Soal dan Pembahasan Mengenai Termodinamika 050917

martha yunanda fisika

Pada kesempatan kali ini akan dibahas mengenai soal termodinamika. Contoh soal ini ditujukan agar mempermudah kamu dalam mempelajari fisika kelas XI untuk topik termodinamika. Bagian ini kita akan lihat mengenai cara menghitung usaha pada mesin kalor, Efisiensi mesin Carnot dan Koefisien performansi.

1. Dari gambar dibawah ini tentukanlah usaha dari

a) a ke b
b) b ke c
c) a ke c melewati b
d) a ke c langsung

Penyelesaian:

a) Usaha dari a ke b bisa dilihat pada gambar pertama. Untuk usahanya adalah luas dari daerah yang diarsir (berbentuk trapesium).
$L=W=  \frac {100 x 10^{3} Pa+180x10 ^{3} Pa} {2} .6 m^3 \\ L=W = 8,4x10^5 J$

b) Untuk usaha dari b ke c volumenya tetap. Artinya usaha = 0 (Gambar di atas salah, seharusnya garis merah dari b ke c.

c) usaha dari a ke c melalui c adalah
$W_{ac} = W_{ab}+W_{bc} = 8,4x10^5 +0 = 8,4x10^5J$

d) Usaha dari a ke c langsung adalah luas yang ditunjukkan oleh gambar ke 4. Persegi panjang dengan panjang 6m$^3$ dan lebar 100 kPa.
$W=L = 6m^3x100x10^3Pa = 6x10^5J$

2. Grafik p-V dibawah ini adalah siklus mesin kalor. Berapakah usaha mesin tersebut.

Pembahasan:

Untuk mencari usaha total mesin tersebut kita cukup mencari luas persegi yang ada. Panjang persegi adalah 3 dan lebar $2x10^{-5}$. Jadi,

$W=L= 3x2x10^{-5} = 6x10^{-5}$

3. Sebuah mesin Carnot dengn reservoir tinggi $127^0C$ sementara suhu pada reservoir rendah $27^0C$. Bila kalor yang diserap adalah 60 J. Maka hitunglah

a) Kalor yang dibuang
b) Usaha
c) Efisiensi
d) Suhu pada reservoir rendah jika diinginkan Efisiensi 30%

Penyelesaian:
Untuk suhu semua dijadikan dalam Kelvin terlebih dahulu.
Suhu pada reservoir tinggi = 127+273 = 400 K.
Suhu pada reservoir rendah = 27 +273= 270 K.
Q1 = 60 J.
$\eta = \frac {Q_1-Q_2}{Q_1}= \frac {W}{Q_1} = \frac{T_1-T_2}{T_1}$
Dimana $\eta = efisiensi \\ Q_1= kalor masuk \\ Q_2 = Kalor lepas \\ T_1 = suhu tinggi \\ T_2 = Suhu rendah$

a) Dari soal yang diketahui adalah suhu yang ditanya adalah kalor, maka digunakan rumus bagian:

$\frac {Q_1-Q_2}{Q_1}=  \frac{T_1-T_2}{T_1}  \\ \frac {60J-Q_2}{Q_1}=  \frac{400-300}{400}  \\ Q_2 =45 J$

b) $W= Q_1-Q_2 = 60 J -45 J=15 J$

c) $\eta = \frac {Q_1-Q_2}{Q_1} \\  \eta = \frac {15}{60} \\  \eta = \frac {1}{4} = 25$%

d) 30% = 0,3 dengan asumsi reservoir tinggi suhunya tetap.

 $\eta = \frac{T_1-T_2}{T_1}  \\  0,3 = \frac{400-T_2}{400}  \\  0,3 = \frac{400-T_2}{400} \\ T_2 = 280 K$ 

4. Efisiensi mesin Carnot 1/6. Ketika suhu direservoir rendah dikurangi menjadi $65^0C$ Efisiensi naik menjadi 1/3. Berapakah suhu reservoir rendah dan reservoir pada mesin tersebut? Untuk menjawab ini silahkan dicoba dengan cara penyelesaian (2d). Jawaban Akhir 390 K.

5. Koefisien Performansi kulkas adalah 4,5. Berapakah energi listrik yang dibutuhkan untuk memindahkan 3000 J kalor dari makanan ke kulkas?
Penyelesaian:
Rumus untuk koefisien performansi mesin pendingin
$C_p= \frac {Q_2}{Q_1-Q_2} = \frac {T_2}{T_1-T_2} = \frac {Q_2}{W}$
 $Q_2 = 3600 J \\ C_p=4,5$
Karena diketahui Q2 dan Cp, kita gunakan rumus Usaha (Ingat:sebagai bentuk perubahan energi.)

$C_p=  \frac {Q_2}{W} \\ 4,5 = \frac {3600}{W} \\ W = 800 J$

6. Mesin pendingin yang bekerja pada suhu $-3^0C$ dan $27^0C$. Hitunglah koefisien performansi dari mesin tersebut.
Penyelesaian: Suhu masih pada Kelvin,
T2 = 27+273 = 300 K
T1= -3+273 = 270 K
$C_p= \frac {T_2}{T_1-T_2} \\ C_p= \frac {270}{300-270}= 9$

Share on Facebook

Share on Twitter

Share on LinkedIn