Contoh Soal Hukum
Termodinamika I, II, dan Entropi
A. Hukum Termodinamika I
1. Sepuluh mol gas helium memuai
secara isotermal pada suhu 67 °C sehingga volumenya menjadi dua kali volume
mula-mula. Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas helium.
Penyelesaian:
2. Suatu gas yang volumenya 1,2
liter perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap 1,5×105 N/m2 hingga volumenya menjadi 2 liter. Berapakah usaha yang dilakukan gas?
Penyelesaian:
W = 1,5×105 N/m2
×
(VB - VA)
W = 1,5×105 N/m2
×
(2×10-3 m3 -
1,2×10-3 m3)
W = 1,5×105 N/m2
×
0,8×10-3 m3
W
= 1,2×102 J
3. Sebuah mesin memiliki rasio
pemampatan 12 : 1 yang berarti bahwa setelah pemampatan, volume gas menjadi
1/12 volume awalnya. Anggap bahan bakar bercampur udara pada suhu 35 °C,
tekanan 1 atm, dan ฮณ = 1,4. Jika proses pemampatan terjadi secara adiabatik,
hitunglah tekanan pada keadaan akhir dan suhu campuran.
Penyelesaian:
·
Menghitung tekanan pada
keadaan akhir
Persamaan keadaan
adiabatik:
PA × VAg = PB × VBg
1 atm × VA1,4
= PB × (1/12×VA)1,4
· Menghitung suhu
campuran
4. Delapan mol gas ideal dipanaskan
pada tekanan tetap sebesar 2×105 N/m2 sehingga
volumenya berubah dari 0,08 m3 menjadi 0,1 m3.
Jika gas mengalami perubahan energi dalam gas sebesar 1.500 J, berapakah kalor
yang diterima gas tersebut?
Penyelesaian:
Q = W + DU
Q = P×DV
+ DU
Q = 2×105 N/m2 ×
(0,1 m3 -
0,08 m3) + 1500 J
Q = 0,04×105 J +
1500 J
Q = 4000 J + 1500 J
Q
= 5500 J
5. Gas
Helium sebanyak 14 mol mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya naik dari
2,0 atm menjadi 3,0 atm. Pada keadaan awal suhu gas helium sebesar 187 °C. Tentukan
banyaknya kalor gas tersebut!
Penyelesaian:
·
Keadaan
Isokhorik:
·
Q
= CV×DT
B. Hukum Termodinamika II
6. Sebuah mesin Carnot
mengambil 2500 J panas dari reservoir pada 500 K, melakukan kerja, dan membuang
sejumlah panas ke reservoir pada 325 K. Berapa banyak kerja yang dilakukan?
Penyelesaian:
·
Mencari panas yang terbuang
·
Menentukan banyak kerja yang dilakukan
ร W = QH +
QC
ร W = 2500 J + (-1625 J)
ร W = 875 J
7. Sebuah mesin pesawat mengambil 9200 J panas
dan membuang 6000 J setiap siklus. a) Berapa kerja mekanik keluaran dari mesin
setiap siklus? b) Berapa efisiensi termal dari mesin?
Penyelesaian:
a)
Menghitung kerja mekanik keluaran dari mesin
setiap siklus
ร W = QH +
QC
ร W = 9200 J + (-6000 J)
ร W = 3200 J
b)
Menghitung efisiensi termal dari mesin
8. Sebuah mesin mobil
memiliki efisiensi 25,0% dan menghasilkan kerja sebesar 2820 J. Hitung jumlah
kalor yang dibuang oleh mesin itu.
Penyelesaian:
·
Mencari kalor panas
yang diambil
·
Menghitung kalor yang
dibuang
ร
W = QH
+ QC
ร
2820 J = 11280 J + QC
ร QC = -8460 J
9. Sebuah mesin
pendingin memiliki kalor pendingin sebanyak 3160 J dan membutuhkan kerja
sebesar 3792 J. Berapakah efisiensi oleh mesin itu?
Penyelesaian:
10. Sebuah mesin Carnot
melakukan kerja rata-rata 440 kW sementara menggunakan kalor sebanyak 2856 kJ
per detik. Jika temperatur sumber kalor adalah 570 ยบC, pada temperatur berapa
kalor pembuangan dikeluarkan?
Penyelesaian:
·
Kerja sebuah mesin: W =
440 kW × 1 s = 440 kJ
·
Kalor yang dibutuhkan
mesin: QH = 2856 kJ per detik × 1 s = 2856 kJ
·
Mencari efisiensi mesin
·
Mencari temperatur
kalor pembuangan
C. Entropi
11. Seorang mahasiswa menambahkan
panas ke dalam 0,250 kg es pada 0,0 °C
sampai semuanya meleleh. Berapa perubahan entropi air? (ces = 2100
J/kg.K dan L = 3,34 ´ 105 J/kg)
Penyelesaian:
12. Sebatang aluminium dengan massa
4,00 kg dipanaskan dari suhu 717 °C
sampai 962 °C. Jika kalor jenis aluminium sebesar
910 J/kg.K, hitunglah perubahan entropinya!
Penyelesaian:
13. Gas Argon sebanyak 12 mol
mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya naik dari 4,0 atm menjadi 7,0
atm. Tentukan perubahan entropi gas tersebut jika suhu akhirnya 217 °C!
Penyelesaian:
·
Keadaan Isokhorik:
· Mencari Nilai Perubahan Entropi
14.
Hitunglah perubahan entropi yang terjadi ketika 2,00 kg air 27,0 °C
dicampur dengan 3,00 air pada 77,0 °C!
Penyelesaian:
·
Mencari suhu campuran
·
Menghitung perubahan
entropi
15. Mesin Carnot bekerja pada suhu
tinggi 550 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin melepas kalor 3000
J dengan suhu rendah 375 K. Tentukan
perubahan entropi pada reservoir panas, reservoir dingin, dan perubahan entropi
total!
Penyelesaian:
·
Mencari kalor serap
·
Menentukan perubahan
entropi pada reservoir panas
·
Menentukan perubahan
entropi pada reservoir dingin
·
Menentukan perubahan
entropi total
ร DSTotal
= DSH
+DSC
ร DSTotal
= 8 J/K + (-8 J/K)
ร DSTotal
= 0