Langsung ke konten utama

Rangkuman Fisika Kelas 11 SMA/MA Semester 2 - Bab Termodinamika & Contoh Soal


Rangkuman Fisika
Kompetensi Dasar : Termodinamika
  1. Usaha dan Proses-proses dalam Termodinamika
  2. Hukum I Termodinamika dan Kapasitas Kalor Gas
  3. Siklus Termodinamika dan Hukum II Termodinamika 
 Peta Konsep termodinamika
 A. Usaha dan Proses-Proses dalam Termodinamika

Termodinamika adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Kalor diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakan perubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidak disebabkan oleh perubahan suhu.
Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yakni sebagai berikut :
§  Sistem terbuka
Sistem yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya.
§  Sistem tertutup
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan.
§  Sistem terisolasi
Sistem terisolasi ialah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya.

1. Usaha

è Dapat diperoleh dengan mengubah keadaan suatu gas.
Usaha yang dilakukan gas sebesar :
W = Fs ßà W = F Dh
W = p A Dh
Hasil kali antara luas penampang dengan besar perubahan posisi piston tak lain adalah perubahan volume (A Dh = DV). Dengan demikian, persamaannya menjadi :
W = p DV
Jika   W(+) à gas melakukan usaha (V2 > V1)
          W(-) à gas menerima usaha dari luar (V2 < V1)

2. Proses-Proses dalam Termodinamika
a.    Isobarik
è Proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap. Secara grafik, usaha yang dilakukan pada proses isobarik adalah luas daerah yang diarsir pada Gambar. Usaha yang dilakukan :

W = p DV = p(V2-V1)
Keterangan :
V1 = volume awal (m^3)
V2 = volume akhir (m^3)
p = tekanan gas (N/m^2)



b.    Isotermik
è Perubahan keadaan sistem pada suhu tetap. Usaha yang dilakukan sistem merupakan luas di bawah grafik p-V pada gambar. Usaha pada proses isotermik dirumuskan :

W = nRT In (V2/V1)
Keterangan :
n = jumlah mol
R = 8,314 J/molK
T = suku mutlak (K)



c.    Isokhorik
è Proses perubahan keadaan system pada volume tetap. Grafik p-V pada proses isokhorik dinyatakan oleh gambar. Usaha pada proses isokhorik bernilai nol karena volume system tidak berubah.

W = p DV = p (0) = 0



d.    Adiabatik
è Proses perubahan sistem tanpa ada kalor yang masuk maupun keluar. Persamaan yang berlaku pada prose adiabatik, sebagai berikut :

p1 V1^g = p2 V2^g
T1 VI ^(g-1) = T2 V2^(g-1)
Keterangan :
g = konstanta Laplace = cp/cv
Cp = kalor jenis pada tekanan tetap (J/kg K)
Cv = kalor jenis pada volume tetap (J/kg K)



Usaha yang dilakukan dalam proses adiabatik hanya untuk mengubah energi daam (DU). Besarnya usaha pada proses adiabatik dapat dinyatakan sebagai berikut.
W = 1/(g-1) (p1V1 –p2V2) = 3/2 nR(T1-T2)
W = -DU = -ncv*(T2 – T1) = ncv*(T1 – T2)
Dengan cv* = kalor jenis molar pada volume tetap.
A.   Hukum I Termodinamika dan Kapasitas Kalor Gas

1.    Hukum I Termodinamika
è Menyatakan bahwa “Sejumlah kalor Q yang diterima dan usaha W yang dilakukan terhadap gas dapat digunakan untuk mengubah energi dalam“
Secara sistematis dapat dituliskan :
Q = DU + W
Dengan ketentuan, jika :
Q(+) à sistem menerima kalor
Q(-) à sistem melepas kalor
W(+) à sistem melakukan usaha
W(-) à sistem dikenai usaha
DU(+) à terjadi penambahan energi dalam
DU(-) à terjadi penurunan energi dalam
a.    Isotermik
Perubahan energi dalam DU pada proses ini sama dengan nol sehingga persamaan menjadi seperti berikut.
DU = Q – W
0 = Q – W
Q = W
Q = nRT In(V2/V1)

b.    Isokhorik
Usaha pada proses isokhorik bernilai nol sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut.
DU = Q – W
DU = Q – 0
DU = Q

c.    Isobarik
Usaha pada proses isobarik adalah W = p(V2-V1) sehingga hokum I Termodinamika menghasilkan persamaan sebagai berikut.
DU = Q – W
DU = Q – p(V2-V1)

d.    Adibatik
Pada proses ini Q  = 0, sehingga persamaannya menjadi seperti berikut.
DU = Q – W
DU = 0 – W
DU= -W atau W = -DU = -3/2 n R(T2-T1) = -3/2 n R(T1-T2)

