atau sistem yang mengacu pada penggunaan hukum termodinamika. Untuk sistem termodinamika sendiri telah diklasifikasikan menjadi 3 jenis sistem yang didasarkan pada pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya.

Jenis – jenis sistem termodinamika adalah :

• Sistem terbuka : dimana pada sistem ini terjadi pertukaran benda, energi (panas dan kerja) dengan lingkunganya. Contoh dari sistem ini adalah samudra

• Sistem tertutup : yaitu keadaan di mana terjadi pertukaran energi (panas  dan kerja) namun tidak ada pertukaran yang terjadi antara benda dan lingkungannya, contoh dari sistem ini adalah rumah hijau

• Sistem terisolasi : sistem isolasi bisa dikatakan merupakan kebalikan dari sistem terbuka, karena dalam sistem ini tidak terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) ataupun pertukaran benda dengan lingkungannya.

Walaupun pada kenyataannya sebuah sisten tidak mungkin terisolasi sepenuhnya dari pertukaran energi, bahkan dalam wadah terisolasi seperti tabung gas. Karena pada dasarnya tetap ada gaya gravitasi bumi dalam wadah tersebut. Dalam analisisnya, pada sistem isolasi biasanya energi yang masuk sama dengan energi yang keluar. Sehingga energi yang tersisa dalam sistem ini adalah nol, atau bisa dikatakan seperti tidak ada pertukaran benda, energi dengan ligkungannya.

HUKUM TERMODINAMIKA 2

            Hukum ini sangat berkaitan dengan entropi atau keseimbangan termodinamis, yang menyatakan bahwa pada umumnya energi hanya bisa berpindah dari tempat yang mengandung banyak energi ke tempat yang kurang mengandung energi.
Hukum kedua ini bisa digambarkan dengan terjadinya angin.

 Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel. Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi.  Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”;  hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor: “

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”. 

Penerapan Hukum II Termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun. Hal ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel.

Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”; hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor: “Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.

Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.

1. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck).
2. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).
3. Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).

a. Pengertian Entropi

Dalam menyatakan Hukum Kedua Termodinamika ini, Clausius memperkenalkan besaran baru yang disebut entropi (S). Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Ketika suatu sistem menyerap sejumlah kalor Q dari reservoir yang memiliki temperatur mutlak, entropi sistem tersebut akan meningkat dan entropi reservoirnya akan menurun sehingga perubahan entropi sistem dapat dinyatakan dengan persamaan

ΔS = Q/T

tersebut berlaku pada sistem yang mengalami siklus reversibel dan besarnya perubahan entropi (ΔS) hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal sistem. Ciri proses reversibel adalah perubahan total entropi ( ΔS = 0) baik bagi sistem maupun lingkungannya. Pada proses irreversibel perubahan entropi semesta ΔS_semestea > 0 . Proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.

ΔS_sistem  + ΔS_lingkungan = ΔS_seluruhnya > 0

b. Mesin Pendingin

Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya pendingin rungan (AC) dan almari es (kulkas). Perhatikan Gambar 9.9! Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan pada suhu tinggi T1. Berdasarkan hukum II termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap (Q1 = Q2 + W)

Gambar 9.9 Siklus mesin pendingin.

Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q₁) dengan usaha yang diperlukan (W) dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol K_p. Secara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai 6. Makin tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut.

K_p = Q₂ /W

Untuk gas ideal berlaku:

Keterangan

K_p : koefisien daya guna

Q₁ : kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)

Q₂ : kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)

W : usaha yang diperlukan (J)

T₁ : suhu reservoir suhu tinggi (K)

T₂ : suhu reservoir suhu rendah (K)

ENTROPI  DAN HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA ~

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa sebuah kolam tidak membeku di musim panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan benda dingin, maka tak terjadi bahwa benda panas tersebut semakin panas dan benda dingin semakin dingin, meskipun proses-proses tersebut tidaklah melanggar hukum kekekalan energi yang dinyatakan sebagai hukum pertama termodinamika.

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, “Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi".

Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".

Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.

Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T₁ dan T₂ berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T₁ dan benda B bersesuaian dengan temperatur T₂".

Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah, pers. (1):
S = k log w
dimana k adalah konstanta Boltzmann, S adalah entropi sistem, w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati.

Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2):

W₁ = c V
dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volume V adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul berada di dalam volume V adalah, pers.(3):
w = w₁^N = (cV)^N.

Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar.

Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa-peristiwa yang mungkin.

Artikel Termodinamika 1 (Tugas Berkala)

Penerapan Hukum I Termodinamika- Hukum I Termodinamika berkaitan dengan Hukum Kekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedang melakukan pertukaran energi dengan lingkungan dan memberikan hubungan antara kalor, energi, dan kerja (usaha). Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadi perubahan energi. Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum I Termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan energi.

