Konsep cara kerja mesin Carnot dikenalkan oleh Sadi Carnot yaitu bahasan mengenai mesin kalor ideal. Mesin kalor banyak dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan dalam kehidupan sehari – hari, misalnya pada lokomotif uap. Pokok bahasan dalam mesin Carnot adalah bagaimana suatu mesin kalor dapat menghasilkan efisiensi tertinggi. Besar usaha dan efisiensi mesin Carnot bergantung pada besar nilai kalor [Q] dan suhu [T] yang terlibat dalam sebuah sistem. Sehingga, bahasan mesin Carnot termasuk dalam termodinamika yaitu cabang ilmu Fisika yang mempelajari hubungan antara panas/kalor dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Mesin Carnot bekerja berdasarkan siklus Carnot yang terdiri dari empat tahapan proses termodinamika. Keempat proses tersebut adalah pemuaian isotermal, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal, dan pemampatan adibatik. Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Sedangkan proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor [Q] yang masuk atau keluar dari sistem. Kalor yang masuk atau yang keluar pada mesin Carnot sebanding dengan suhu mutlaknya. Sehingga, antara nilai kalor dan suhunya terdapat hubungan sebanding [Q2/Q2= T2/T1]. Bagaimana cara menghitung besar usaha [W] yang dilakukan mesin Carnot? Bagaimana cara mengetahui besar efisiensi [η] mesin Carnot? Sobat idschool dapat mencari tahu jawabannya melalui ulasan di bawah. Baca Juga: Penerapan Asas Black untuk Memecahkan Masalah Kalor Proses yang terjadi dalam siklus Carnot adalah sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2. Pada siklus Carnot, proses selalu kembali ke keadaan semula sehingga ΔU = 0. Usaha yang dilakukan mesin Carnot sama dengan luas daerah di dalam siklus suatu sistem. Sehingga, besar usaha [W] yang dilakukan mesin Carnot diberikan seperti berikut. Sebagai contoh, perhatikan permasalahan dan penyelesaian untuk menghitung besar usaha yang dihasilkan mesin Carnot berikut. Suatu mesin Carnot bekerja di antara suhu 600oK dan 300oK serta menerima kalor sebesar 1.000 joule. Berapakah besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus? Diketahui: Sebelum menghitung besar usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus, perlu mengetahui besar kalor yang dilepas terlebih dahulu. Menghitung kalor yang dilepas sistem pada mesin Carnot [Q2]: Menghitung besar usaha yang dilakukan mesin: W = Q1 – Q2W = 1.000 J – 500 J W = 500 J 1. Soal UN Fisika SMA 2012/2013 SA 55 No.18 Pada termodinamika, gas ideal mengalami proses isotermik jika… A. perubahan keadaan gas suhunya selalu tetap B. semua molekul bergerak dengan kecepatan berbeda C. semua keadaan gas suhunya selalu berubah D. pada suhu tinggi kecepatan molekulnya lebih tinggi E. tekanan dan volume gas tidak mengalami perubahan Pembahasan Isotermal atau isotermik artinya suhu tetap. Jawaban yang benar adalah A. 2. Soal UN Fisika SMA 2012/2013 SA 60 No.18 Semua gas ideal mengalami proses isokhorik sehingga… A. semua molekul kecepatannya sama B. pada suhu tinggi kecepatan rata-rata molekul lebih besar C. tekanan gas menjadi tetap D. gas akan melakukan usaha E. tidak memiliki energi