2.    Kapasitas Kalor Gas
a.    Konsep Kapasitas Kalor Gas
è Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar satu kelvin atau satu derajat celcius. Secara sistematis dapat ditulis:
C = Q/DT dengan C = kapasitas kalor (J/K atau J/
è Kalor jenis adalah kapasitas kalor tiap satuan massa. Secara sistematis dapat ditulis :
c = C/m dengan c = kalor jenis (J/kg K atau J/kg
è Kalor jenis molar adalah kapasitas kalor tiap mol, dinyatakan :
c* = C/n dengan c* = kalor jenis molar

b.    Macam-Macam Kapasitas Kalor
Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap Cp adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar satu kelvin dan tekanan tetap. Persamaannya :
Cp = Qp/DT
Kapasitas kalor gas pada volume tetap Cv adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar satu kelvin pada volume tetap. Persamaannya :
Cv = Qv/DT
Hubungan Cp dan Cv :
Cp – Cv = nR
Dari berbagai persamaan yang telah dijelaskan sebelumnya, usaha dapat dinyatakan :
W = pDV = p(V2-V1)
W = nRDT = nR(T2-T1)
W = Qp – Qv = (Cp – Cv)DT
Untuk kalor jenis molar, persamaan sistematisnya :
cp* = cv* + R
Gas monoatomik cp* = 5/2 R
Gas diatomik cp* = 7/2 R




B.   Siklus Termodinamika dan Hukum II Termodinamika

1.    Pengertian Siklus
Siklus adalah serangkaian proses yang dimulai dari suatu keadaan awal dan berarkhir pada keadaan yang sama dengan keadaan awalnya. Agar dapat melakukan usaha terus menerus, suatu sistem harus bekerja dalam satu siklus. Ada dua macam siklus yaitu siklus reversible (siklus balik) dan irreversible (siklus yang tidak dapat balik).

2.    Siklus Carnot
Ada empat proses dalam siklus Carnot, yaitu :
a.    Pemuaian secara isotermik (1-2)
b.    Pemuaian secara adiabatic (2-3)
c.    Pemampatan secara isotermik (3-4)
d.    Pemampatan secara adiabatic (4-1)

3.    Mesin Kalor Carnot

a.    Siklus 1-2
è Gas menyerap kalor Qt pada temperatur Tt. Suhu sistem sama dengan suhu reservoir panas sehingga disebut proses isotermik. Gas memuai dan melakukan usaha pada pengisap. Oleh karena energi dalam tetap, usaha yang dilakukan pada sistem sama dengan kalor yang diserap.

b.    Siklus 2-3
è Beban pengisap dikurangi sehingga gasb memuai menurut proses adiabatic. Terjadi pengurangan energi dalam dan suhu system menurun sampai sama dengan suhu pada reservoir Tr.

c.    Siklus 3-4
è Gas mengalami penyusutan secara isotermik dengan membuang kalor Qr pada reservoir dingin pada temperatur Tr sehingga usahanya negatif (usaha dilakukan pada sistem).

d.    Siklus 4-1
è Beban pengisap ditambah sehingga gas menyusut menurut proses adiabatic. Terjadi penambahan energi dalam dan suhu naik sampai sama dengan suhu pada reservoir panas Tt. Energi dalam gas kembali seperti pada awal siklus.

Usaha pada mesin pemanas Carnot :
W = Qt – Qr

Karakteristik mesin kalor Carnot dinyatakan dengan efisiensi mesin (h) yaitu perbandingan antara usaha yang dilakukan dengan kalor yang diserap. Secara sistematis ditulis :
h = W/Qt . 100%
h= (Qt-Qr)/Qt . 100%
h = (1- Qr/Qt) . 100%

