HUKUM KE-1 TERMODINAMIKA

Transkripsi

1 HUKUM KE-1 TERMODINAMIKA Soal : 1. Dalam dua percobaan terpisah, suatu gas helium memiliki keadaan awal yang sama (A) dan keadaan akhir yang sama (B) akan tetapi prosesnya berbeda. Percobaan pertama mengikuti jalur yang terdiri dari proses isokhorik dan proses isobarik sedangkan percobaan kedua mengikuti jalur Penyelesaian Pada jalur tersebut proses yang melakukan usaha adalah proses isobarik sedangkan proses isokhorik tidak menghasilakan usaha, sehingga Wa = WV + WP = 0 + (91 kpa)(106 48) x 10-3 m3 = 5,3 kj. Tim Redaksi Dorling Kindersley Jendela IPTEK, Cetakan Pertama. Jakarta: Balai Pustaka. 2. 1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2, gas helium melakukan usaha luar sebesar. Penyelesaian Data : V1 = 1,5 m3 T1 = 27oC = 300 K T2 = 87oC = 360 K P = 2 x 105 N/m2 W = PΔV Mencari V2 :

2 V2/T2 = V1/T1 V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3 W = PΔV = 2 x 105(1,8 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kj Tim Redaksi Dorling Kindersley Jendela IPTEK, Cetakan Pertama. Jakarta: Balai Pustaka. 3. 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) Penyelesaian Data : V2 = 4,5 m3 V1 = 2,0 m3 P = 2 atm = 2,02 x 10 5 Pa Isobaris Tekanan Tetap W = P (ΔV) W = P(V2 V1) W = 2,02 x 10 5 (4,5 2,0) = 5,05 x 10 5 joule Tim Redaksi Dorling Kindersley Jendela IPTEK, Cetakan Pertama. Jakarta: Balai Pustaka. 4. B Suatu gas dalam wadah silinder tertutup mengalami proses seperti pada gambar.tentukan usaha yang dilakukan oleh gas untuk (a) proses AB, (b) proses BC

3 Penyelesaian (a) Usaha dari A ke B sama dengan luas ABDE dan bertanda positif karena arah proses ke kanan (VB > VA). WAB = luas ABDE = AB x BD = (100 25) L x (300 kpa) WAB = (75 x 10-3 m3)(300 x 103)Pa = J. (b) Usaha dari B ke C sama dengan negatif luas BCED proses ke kiri (VC VD). WBC = - luas BCED = - ½ (CE + BD) ED WBC = - ½ ( ) kpa x (100 25) L WBC = - ½ (400) x 103 Pa x 75 x 10-3m3 = J. Saripudin, A., D. Rustiawan K., dan A. Suganda Praktis Belajar Fisika 1 : untuk Kelas XI Sekolah Menengah Atas / Madrasah Aliyah Program Ilmu Pengetahuan Alam. Pusat Perbukuan Departemen Nasional, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta. p Suatu sistem berupa 0,12 mol gas ideal dihubungkan dengan reservoir termal untuk menjaga suhu konstan ( isotermal) pada 9,8ºC. Sistem memiliki volume awal V1 = 1,3 L dan melakukan usaha W = 14 J. Berapakah volume akhir V2 Penyelesaian: Diketahui n = 0,12 mol,

4 T =9, = 283 K, V1 = 1,3 x10-3, dan R = 8,31 J/mol K. W=n RT ln V 2 V 1 atau ln V 2 V 1 = W n RT ln V 2 14 = V 1 0,12 x 8,31 x 283 V 2 V 1 =e 0,05 =1,05 Volume akhir V2 = 1,05 V1 = 1,05 x 1,3 L =1,4 L Tim Redaksi Dorling Kindersley Jendela IPTEK, Cetakan Pertama. Jakarta: Balai Pustaka. 6. Suatu sistem menyerap kalor Q dari lingkungan sebesar 1500 J. Tentukanlah perubahan energi dalam U bila sistem melakukan usaha 2200 J terhadap lingkungan? Penyelesaian: Sesuai dengan perjanjian tanda, maka Q = J (sistem menerima kalor) dan W = (sistem melakukan usaha). Hukum pertama termodinamika menyatakan: U = Q W = =-700 J. Tanda negatif untuk U berarti energi dalam sistem berkurang sebesar 700 J. Ir.Ainie Khuriati R.S.,DEA.2007.TERMODINAMIKA Jurusan Fisika FMIPA Universitas Dipogegoro.Semarang. Universitas Dipogegoro.

5 7. Dalam diagram PV pada gambar ditunjukkan beberapa lintasan (proses) termodinamika. Pada lintasan ab sistem menerima kalor sebesar 150 J, dan pada proses bd sistem menyerap kalor sebesar 600 J. V Tentukanlah (a) perubahan energi dalam untuk proses ab, (b) perubahan energi dalam untuk proses abd, Penyelesaian (a) Tidak ada perubahan volume selama proses ab,sehingga Wab = 0. Kalor Qab = 150 J (sistem menyerap kalor), maka _Uab =_Uab = Qab Wab =150 0 =150 J. (b) Proses bd terjadi pada tekanan tetap, sehingga usaha luar sama dengan Wbd = P(V2 V1) = (8,0x104Pa)(5,0x10-3 m3 2,0x10-3 m3) = 240 J. Total usaha untuk proses abd sama dengan Wabd = Wab + WBD = =240 J Total kalor untuk proses abd sama dengan Qabd =Qab + Qbd = =750 J. Perubahan energi dalam untuk proses abd sama dengan U abd = Qabd Wabd = = 510 J. Ir.Ainie Khuriati R.S.,DEA.2007.TERMODINAMIKA Jurusan Fisika FMIPA Universitas Dipogegoro.Semarang. Universitas Dipogegoro.