Energi dalam sistem merupakan jumlah total semua energi molekul pada sistem. Apabila usaha dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya, energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukan usaha pada lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut.

Q = ΔU + W …….. (9–9)

dengan: Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,

ΔU = U₂ — U₁ = perubahan energi dalam sistem, dan

W = usaha yang dilakukan sistem.

Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan (9-9) tersebut adalah sebagai berikut.

1. Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif.
2. Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif
3. Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif
4. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif

a. Proses Isotermal

Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V_2/V₁). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU=(3/2)nRΔT. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Q = ΔU + W = 0 + W

Q = W = nR T ln (V₂/V₁) …. (9-10)

b. Proses Isokhorik

Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai

Q = ΔU + W = ΔU + 0

Q = ΔU = U₂ — U₁

Dari Persamaan (9-11) Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan (9-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.

Q = ΔU =(3/2)nR ΔT …(9-12)

atau

Q = U₂ — U₁ =(3/2)nR (T₂ —T₁) …. (9-13)

c. Proses Isobarik

Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V₂ – V₁). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut.

Q = ΔU + W

Q = ΔU + p(V₂ – V₁) … (9-14)

Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (9-14) dapat dituliskan sebagai

Q =(3/2)nR (T₂ — T₁) + p (V₂ – V₁) … (9-15)

d. Proses adiabatik

Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi

Q = ΔU + W

0 = ΔU + W

atau

W = — ΔU = —(U₂— U₁) … (9-16)

Berdasarkan Persamaan (9-16) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat

bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai

W = — ΔU = —(3/2)nR (T₂ – T₁)

Hukum pertama, disebut prinsip kekekalan, dapat diajarkan dengan mudah pada siswa, karena prinsip kekekalan yang analig ada pada pengalaman sehari-hari. Sebagai contoh, bila dua wadah memuat W1 kilogram air, anda tambahkan q kg air sambil membuang w kg air, totap air, W2, akan selalu W1 plus q – w. Lebih lanjut, ini akan selalu benar, seberapapun rumitnya urutan penambahan dan pengurangannya. Hal yang sama berlaku untuk penyimpanan energi.
Untuk membuktikan hukum pertama termodinamikan, kalau energi adalah sebuah fungsi keadaan, kita menunjukkan kalau menyangkal keabsahannya adalah energi dapat diciptakan, dan semua pengalaman kita menunjukkan kalau ini tidak benar.
Bacaan Lanjut:
1. Missler, Chuck, Eastman, Mark, M.D."The Creator Beyond Time and Space", The Word for Today 1996, p.12-17
2. James S. Treifel, "The Moment of Creation", Scribner's and Son. p 141-142
3. H. Bondi and T. Gold, "The Steady State Theory of the Expanding Universe," Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 108:252-270 (1948).
4. Patterson, John W., “Thermodynamics and Probability," in Evolutionists Confront Creationists, pages 132-150. Proceedings of the 63rd Annual Meeting of the Pacific Division of the American Association for the Advancement of Science, Vol 1, Part 3, April 30th 1983; Pacific Division of the American Association for the Advancement of Science, c/o California Academy of Science, Golden Gate Park, San Francisco, CA
5. Cramer, J.A., “General Evolution and the Second Law of Thermodynamics,” in Origins and Shape, D. L. Willis, ed., American Scientific Affiliation, Elgin, IL, 1978
6. Freske, S., “Creationist Misunderstanding, Misrepresentation, and Misuse of the Second Law of Thermodynamics,” Creation/Evolution, page 8, Issue IV (Spring), 1981. ( 2, 4-9)
7. Patterson, John W., “An Engineer Looks at the Creation Movement,” Iowa Academy of Science Proceedings, Vol 89, no. 2, page 55, 1982.
8. Morris, Henry M., The Twilight of Evolution, Baker Book House, Grand Rapids, MI 1982.
9. Mahan, Bruce H., College Chemistry, pages 288-289, Addison-Wesley, Reading, MA 1966

Penerapan Termodinamika
Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan  Lord Kelvin  pada abad ke 19. Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa energi, yang  disebut pendekatan thermodinamika klasik. Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu  thermodinamika modern, atau disebut thermodinamika statistik. Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu da lam  menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.  
Penerapan termodinamika secara teknik (dalam perencanaan) yaitu :
- Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
- Pembangkit Daya Listrik
- Motor Bakar   
- Sistem pemanasan surya
- Pesawat Terbang 
- Dan sebagainya

• Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap :

Energi kimia  atau  energi nuklir  dikonversikan  menjadi  energi  termal  dalam ketel uap  atau  reaktor nuklir.  Energi ini  dilepaskan  ke air, yang  berubah  menjadi  uap.  Energi uap ini  digunakan  untuk  menggerakkan turbin uap,  dan energi mekanis yang dihasilkan  digunakan untuk meng- gerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik.

• Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air :

Energi  potensial  air  dikonversikan  menjadi  energi  mekanis  melalui penggunaan turbin air. Energi mekanis ini kemudian dikonversikan lagi Menjadi energi listrik oleh generator listrik yang disambungkan pada poros turbinnya.

• Motor pembakaran dalam 

Energi kimiawi bahan bakar dikonversikan menjadi kerja mekanis. Campuran udarabahanbakar dimampatkan dan pembakaran  dilakukan oleh busi. Ekspansi gas hasil pembakaran mendorong piston, yang menghasilkan putaran pada poros engkol.

 

Tugas Berkala Fisika

 
1. 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 − Tr / 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



2. 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
WAC = WAB + WBC
WAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ


3. 2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC 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!
(Soal UN tahun 2009)
>> Pembahasan
Data :
n = 2000/693 mol
V2 = 5 L
V1 = 2,5 L
T = 27oC = 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



4. 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) (Soal Unas 2008 )
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
 

5.   Suatu gas volumenya 0,5 m³ perlahan-perlahan dipanaskan pada tekanan tetap 2x10^-2 N/m² hingga volumenya menjadi 2 m³. Jika usaha luar gas tersebut 3x10^-2 Joule, maka tekanan gas adalah

 ( Soal Unas 2007 )

a.       2x10

b.       3x10^-2

c.        3,2x10³

d.        4,6x10³

e.         6x10²

Pembahasan :

W  = P ( V2 –V1 )

      = 2x10^-2 ( 2 – 0,5 )

      = 3x10^-2

( Jawaban B )

6.  Sejumlah gas ideal dipanaskan pada tekanan konstan 2x10^-2 N/m². sehingga   volumenya berubah dan 20L menjadi 30 L. Hitunglah usaha luar yag dilakukan gas selama pemuaian :

      ( Soal Unas 2007 )   

1. 2x10^-6
2. 3x10^-6
3. 3,4x10^-6
4. 5x10^-5
5. 3,2x10^-5

Pembahasan :

• P = 2x10^-2 N/m²

V1 = 20 L = 2.10^-3 m³

V2 = 30 L = 3.10^-3 m³

            Ditanya : W

• W= P. ▲V

    = P ( V1-V2)

        2x10^-3 ( 3.10^-3 – 2.10^-3 )

W = 2x10^-3 . 1x10^-3

     = 2x10^-6

( Jawaban A )

7.Ahmad mengisi ember yang memiliki kapasitas 20 liter dengan air dari sebuah kran seperti gambar            berikut! 
Jika luas penampang kran dengan diameter D₂ adalah 2 cm² dan kecepatan aliran air di kran adalah 10 m/s tentukan Debit air dan Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember
a. 2 x 10⁻³ m³/s dan 10 sekon                          c. 2 x 10⁻³ m³/s dan 15 sekon

b. 3 x 10⁻³ m³/s dan 10 sekon                         d. 4 x 10⁻³ m³/s dan 5 sekon

e. 2 x 10⁻³ m³/s dan 5 sekon                                        (sumber UN 2000)
 

Pembahasan :

Diketahui :
A₂ = 2 cm² = 2 x 10⁻⁴ m²
v₂ = 10 m/s

 Debit air
Q = A₂v₂ = (2 x 10⁻⁴)(10)
Q = 2 x 10⁻³ m³/s

b Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember

Diketahui :

V = 20 liter = 20 x 10⁻³ m³
Q = 2 x 10⁻³ m³/s
t = V / Q
t = ( 20 x 10⁻³ m³)/(2 x 10⁻³ m³/s )
t = 10 sekon
( Jawaban A )

8. Laju aliran air pada penampang besar adalah 0,05 m/s luas penampang A1 = 400cm²  dan  A2 = 100 cm²  serta volumme bak penampung air adalah 600 m/s 

Berapakah laju aliran air pada penampang kecil ?
a. 0,3                                                 (unas 2000/2001)
b.0,5
c. 0,2
d.2
e.0,1

Jawab :
A1.v1     = A2.v2
400.0,05 = 100.v2
V2      = 0,2m/s
( Jawaban C )
9. 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 : SPMB 2004)
Pembahasan
Data pertama:
η = 40% = 4 / 10
Tt = 400 K

10.  Jika luas penampang pipa besar adalah 5 m² , luas penampang pipa kecil adalah 2 m² dan kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 15 m/s, tentukan kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil! ( Soal Unas 2005 )

Pembahasan :

Persamaan kontinuitas
A₁v₁ = A₂v₂
(5)(15) = (2) v₂
v₂ = 37,5 m/s