Efisiensi mesin kalor jenis apapun selalu lebih kecil dari efisiensi mesin ideal atau mesin Carnot. Kalor (Q) sebanding dengan suhu (T) sehingga dapat dituliskan :
Qr/Qt = Tr/Tt
Sehingga efisiensi juga dapat dituliskan :
h = (1 – Tr/Tt) . 100%
Keterangan :
h = efisiensi mesin
Tr = temperatur pada reservoir rendah
Tt = temperatur pada reservoir tinggi
Qr = kalor yang dibuang pada reservoir rendah
Qt = kalor yang diserap pada reservoir tinggi

a)    Mesin pendingin Carnot
Siklus mesin pendingin Carnot merupakan kebalikan siklus mesin kalor Carnot karena siklusnya reversible (dapat balik).
Usaha pada mesin pendingin Carnot dapat dituliskan :
W = Qt – Qr
Karakteristik pada mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien perfomansi atau koefisien kinerja yang simbolnya Kd. Koefisien kinerja didefinisikan sebagai perbandingan antara kalor yang dipindahkan dengan usaha yang dilakukan sistem. Secara sistematis dapat dituliskan :
Kd = Qr/W = Qr/(Qt-Qr)
Kd = Tr/(Tt-Tr)
Kd = 1/h - 1
Keterangan :
Kd = koefisien kinerja mesinn pendingin
Qr = kalor yang dipindahkan dari reservoir rendah
Qt = kalor yang dibuang ke reservoir panas

b)    Mesin Pemanas Carnot
Karakteristik mesin pemanas dinyatakan dengan koefisien kerja yang simbolnya Kp. Secara sistematis dapat dituliskan :
Kp = Qt/W = Qt/(Qt-Qr)
Kp = Tt/(Tt-Tr)
Kp = 1/h


4.    Entropi dan Hukum II Termodinamika

a.    Entropi

è Diartikan sebagai ukuran ketidakteraturan. Dalam sistem tertutup, peningkatan entropi diikuti oleh penurunan jumlah energi yang tersedia. Semakin tinggi entropi, semakin tinggi ketidakteraturannya.
1)    Entropi pada Temperatur Konstan
Jika suatu sistem pada suhu mutlak T mengalami proses reversible dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi DS dapat dituliskan :
DS = S2 – S1 = Q/T
Keterangan :
DS = perubahan entropi (J/K)
S1 = entropi mula-mula (J/K)
S2 = entropi akhir (J/K)

2)    Entropi pada Proses Temperatur Berubah
DS = S2 – S1 = In Dq/T = In mc.dT/T
DS = mc In (T2/T1)

b.    Hukum II Termodinamika

Bunyi :
“Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha“.
Penjelasan :
1)    Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari satu reservoir dan mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha
2)    Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus dengan mengambil kalor dari reservoir yang mempunyai suhu rendah dan memberikannya ke reservoir suhu tinggi tanpa usaha dari luar
3)    Mesin yang bekerja di antara reservoir suhu Tt dan reservoir suhu Tr (Tt>Tr), memiliki efisiensi maksimum.

h = 1 – Tr/Tt







Contoh Soal

1.    Sebuah mesin diesel memiliki nisbah (perbandingan) kompresi 12 : 1. Volume awal 2 liter pada tekanan 2.10^5 Pa dan suhu 30. Jika konstanta Laplace 1,4, berapakah tekanan akhirnya?
Penyelesaian :
Diketahui :  V2 = 1/12 V1
                   V1 = 2 L
                   p1 = 2.10^5 Pa
                   T1 = 30
                   g = 1,4
Ditanyakan : p2
Dijawab :
Pada mesin diesel berlaku perubahan adiabatik.
p2V2^g = p1V1^g
p2      = p1(V1/V2)^g
          = (2.10^5)(V1/1/2V1)^1,4
          = 6,48 .10^6 Pa
Jadi, tekanan akhir mesin diesel sebesar 6,48. 10^6 Pa.

2.    Suatu gas dalam ruang tertutup melepaskan kalor ke lingkungan sebesar 2.000 kalori dan melakukan usaha 2.400 J. Berapakah perubahan energi dalam gas? (1 kal = 4,2 J)
Penyelesaian :
Diketahui :  Q = -2.000 kal = -8.400 J
                    W = +2.400 j
Ditanya : DU
Dijawab :
DU = Q – W
DU = -8.400 – 2.400
DU = -10.800 J
Jadi, perubahan energi dalam gas -10.800 J atau terjadi penurunan energi dalam sebesar 10.800 J





3.    Suatu mesin memiliki suhu reservoir tinggi 400 dan suhu reservoir rendah 70. Hitunglah efisiensi mesin tersebut!
Penyelesaian :
Diketahui :  Tt = 400 = 673 K
                   Tr = 70 = 343 K
Ditanyakan : h
Dijawab :
h = (1 – 343/673) .100%
h = 330/673 . 100%
h = 49%
Jadi, efisiensi mesin sebesar 49%.

