Soal Dan Pembahasan Mengenai Termodinamika 050917

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

1. Dari gambar dibawah ini tentukanlah perjuangan 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 dapat dilihat pada gambar pertama. Untuk usahanya ialah luas dari kawasan 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 perjuangan dari b ke c volumenya tetap. Artinya perjuangan = 0 (Gambar di atas salah, seharusnya garis merah dari b ke c.

c) perjuangan 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 pribadi ialah 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 ialah siklus mesin kalor. Berapakah perjuangan mesin tersebut.

Pembahasan:

Untuk mencari perjuangan total mesin tersebut kita cukup mencari luas persegi yang ada. Panjang persegi ialah 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 ialah 60 J. Maka hitunglah

a) Kalor yang dibuang
b) Usaha
c) Efisiensi
d) Suhu pada reservoir rendah kalau 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 ialah suhu yang ditanya ialah kalor, maka dipakai 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 perkiraan 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 ialah 4,5. Berapakah energi listrik yang diharapkan 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
$C_p= \frac {T_2}{T_1-T_2} \\ C_p= \frac {270}{300-270}= 9$


Sumber http://www.marthamatika.com/

Share :