dalam Pembahasan Isokhorik = volume tetap. Jawaban yang benar adalah B. 3. Soal UN Fisika SMA 2012/2013 SA 67 No.18 Pernyataan yang benar tentang proses termodinamika adalah… A. isobarik adalah proses perubahan gas pada tekanan tetap B. isobarik adalah proses perubahan gas pada suhu tetap C. isokhorik merupakan proses perubahan gas pada tekanan tetap D. isotermis adalah proses perubahan gas pada volume tetap E. isokhorik adalah proses perubahan gas pada suhu tetap Pembahasan Isobarik = tekanan tetap Isokhorik = volume tetap Isotermis = suhu tetap Jawaban yang benar adalah A. Hukum I Termodinamika4. Soal UN 1999/2000 No. 36 Dari grafik P-V di bawah, besar usaha gas pada proses I dan II berbanding sebagai … B. 3 : 4 C. 2 : 3 D. 1 : 2 E. 1 : 1 Pembahasan Diketahui : Proses 1 : Tekanan [P] = 20 N/m2 Volume awal [V1] = 10 liter = 10 dm3 = 10 x 10-3 m3 Volume akhir [V2] = 40 liter = 40 dm3 = 40 x 10-3 m3 Proses 2 : Tekanan [P] = 15 N/m2 Volume awal [V1] = 20 liter = 20 dm3 = 20 x 10-3 m3 Volume akhir [V2] = 60 liter = 60 dm3 = 60 x 10-3 m3 Ditanya : Jawab : Usaha gas pada proses I : W = P ΔV = P [V2–V1] = [20][40-10][10-3 m3] = [20][30][10-3 m3] = [600][10-3 m3] = 0,6 m3 Usaha gas pada proses II : W = P ΔV = P [V2–V1] = [15][60-20][10-3 m3] = [15][40][10-3 m3] = [600][10-3 m3] = 0,6 m3 Perbandingan usaha gas pada proses I dan II : 0,6 m3 : 0,6 m3 1 : 1 Jawaban yang benar adalah E. 5. Soal UN 2002/2003 Dari grafik P – V, besar usaha gas pada proses I dan II berbanding sebagai … B. 3 : 4 C. 2 : 3 D. 1 : 2 E. 1 : 1 Pembahasan Diketahui : Proses I : Tekanan [P] = 20 Pascal Volume 1 [V1] = 10 liter Volume 2 [V2] = 40 liter Proses II : Tekanan [P] = 15 Pascal Volume 1 [V1] = 20 liter Volume 2 [V2] = 60 liter Ditanya : Perbandingan usaha gas pada proses I dan II Jawab : Proses termodinamika berdasarkan grafik di atas adalah proses isobarik [tekanan tetap]. Usaha yang dilakukan oleh gas pada proses I : W = P [V2 – V1] W = [20][40 – 10] W = [20][30] W = 600 Usaha yang dilakukan oleh gas pada proses II : W = P [V2 – V1] W = [15][60 – 20] W = [15][40] W = 600 Perbandingan usaha gas pada proses I dan II : 600 : 600 1 : 1 Jawaban yang benar adalah E. 6. Soal UN 2009/2010 P70 No.13 Gas helium dipanaskan sesuai grafik PV di bawah ini. Usaha yang dilakukan gas helium pada proses AB adalah… B. 10 joule C. 8 joule D. 4 joule E. 2 joule Pembahasan Diketahui : Tekanan [P] = 2 x 105 N/m2 = 2 x 105 Pascal Volume awal [V1] = 5 cm3 = 5 x 10-6 m3 Volume akhir [V2] = 15 cm3 = 15 x 10-6 m3 Ditanya : Usaha yang dilakukan gas pada proses AB Jawab : W = ∆P ∆V W = P [V2 – V1] W = [2 x 105][15 x 10-6 – 5 x 10-6] W = [2 x 105][10 x 10-6] = [2 x 105][1 x 10-5] W = 2 Joule Jawaban yang benar adalah E. 7. Soal UN 2011/2012 C61 No.19 Perhatikan gambar! Gas ideal melakukan proses perubahan tekanan [P] terhadap volume [V]. Usaha yang dilakukan oleh gas pada proses tersebut adalah… B. 15 Joule C. 10 Joule D. 5 Joule E. 4 Joule Pembahasan Diketahui : Tekanan awal [P1] = 4 Pa = 4 N/m2 Tekanan akhir [P2] = 6 Pa = 6 N/m2 Volume awal [V1] = 2 m3 Volume akhir [V2] = 4 m3 Ditanya : Usaha yang dilakukan oleh gas [W] Jawab : Usaha