kumpulan soal termodinamika, suhu dan kalor, teori kinetik gas, fluida dinamis

Termodinamika

(kelompok 6 kapita selekta 1 pend. fisika undana)

1.        Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, apakah anda dapat mengubah suatu bentuk energi ke bentuk lain sesuka anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi? Berikan contoh atas jawaban anda!

Jawab

Kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun.

2.        Apakah pada siklus menggunakan busi? jelaskan jawaban anda!

Jawab:

Tidak.

Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat,selanjutnya,injektor atau penyuntik menyemprotkan solar.karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan kedalam silinder,solar langsung terbakar sehingga tidak perlu menggunakan busi.

3.        Pada sebuah bungkusan biskuit terdapat tulisan:karbohidrat=10 kkal.Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit ini dimakan?

Jawab:

1 Kkal = 1000 kalori = 4186 joule.

10 Kkal = (10 Kkal)(4186 joule) = 41860 joule.

Tubuk kita tidak mengubah semua karbohidrat menjadi energi .Sebagian energi akan terbuang selama proses berlangsungnya proses pencernaan.efisiensinya sebesar 20%.Jadi,hanya 20% saja yang dipakai tubuh dan 80 % nya terbuang.

4.        Popcorn dibuat dengan cara memanasi biji popcorn diatas nyala api dalam sebuah panci. Jelaskan proses dinamika dalam pembuatan popcorn tersebut !

Jawab:

pada kasus ini kita menganggap popcorn sebagai sistem, panci sebagai pembatas dan nyala api sebagai lingkungan . karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari lingkunga ( nyala api ) menuju sistem ( biji popcorn ). Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem ( biji popcorn ) memuai dan meletup sehingga mendorong penutup panci ( biji popcorn tadi melakukan kerja terhadap lingkungan ). Dalam proses ini keadaan popcorn berubah, karena suhu, tekanan, dan volume popcorn berubah saat memuai dan meletup.

5.        Jelaskan proses perubahan energi yang terjadi untuk melakukan kerja?

Jawab :

Manusia membutuhkan energi untuk melakukan kerja. Energi yang dibutuhkan untuk membuat sel-sel baru atau menggantikan sel-sel lama yang telah mati. Proses perubahan energi yang terjadi ini disebut metabolisme. Dimana kita dapat menerapkan hukum termodinamika pertama, yaitu :

∆U = Q – W

Kerja W dilakukan oleh tubuh dalam berbagai kegiatannya, dan jika hasilnya tidak berupa penurunan energi dalam tubuh, energi dengan suatu cara harus ditambahkan untuk mengimbangi. Biasanya temperatur tubuh lebih tinggi dari lingkungannya, sehingga kalor biasanya mengalir keluar tubuh. Untuk menggantikannya, yang menjadi sumber adalah energi dalam ( energi potensial kimia ) yang tersimpan dimakanan. Ketika kita menyantap makanan kita langsung membawanya kedalam tibuh kita, yang kemudian menaikkan energi dalam total U pada tubuh, energi ini akhirnya dipakai untuk kerja dan aliran kalor dari tubuh energi menurut hukum pertama.

6.        Mengapa entropi disebut dengan “panah waktu” ?

Jawab :

Entropi dapat dianggap sebagai keteraturan atau ketidakteraturan sistem. Maksud dari panah waktu tersebut memberitahu kita mengenai arah proses. Misalnya, jika film itu diputar mundur, kita aakn mengatakan film itu diputar mundur. Karena kita akan melihat kejadian yang aneh, seperti cangkir kopi yang pecah naik dari lantai dan tersusun kembali dimeja, atau balon yang pecah menjadi stau lagi dan terisi oleh udara. Kita tahu bahwa hal ini tidak terjadi dikehidupan nyata, hal ini merupakan proses-proses dimana keteraturan bertambah–atau entropi berkurang. Hal-hal ini melanggar hukum termodinamika.

7.        Sejumlah gas dalam sebuah wadah mengalami pemuaian adiabatik. Berapakah peubahan entropi gas tersebut?

Jawab: 

Selama proses adiabatik,tidak ada kalor yang masuk atau keluar karena Q=0 maka

Bisa disimpulkan bahwa pada proses pemuaian adiabatik, entropi sistem tidak berubah atau selalu konstan.

