Soal Termodinamika dan Pembahasan

1. Sebuah botol berisi gas oksigen dipakai pekerja las. Volume botol 40 liter. Mula-mula tekanan gas di dalam botol 120 atm. Setelah terpakai untuk mengelas, tekanannya menjadi 100 atm. Berapa liter gas dengan tekanan 1 atm yang terpakai untuk pekerjaan las tadi?

Pembahasan :

Volume awal, V₁ =40 L 

Tekanan awal, P₁ =120 atm 

Tekanan menjadi, P₂ = 100atm 

Volume menjadi, V₂ =?

 

Gunakan persamaan gas

P₁.V₁ = P₂.V₂ 

120.40 = 100.V₂

V₂ = 48 L

Volume terpakai = 48 - 40 = 8 L 

2. Sebuah piston mengandung 0,05 mol gas ideal pada suhu 27°C. Tekanan gas sebesar 10⁵ Pa. Proses selanjutnya, gas dipanaskan hingga suhunya mencapai 77°C dan volume piston bertambah pada tekanan konstan. Maka usaha yang telah dilakukan oleh gas sebesar . . .

A. 12,8 joule

B. 20,8 joule

C. 25,6 joule

D. 29,3 joule

E. 33,3 joule

Pembahasan :

Banyak mol, n = 0,05 mol

suhu awal, T₁ = 27°C = 300K

suhu akhir, T₂ = 77°C = 350K

 

Usaha dapat dicari dg rumus

W = n R (T₂-T₁)

W = (0,05)(8,31)(350-300)

W = 20,8 J

3. 5 kg gas N₂ dipanaskan pada tekanan tetap sehingga suhunya naik dari 10°C menjadi 130°C. Jika Cv= 0,177 kal/g°C dan Cp= 0,248 kal/g°C. Tentukan:

a. Kenaikan energi dalam

b. Usaha luar yang dilakukan gas

Pembahasan :

Massa, m  = 5 kg = 5000 gr

Perubahan suhu, ΔT = 130° - 10° = 120°C

Kapasitas pada tekanan tetap, Cp = 0,248 kal/gr°C

a. Kenaikan energi dalam

ΔU = m Cp ΔT

ΔU =  (5000)(0,248)(120)

ΔU =  148800 kal

ΔU = 148,8 kkal

 

b. Usaha luar yang dilakukan gas

Saat proses isobarik (Q = 0) karena tidak ada kalor masuk atau keluar.

Sehingga, usaha luar: W = ΔU = 148,8 kkal

4. Sebuah mesin kalor kecil menjalani siklus seperti gambar dibawah ini.

P₁ = 1,2 . 10⁵ Pa

P₂ = 7,2 . 10⁵ Pa

V₁ = 2,5 . 10⁻⁴ Pa

V₂ = 2 . 10⁻³ Pa

 

Berapakah:

a. Usaha yang dilakukan mesin tiap proses

b. Usaha yang dilakukan mesin 1 siklus

c. Jika mesin bekerja 6 siklus per sekon, berapakah daya keluaran mesin tersebut?

Pembahasan :

a. Usaha tiap proses

Proses isokhorik/Volume tetap

Usaha: W_A-B =  0

 

Proses isobarik/Tekanan tetap

Usaha: W_B-C = P.ΔV

W_B-C = (7,2 . 10⁵)(2 - 0,25)10⁻³

W_B-C = 12,6 . 10²

W_B-C = 12600 J

 

Proses isotermal/Suhu tetap

Usaha: W_C-A = n.R.T Ln V₂/V₁

 

b. Usaha 1 siklus

Luas grafik = (AB × BC)/2

Usaha = Luas grafik

W = ½ alas × tinggi

W = ½ [(7,2 - 1,2) . 10⁵]((2-0,25) . 10^-3]

W = 525 J

 

c. Daya keluaran

P = W/t

P = 6 (525)/1

P = 3150 Watt

5. Sebanyak 1 liter  gas ideal bersuhu 27°C mengalami pemanasan isobarik pada tekanan 3 atm hingga suhu 117°C. Jika kapasitas kalor gas ideal 8,0 J/K, maka volume akhir gas ideal dan perubahan energi dalamnya berturut-turut adalah . . .

Pembahasan :

Volume awal, V₁ = 1 L               

Suhu awal, T₁ = 27°C = 300 K          

Suhu akhir, T₂ = 117°C = 390 K

Tekanan, p = 3 atm = 3×10⁵ Pa

Proses isobarik (tekanan tetap, p₁ = p₂ = p)

Kapasitas kalor, C = 8 J/K

Volume akhir, V₂ =  ?

Perubahan energi dalam, ΔU = ?

Untuk menghitung volume akhir dapat dicari dengan persamaan berikut. 

V₁/T₁ = V₂/T₂

1/300 = V₂/390

     V₂ = 1,3 L

 

Perubahan energi dapat dihitung dari rumus berikut.

ΔU = Q - W

 

dimana,

*Usaha

W = p ΔV

W = 3×10⁵ (1,3 - 1)×10⁻³

W = 90 J

*Kalor

Q = C ΔT

Q = (8) (390 - 300)

Q = 720 J

 

Sehingga, energi dalam diperoleh

ΔU = Q - W

ΔU = 720 - 90

ΔU = 630 J

 

6. Hitunglah usaha yang dilakukan oleh gas pada gambar ini.

 

Pembahasan:

Usaha = Luas segitiga

W = ½ × alas-BC × tinggi

W = ½ (10 - 6)(8 - 2) ×10⁵

W = ½ (4)(6)(10⁵) 

W = 12 × 10⁵ J

Share :