yang dilakukan gas = luasan di bawah kurva a-b. W = luas segitiga + luas persegi panjang W = ½ [6-4][4-2] + 4[4-2] W = ½ [2][2] + 4[2] W = 2 + 8 W = 10 Joule Jawaban yang benar adalah E. 8. Soal UN 2011/2012 A81 No.19 Suatu gas ideal mengalami proses tertutup A → B → C → A. Dalam suatu siklus gas tersebut melakukan usaha sebesar…. A. −2,0 x 103 B. −5,5 x 103 J C. −8,0 x 105 J D. 2,0 x 106 J E. 4,0 x 106 J Pembahasan Usaha [W] = luasan kurva [luasan segitiga di dalam garis bertanda panah]. W = ½ [20-10][6 x 105 – 2 x 105] W = ½ [10][4 x 105] W = [5][4 x 105] W = 20 x 105 = 2 x 106 Joule Jawaban yang benar adalah D. Mesin Kalor9. Soal UN 2005/2006 Sebuah mesin menyerap panas sebesar 2.000 Joule dari suatu reservoir suhu tinggi dan membuangnya sebesar 1.200 Joule pada reservoir suhu rendah. Efisiensi mesin itu adalah …. A. 80 % B. 75 % C. 60 % D. 50 % E. 40 % Pembahasan Diketahui : Kalor yang diserap [QH] = 2000 Joule Kalor yang dibuang [QL] = 1200 Joule Usaha yang dihasilkan mesin [W] = 2000 – 1200 = 800 Joule Ditanya : Efisiensi mesin kalor [e] Jawab : Rumus efisiensi mesin kalor : e = W / QH = 800/2000 = 0,4 x 100% = 40% Jawaban yang benar adalah E. Mesin Carnot10. Soal UN 2000/2001 Efisiensi mesin Carnot yang tiap siklusnya menyerap kalor pada suhu 960 K dan membuang kalor pada suhu 576 K adalah … A. 40 % B. 50 % C. 56 % D. 60 % E. 80 % Pembahasan Diketahui : Suhu tinggi [TH] = 960 K Suhu rendah [TL] = 576 K Ditanya : Efisiensi mesin Carnot [e] Jawab : Efisiensi mesin Carnot adalah 0,4 x 100% = 40% Jawaban yang benar adalah A. 11. Soal UN 2003/2004 Pada grafik PV mesin Carnot di bawah ini, W = 6.000 Joule. Banyak kalor yang dilepas oleh mesin tiap siklus adalah … B. 3.000 joule C. 3.750 joule D. 6.000 joule E. 9.600 joule Pembahasan Diketahui : Usaha [W] = 6000 Joule Suhu tinggi [TH] = 800 Kelvin Suhu rendah [TL] = 300 Kelvin Ditanya : Q Jawab : Efisiensi mesin kalor ideal [mesin Carnot] : Kalor yang diserap oleh mesin Carnot : W = e Q1 6000 = [0,625] Q1 Q1 = 6000 / 0,625 Q1 = 9600 Kalor yang dilepas oleh mesin Carnot : Q2 = Q1 – W Q2 = 9600 – 6000 Q2 = 3600 Joule Tidak ada jawaban yang benar. 12. Soal UN 2006/2007 Sebuah mesin Carnot yang memiliki efisiensi 40% menggunakan reservoir panas yaag bersuhu 727°C. Tentukan suhu reservoir dingin! A. 327°C B. 357°C C. 400°C D. 600°C E. 627°C Pembahasan Diketahui : Efisiensi [e] = 40% = 40/100 = 0,4 Suhu tinggi [TH] = 727oC + 273 = 1000 K Ditanya : Tentukan suhu reservoir dingin Jawab : Suhu reservoir adalah 600–273 = 327oC Jawaban yang benar adalah A. 13. Soal UN 2007/2008 Grafik P –V dari sebuah mesin Carnot terlihat seperti gambar berikut! Jika mesin menyerap kalor 800 J, maka usaha yang dilakukan adalah… B. 252,6 J C. 336,6 J D. 466,7 J E. 636,7 J Pembahasan Diketahui : Suhu tinggi [TH] = 600 Kelvin Suhu rendah [TL] = 250 Kelvin Kalor yang diserap [Q1] = 800 Joule Ditanya : Usaha [W] Jawab : Efisiensi mesin kalor ideal [mesin Carnot] : Usaha yang dilakukan adalah : W = e Q1 W = [7/12][800 Joule] W = 466,7 Joule Jawaban yang benar adalah D. 14. Soal UN 2008/2009 P04 No.18 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 Pembahasan