8.     Dalam satu siklus, sebuah mesin menyerap 3000 Joule kalor dari reservoir suhu tinggi dan membuang 1000 Joule kalor pada reservoir suhu rendah. Tentukan efisiensi mesin kalor tersebut!
Jawab :
Mesin kalor yang dimaksudkan pada soal-soal pada halaman ini tidak sama dengan mesin Carnot. Mesin Carnot merupakan mesin kalor ideal dan hanya ada secara teoritis. Sebaliknya mesin kalor yang dimaksudkan pada soal ini adalah mesin kalor nyata, bukan mesin kalor teoritis (mesin Carnot).
Diketahui :
Kalor yang diserap (Q_H) = 3000 Joule
Kalor yang dibuang (Q_L) = 1000 Joule
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 3000 – 1000 = 2000 Joule
Ditanya : Efisiensi mesin kalor (e)
penyelesaian :

9.     Suatu mesin kalor menghasilkan usaha 2000 Joule dan membuang kalor sebanyak 500 Joule dalam satu siklus. Efisiensi mesin tersebut adalah?
Jawab

        Dik :
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 2000 Joule
Kalor yang dibuang (Q_L) = 5000 Joule
Kalor yang diserap (Q_H) = 2000 + 5000 = 7000 Joule
Dit : Efisiensi mesin kalor (e)
 pembahasan :

10. Mesin sebuah mobil mempunyai efisiensi 30%. Jika mesin tersebut menghasilkan usaha 10.000 Joule tiap siklus, berapa kalor yang dibuang oleh mesin setiap siklus ?
Jawab :
Dik:
Efisiensi (e) = 30 % = 30/100 = 0,3
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 3000 Joule
Dit: Kalor yang dibuang mesin setiap siklus (Q_L)

Pembahasan :

 
Hitung kalor yang diserap (Q_H) menggunakan rumus efisiensi (e) mesin kalor :

Kalor yang dibuang per siklus (Q_L) = kalor yang diserap (Q_H) – usaha yang dihasilkan (W)
Q_L = 10.000 Joule – 3000 Joule
Q_L = 7000 Joule

Suhu dan Kalor

(kelompok 6)

1.    Kapan zat cair dikatakan mendidih?

Jawab :

Apabila gelembung gelembung uap terjadi didalam seluruh zat cair dan dapat meninggalkan  zat cair.Pada saat zat cair mendidih suhunya tetap.

2.    Bagaimana prinsip kerja termos sebagai alat yang dapat mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi?

Jawab :

prinsip kerja termos adalah mencegah terjadinya perpindahan kalor dengan cara mengisolasi ruang didalam termos tersebut.dinding permukaan bagian dalam termos dibuat mengkilap dengan lapisan perak agar daya serap dan daya pancar terhadap kalor sangat rendah sehingga kalor dan air panas tidah diserap dinding tersebut sehingga tetap panas.Dinding dibuat berlapis 2 diantaranya berupa ruang hampa,untuk mencegah perpindahan kalor secara konduksi,konveksi dan radiasi sehingga kalor tetap terperangkap.

3.    Sebutkan 3 peristiwa yang dialami benda apabila menerima pancaran kalor beserta contohnya?

Jawab:

Ø   Meneruskan kalor (diaterman) contohnya udara.

Ø   Memantulkan kalor contohnya cermin.

Ø   Menyerap kalor (aterman) contohnya gelas air.

4.    Sebut dan jelaskan 3 Contoh konveksi udara dalam kehidupan sehari-hari!

Jawab:

Ø  Sistem ventilasi rumah. Udara panas di dalam rumah akan bergerak naik dan keluar melalui  ventilasi. Tempat yang ditinggalkan akan diisi oleh udara dingin melalui ventilasi yang lain sehingga udara di dalam rumah lebih segar.

Ø  Cerobong asap pabrik. Pada pabrik-pabrik, udara di sekitar tungku pemanas suhunya lebih tinggi daripada udara luar, sehingga asap pabrik yang massa jenisnya lebih kecil dari udara luar akan bergerak naik melalui cerobong asap.

Ø  Angin laut dan angin darat. Pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada lautan. Udara   di daratan memuai sehingga massa jenisnya mengecil dan bergerak naik ke atas. Tempat yang ditinggalkan akan diisi oleh udara dingin dari laut, maka terjadilah angin laut. Sebaliknya, pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada lautan. Udara di atas laut memuai, massa jenisnya mengecil dan bergerak ke atas. Tempat yang ditinggalkannya akan diisi oleh udara dingin dari darat, maka terjadilah angin darat. 

5.      Mengapa pada daerah kutub, air membeku pada permukaaan sedangkan pada kedalaman, air tidak membeku, padahal seharusnya suhu di kedalaman lebih rendah dari pada dipermukaan ?