4.    Suatu sistem menyerap kalor sebesar 20 kJ pada suku 227. Berapakah perubahan entropi sistem ini?
Penyelesaian :
Diketahui :  Q = 20 kJ = 20.000 J
                   T = 227= 500 K
Ditanya : DS
Dijawab :
DS      = Q/T
          = 20.000/500
          = 40 J/K
Jadi, besar perubahan entropi adalah 40 J/K.

Komentar

Postingan populer dari blog ini

Materi Kebumian dan Geografi - Tekanan Udara dan Angin

Tekanan Udara dan Angin Tekanan Udara (TU) Pengertian Tekanan Udara Tekanan Udara (TU) adalah tekanan yang diberikan udara karena beratnya pada tiap 1 cm kuadrat bidang mendatar dari permukaan bumi.  Karakteristik Tekanan Udara Tekanan udara diukur dalam milibar tekanan baku pada permukaan laut dengan Barometer air raksa atau Barometer aneroid. (1 atm = 760 mm Hg = 1.013,25 mb).  Tekanan udara paling besar di permukaan laut, semakin ke atas makin menurun, udara makin tipis.   Tekanan udara turun 1/30 kali setiap naik 300 m pada atmosfer bawah   (= turun 1 mm Hg tiap naik 11 m).  Faktor yg mempengaruhi sebaran tekanan udara sama dengan faktor yang mempengaruhi suhu. Pengaruh Lintang Bumi > Tekanan udara rendah sepanjang lingkaran equator disebut/dinamakan doldrum > Tekanan udara tinggi sepanjang lintang 25-35 derajat dinamakan sub tropical high > Tekanan udara rendah sepanjang lintang 60-70 derajat dinamakan sub polar low > Tekanan udara...

Tips Mencegah dan Mengurangi Mata Minus - Resep Kripik Wortel Enak Bermanfaat

Tips Mencegah dan Mengurangi Mata Minus - Resep Kripik Wortel Enak Bermanfaat Halo Readers! Apa kabar? Saya akan sedikit bercerita tentang pengalaman saya. Sejak kecil saya sangat suka menonton anime dan bermain HP. Hal itu menyebabkan mata saya tidak bisa melihat dengan jelas objek dari jauh. Jadi, saya menerapkan langkah-langkah cara mengurangi dan mencegah mata minus tanpa biaya, tanpa berkacamata, dan sangat mudah dilakukan.  Cara Mencegah dan Mengurangi Mata Minus : Bagi umat muslim (islam), diwajibkan melaksanakan shalat fardhu 5 waktu, dan shalat sunah secara rutin, ingat harus khusyu', menitik fokuskan mata pada tempat sujud. Saat kita sedang bermain komputer, solusi yang baik untuk melakukan terapi mata, yaitu melatih mata dengan cara meluangkan waktu sekitar 20 detik untuk berjalan mundur melihat komputer sampai jarak ke waktu 20 detik tersebut Rutin membuat minuman dan makanan dari wortel. Jika mata minus, tapi kebetulan tidak suka makan wortel, makanlah...

Fiqih Jawan - Hukum dan Rukunnya ISLAM

FIQIH JAWAN Bab Tentang Hukum dan Rukunnya " ISLAM " Setiap orang islam itu harus mengetahui rukunnya islam yang lima serta mengetahui pada hukumnya islam yang 5 juga sebagai dasar hidup bagi setiap muslim/manusia Rukun Islam itu ada 5 : 1. Membaca 2 syahadat yaitu Syahadat Tauhid  dan syahadat Rosul. " Aku bersaksi bahwa tidak ada Tuhan selain Allah, dan Aku bersaksi bahwa Nabi Muhammad adalah Utusan Allah. " 2. Melaksanakan Shalat 5 waktu Shalat 5 waktu yaitu, Shalat Maghrib, Isya', Subuh, Dzuhur, dan Ashar. Jumlah raka'at dalam shalat 5 waktu ada 17 raka'at. Shalat Maghrib ada 3 raka'at Shalat Isya' ada 4 raka'at Shalat Subuh ada 2 raka'at Shalat Dzuhur ada 4 raka'at Shalat Ashar ada 4 raka'at 3. Memberikan zakat Zakat itu ada 2, yaitu zakat Mal dan Fitrah. Zakat Fitrah adalah zakat wajib. 4. Menjalankan puasa pada bulan Ramadhan 5. Melaksanakan Haji bila sudah mampu Adapun hukumnya islam itu 5, yai...