Diketahui : Suhu rendah [TL] = 400 K Suhu tinggi [TH] = 600 K Kalor yang diserap [Q1] = 600 Joule Ditanya : Usaha yang dihasilkan mesin Carnot [W] Jawab : Efisiensi mesin kalor ideal [mesin Carnot] :Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot :W = e Q1 W = [1/3][600] = 200 Joule Jawaban yang benar adalah E. Teori Kinetik Gas dan Termodinamika 15. Soal UN fisika SMA/MA 2014/2015 No.15 Dalam suatu tangki terdapat gas ideal volume 4 liter, suhu 27oC dan tekanan 3 atm [1 atm = 105 N.m-2]. Gas mengalami proses pemanasan pada tekanan tetap sampai suhu 87oC. Kapasitas kalor gas nilainya 9 J.K-1 . Besar volume akhir gas dan perubahan energi dalam gas berturut-turut adalah… A. 4,2 liter, ΔU = 200 Joule B. 4,4 liter, ΔU = 240 Joule C. 4,6 liter, ΔU = 280 Joule D. 4,8 liter, ΔU = 300 Joule E. 4,8 liter, ΔU = 360 Joule Pembahasan Proses isobarik [tekanan tetap] Diketahui : Volume awal gas ideal [V1] = 4 liter Suhu awal gas ideal [T1] = 27oC + 273 = 300 K Suhu akhir gas ideal [T2] = 87oC + 273 = 360 K Tekanan gas ideal [P] = 3 atm = 3 x 105 N.m-2 Kapasitas kalor gas [C] = 9 J.K-1 Ditanya : Volume akhir gas [V2] dan Perubahan energi dalam gas [ΔU] Jawab : Hitung Volume akhir menggunakan rumus hukum Charles [proses isobarik atau tekanan konstan] : Perubahan Volume : 1 liter = 0,001 m3 Volume awal [V1] = 4 [0,001 m3] = 0,004 m3 Volume akhir [V2] = 4,8 [0,001 m3] = 0,0048 m3 Perubahan volume [ΔV] = V2 – V1 = 0,0048 m3 – 0,004 m3 = 0,008 m3. Perubahan Suhu : Perubahan suhu [ΔT] = T2 – T1 = 360 K – 300 K = 60 K Hitung perubahan energi dalam [ΔU] gas ideal menggunakan rumus hukum I Termodinamika : ΔU = Q – W Keterangan : ΔU = perubahan energi dalam, Q = kalor, W = usaha. Hitung usaha [W] pada tekanan tetap : W = P ΔV = [3 x 105][0,0008] = [3 x 101][8] = [30][8] = 240 Joule Hitung kalor [Q] menggunakan rumus kapasitas kalor [C] : C = Q / ΔT Q = [C][ΔT] = [9][60] = 540 Joule Hitung perubahan energi dalam : ΔU = Q – W = 540 Joule – 240 Joule = 300 Joule. Jawaban yang benar adalah D. 16. Soal UN fisika SMA/MA 2014/2015 No.15 Dalam suatu tangki terdapat 6 liter gas ideal bertekanan 2 atm [1 atm = 105 N.m-2], suhu 27oC. Gas dipanaskan sampai suhu 77oC pada tekanan tetap. Jika kapasitas kalor gas 5 J.K-1, volume akhir dan perubahan energi dalam gas masing-masing adalah…. A. 8 liter; ΔU = 250 Joule B. 8 liter; ΔU = 200 Joule C. 7 liter; ΔU = 100 Joule D. 7 liter; ΔU = 50 Joule E. 7 liter; ΔU = 20 Joule Pembahasan Proses isobarik [tekanan tetap] Diketahui : Volume awal gas ideal [V1] = 6 liter Suhu awal gas ideal [T1] = 27oC + 273 = 300 K Suhu akhir gas ideal [T2] = 77oC + 273 = 350 K Tekanan gas ideal [P] = 2 atm = 2 x 105 N.m-2 Kapasitas kalor gas [C] = 5 J.K-1 Ditanya : Volume akhir gas [V2] dan Perubahan energi dalam gas [ΔU] Jawab : Hitung Volume akhir menggunakan rumus hukum Charles [proses isobarik atau tekanan konstan] : Perubahan Volume : 1 liter = 0,001 m3 Volume awal [V1] = 6 [0,001 m3] = 0,006 m3 Volume akhir [V2] = 7 [0,001 m3] = 0,007 m3 Perubahan volume [ΔV] = V2 – V1 = 0,007 m3 – 0,006 m3 = 0,001 m3. Perubahan Suhu : Perubahan suhu [ΔT] = T2 – T1 = 350 K – 300 K = 50 K Hitung perubahan