6 HUKUM KE-2 TERMODINAMIKA Soal : 1. Sebuah refrigator memiliki rating COP 4. Ruangan beku yang diinginkan membutuhkanlaju pendinginan puncak sebesar Kj/Jam. Berapakah besarnya motor ( dalam daya kuda) yang dibutuhkan untuk refrigator tersebut? Defenisi dari COP untuk refrigator adalah COP R = Q l /W net Maka daya netto yang dibutuhkan adalah W net = Q l = /3600 =2,083 kw atau2,793 hp COP R 4 : Buku Termodinamika Schaum 2. Suatu mesin kalor menghasilkan usaha 2000 Joule dan membuang kalor sebanyak 5000 Joule dalam satu siklus. Efisiensi mesin tersebut adalah Pembahasan Diketahui : Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 2000 Joule Kalor yang dibuang (Q L ) = 5000 Joule Kalor yang diserap (Q H ) = = 7000 Joule Ditanya : Efisiensi mesin kalor (e) e= W Q H e= W Q H = =0,286 e= 2, =28,6 : Buku Termodinamika Schaum

7 3. Sebuah mesin Carnot bekerja dalam suatu siklus antara 727 o C dan 127 o C. Mesin tersebut menyerap kalor 6000 Joule pada reservoir suhu tinggi. Efisiensi mesin dan usaha yang dilakukan oleh mesin dalam satu siklus adalah Pembahasan Diketahui : Suhu tinggi (T H ) = 727 o C = 1000 K Suhu rendah (T L ) = 127 o C = 400 K Kalor yang diserap (Q H ) = 6000 Joule Ditanya : Efisiensi (e) dan usaha (W) yang dilakukan oleh mesin dalam satu siklus Efesiensi mesin carnot e= T H T L T H e= = =0,60 : Buku Termodinamika Schaum e= =60 4. Sebuah mesin kalor di operasikan berdasarkan siklus carnot dengan efesiensi 75 persen. Berapakah COP yang dimiliki sebuag refrigator yang dioperasikan dengan siklus yang sama? temperatur rendahnya adalah 0 o C Efesiensi dari mesin kalor tersebut diberikan melalui e=1 T l /T H T H = T L 1 e = ,75 =1092 K Maka, COP dari refrigator tersebut adalah COP R = T L T H T L = =0,333 K : Buku Termodinamika Schaum 5. Grafik P-V dari sebuah siklus Carnot terlihat seperti gambar berikut. Jika kalor yang dilepas ke lingkungan Joule, maka kalor yang diserap sistem adalah

8 Diketahui : Suhu rendah (T L ) = 500 K Suhu tinggi (T H ) = 800 K Kalor yang dilepaskan (Q 2 ) = 3000 Joule Ditanya : Kalor yang diserap sistem (Q 1 ) Efisiensi mesin Carnot : e= T H T L T H e= e= = 3 8 Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot : W = e Q 1 W = (3/8)(Q 1 ) 8W/3 = Q 1 Q 2 = Q 1 W Q 2 = 8W/3 3W/3 Q 2 = 5W/3 3Q 2 = 5W W = 3Q 2 /5 = 3(3000)/5 = 9000/5 = 1800 Kalor yang diserap sistem : Q 1 = W + Q 2 = = 4800 Joule : Buku Termodinamika Schaum 6. Pada grafik P-V mesin Carnot berikut diketahui reservoir suhu tinggi 600 K dan suhu rendah 400 K. Jika usaha yang dilakukan oleh mesin adalah W, maka kalor yang dikeluarkan pada suhu rendah adalah

9 Diketahui : Suhu rendah (T L ) = 400 K Suhu tinggi (T H ) = 600 K Ditanya : Kalor yang dikeluarkan pada suhu rendah (Q 2 ) Efisiensi mesin Carnot : e= T H T L T H e= e= = 1 3 Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot : W = e Q 1 Keterangan : W = usaha yang dilakukan mesin, e = efisiensi mesin, Q 1 = kalor yang diserap mesin. W = (1/3)(Q 1 ) 3W = Q 1 Kalor yang dikeluarkan pada suhu rendah : Q 2 = Q 1 W Q 2 = 3W W Q 2 = 2W : Buku Termodinamika Schaum 7. Perhatikan grafik siklus Carnot ABCDA di bawah ini. Berdasarkan data pada grafik, efisiensi mesin carnot adalah

10 Pembahasan : Diketahui : Suhu rendah (T L ) = 350 K Suhu tinggi (T H ) = 500 K Ditanya : Efisiensi mesin Carnot (e) Efisiensi mesin Carnot : e= T H T L T H e= e= e= = 3 10 =30 : Buku Termodinamika Schaum