Jawab :

Saat air menjadi es, air menyusut namun massa air tetap sedangkan volumenya berkurang. Semakin menuju ke 0^o C, semakin kecil massa jenis air. Air biasanya mngalami anomali, sehingga berat jenis air terkecil bukan pada suhu 0 melainkan pada suhu 4 ^o C ini sangat bermanfaat untuk mengisolasi air dari suhu udara ( diatasnya ). Sehingga dibawah permukaan es masih terdapat air dalam keadaan cair. Semakin lama lapisan es semakin tebal, tetapi di bawahnya masih terdapat air dalam keadaan cair yang sangat dibutuhkan oleh makhluk hidup. Air dibawah permukaan tidak dapat membeku karena adanya panas bumi sehingga suhu didasar laut belum tentu lebih rendah dari permukaan air laut.

6.      Pada suatu waktu yang sama, di berbagai belahan dunia mengalami perbedaan musim. Apakah peristiwa tersebut berkaitan dengan perpindahan kalor ?

Jawab :

Ya. Dalam hal ini peristiwa tersebut berkaitan dengan radiasi. Yakni sebuah benda dengan emisivitas e dengan luas A yang menghadap matahari menyerap kalor dengan kecepatan, dalam watt.

. = ( 1000 ² )e A cos

Berdasarkan rumus tersebut yang memengaruhi fenomena ini adalah sudut . Misalnya saja matahari bulan juni  yang membuat sudut sekitar 23^o terhadap khatulistiwa. Dengan demikian  di amerika serikat bagian selatan mendekati 0^o dimana matahari matahari musim panas berlangsung, sementara belahan dibumi selatan  sebesar 50^o atau 60^0, sehingga lebih lebih sedikit kalor yang diserap, dan terjadilah musim dingin.

7.      Suhu air mula-mula 20^o. Setelah dipanaskan suhunya berubah menjadi 50⁰. Jelaskan berapakah perubahan suhu air tersebut ?

Jawab :

Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu maka kita menyebutkan derajat fahrenheit (⁰F). Contohnya pada tekanan 1 atm suhu nair panas 100^oC atau 180^o F. Sebaliknya, jika kita mengatakan perubahan suhu atau selisih suhu amak kita menyebutnya celcius derajat atau fahrenheit derajat (^oF). Dengan demikian besar perubahan suhu ir pada soal tersebut adalah 30 celcius derajat (⁰C).

8.      Mengapa kapasitas kalor juga disebut harga air?

Jawab :

Karena untuk menaikkan 100 gram raksa sebesar 1⁰ c memerlukan kalor yang sama banyaknya untuk menaikkan suhu 3 gram air sebesar 1⁰ c yaitu 3 kalori.

9.      Panas tubuh manusia dikonveksi oleh darah. Jelaskan fenomena tersebut !

Jawab :

Tubuh manusia menghasilkan energi termal yang besar. Energi diubah dari makanan dalam tubuh, maksimal 20% digunakan untuk melakukan kerja, sehingga lebih dari 80% muncul sebagai energi termal, jadi kalor yang dihasilkan harus ditransfer keluar. Temperatur pada kulit yang nyaman adalah 33^oC – 35^o C, sementara temperatur tubuh sebesar 37^o C.hal ini menunjukkan bahwa karena perbedaan temperatur yang kecilini, ditambah konduktivitas termal jaringan, kondisi langsung mengakibatkan sedikit sekali kalor yang dikeluarkan. Kalor dibawa permukaan darah kepermukaan oleh darah, sampai persis dibawah permukaan kulit. Kalor kemudian dihantarkan ( melalui jarak yang sangatk kecil ) kepermukaan. Sekali berada dipermukaan kalor ditransfer kelingkungan dengan konveksi, penguapan, dan radiasi.

10.  Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu, maka kita menyebutnya derajat Celcius (^oC) atau derajat Fahrenheit (^oF). Contoh : Pada tekanan 1 atm, suhu air panas = 100 ^oC atau 180 ^oF. Suhu tubuh saya = 98 ⁰F. namun bagaimana kalau kita mengatakan peruban suhu? Apakah sama seperti kita mengatakan/menyebutkan suhu tertentu?

Jawab

Jika kita mengatakan perubahan suhu atau selisih suhu, maka kita menyebutnya Celcius derajat (C^o) atau Fahrenheit derajat (F^o). Contoh : suhu air mula-mula 20 ^oC. Setelah dipanaskan, suhunya berubah menjadi 50 oC. Dengan demikian, air mengalami perubahan suhu sebesar 30 Celcius derajat (30 C^o).