energi dalam [ΔU] gas ideal menggunakan rumus hukum I Termodinamika : ΔU = Q – W Keterangan : ΔU = perubahan energi dalam, Q = kalor, W = usaha. Hitung usaha [W] pada tekanan tetap : W = P ΔV = [2 x 105][0,001] = [2 x 102][1] = [200][1] = 200 Joule Hitung kalor [Q] menggunakan rumus kapasitas kalor [C] : C = Q / ΔT Q = [C][ΔT] = [5][50] = 250 Joule Hitung perubahan energi dalam : ΔU = Q – W = 250 Joule – 200 Joule = 50 Joule. Jawaban yang benar adalah D. Proses Termodinamika17. Soal UN fisika SMA/MA 2014/2015 No.16 Perhatikan grafik di samping dan pernyataan-pernyataan berikut! [1] Proses AB isobarik dan W = P [V2 – V1 [2] Proses BC adalah adiabatik, dan ΔU = Q [3] Proses BC adalah isokhorik, dan ΔU = Q [4] Proses CA isotermis, dan sistem menyerap kalor Pernyataan yang benar adalah… A. [1] dan [3] B. [1] dan [4] C. [2] dan [3] D. [2] dan [4] E. [3] dan [4] Pembahasan [1] Proses AB isobarik dan W = P [V2 – V1] Isobarik = tekanan tetap. Tekanan tetap ditandai dengan garis lurus sepanjang P1 dari A ke B. Pada proses ini, tekanan tetap tetapi ada perubahan volume di mana volume bertambah. Apabila volume bertambah maka sistem melakukan usaha pada lingkungan, di mana besar usaha [W] merupakan hasil perkalian tekanan [P] dan perubahan volume [ΔU]. [3] Proses BC adalah isokhorik, dan ΔU = Q Isokhorik = volume tetap. Volume tetap ditandai dengan garis lurus sepanjang V2 dari B ke C. Pada proses ini, volume tetap tetapi ada perubahan tekanan di mana tekanan bertambah. Volume tetap sehingga tidak ada usaha yang dilakukan, di mana W = 0. Rumus hukum I Termodinamika adalah ΔU = Q – W, di mana ΔU = perubahan energi dalam, Q = kalor dan W = usaha. Apabila tidak ada usaha maka W = 0, sehingga ΔU = Q. Jawaban yang benar adalah A. 18. Soal UN fisika SMA/MA 2014/2015 No.16 Perhatikan grafik siklus termodinamika berikut! Dari pernyataan berikut : [1] A – B = isokhorik, usaha bergantung pada perubahan suhu [2] B – C = adiabatik, tidak ada perubahan kalor [3] B – C = isobarik, usaha bergantung pada perubahan volume [4] C – A = proses terjadi dengan usaha dari luar sistem Yang benar adalah… A. [1] dan [2] B. [1] dan [3] C. [2] dan [3] D. [2] dan [4] E. [3] dan [4] Pembahasan [1] A – B = isokhorik, usaha bergantung pada perubahan suhu Benar, proses ini isokhorik [volume tetap]. Tetapi volume tetap sehingga tidak ada usaha. Usaha terjadi bila ada perubahan volume. Jadi pernyataan ini salah. [3] B – C = isobarik, usaha bergantung pada perubahan volume Isobarik = tekanan tetap. Tekanan tetap ditandai garis lurus dari B ke C. Pada proses ini terdapat perubahan volume sistem, di mana volume sistem bertambah. Volume sistem bertambah artinya sistem melakukan usaha pada lingkungan. [4] C – A = proses terjadi dengan usaha dari luar sistem Pada proses ini, volume sistem berkurang dan tekanan sistem berkurang. Volume sistem berkurang artinya lingkungan melakukan usaha pada sistem. Dengan kata lain, terdapat usaha dari luar sistem. Jawaban yang benar adalah E. Video yang berhubungan |
Perhatikan gambar berikut no 14 besar usaha yg dilakukan mesin dalam satu siklus adalah
Pos Terkait
Copyright © 2024 idkuu.com Inc.
