Contoh soal dan pembahasan Fisika Termodinamika

Pada Postingan sebelumnya telah admin kupas mengenai Termodinamika yang menjadi landasan awal untuk mengerjakan soal ini. Silahkan lihat materi Termodinamika disini, kemudian silahkan adik-adik kerjakan soal di bwah ini. Selamat bekerja dan semoga bermanfaat.

Contoh soal dan pembahasan Termodinamika
Soal No. 1
Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!
(1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa)

Pembahasan
Data :
V₂ = 4,5 m³ 
V₁ = 2,0 m³ 
P = 2 atm = 2,02 x 10⁵ Pa
Isobaris → Tekanan Tetap

W = P (ΔV)
W = P(V₂ − V₁)
W = 2,02 x 10⁵ (4,5 − 2,0) = 5,05 x 10⁵ joule 

Soal No. 2
1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27^oC dipanaskan secara isobarik sampai 87^oC. Jika tekanan gas helium 2 x 10⁵ N/m² , gas helium melakukan usaha luar sebesar....
A. 60 kJ
B. 120 kJ
C. 280 kJ
D. 480 kJ
E. 660 kJ
(Sumber Soal : UMPTN 1995)

Pembahasan
Data :
V₁ = 1,5 m³
T₁ = 27^oC = 300 K
T₂ = 87^oC = 360 K
P = 2 x 10⁵ N/m²

W = PΔV
Mencari V₂ :
^V₂/_T2 = ^V₁/_T1
V₂ = ( ^V₁/_T1 ) x T₂ = ( ^1,5/₃₀₀ ) x 360 = 1,8 m³
W = PΔV = 2 x 10⁵(1,8 − 1,5) = 0,6 x 10⁵ = 60 x 10³ = 60 kJ

Soal No. 3
²⁰⁰⁰/₆₉₃ mol gas helium pada suhu tetap 27^oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium! 

Pembahasan
Data :
n = ²⁰⁰⁰/₆₉₃ mol
V₂ = 5 L
V₁ = 2,5 L
T = 27^oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas :
W = nRT ln (V₂ / V₁)
W = (²⁰⁰⁰/₆₉₃ mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( ^{5 L} / _{2,5 L} )
W = (²⁰⁰⁰/₆₉₃) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule 

Soal No. 4
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
(Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Pembahasan
η = ( 1 − ^T_r / _Tt ) x 100 %
Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :
η = ( 1 − ⁴⁰⁰/₆₀₀) = ¹/₃
η = ( ^W / _Q1 ) 
¹/₃ = ^W/₆₀₀
W = 200 J

Soal No. 5
Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut! 



Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....
A. 660 kJ
B. 400 kJ
C. 280 kJ
D. 120 kJ
E. 60 kJ
(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)

Pembahasan
W_AC = W_AB + W_BC
W_AC = 0 + (2 x 10⁵)(3,5 − 1,5) = 4 x 10⁵ = 400 kJ

Soal No. 6
Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%
A. 50,0
B. 52,5
C. 57,0
D. 62,5
E. 64,0
(Sumber Soal : SPMB 2004)

Pembahasan
Data pertama:
η = 40% = ⁴ / ₁₀
T_t = 400 K
Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (T_r) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:
η = 1 − (^Tr/_Tt)
⁴ / ₁₀ = 1 − (^Tr/₄₀₀)
(^Tr/₄₀₀) = ⁶ / ₁₀
Tr = 240 K

Data kedua :
Tt = 640 K
Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)
η = ( 1 − ^Tr/_Tt) x 100%
η = ( 1 − ²⁴⁰/₆₄₀) x 100%
η = ( ⁵ / ₈ ) x 100% = 62,5%

Soal No. 7
Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, maka suhu reservoir suhu tinggi dinaikkan menjadi....(UMPTN 90)
A. 900 K
B. 960 K
C. 1000 K
D. 1180 K
E. 1600 K

Pembahasan
Rumus efisiensi (tanpa %) 

Data dari Efisiensi pertama, 
Tt = 800 K
η = 40% = 0,4 → (1 − η) = 0,6

Dari sini diperoleh suhu rendah Tr


Dari data efisiensi kedua,
η = 50% = 0,5 → (1 − η) = 0,5
Tr = 480 K

Suhu tingginya:


Soal No. 8
Sebuah mesin Carnot bekerja pada pada suhu tinggi 627°C memiliki efisiensi 50%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 70% pada suhu rendah yang tetap, maka suhu tingginya harus dinaikkan menjadi....
A. 1500°C
B. 1227°C
C. 1127°C
D. 1073°C
E. 927°C

Soal No. 9
Perhatikan gambar berikut ini! 



Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :
a) Efisiensi mesin Carnot
b) Usaha mesin Carnot
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
d) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasan
a) Efisiensi mesin Carnot
Data :
Tt = 227^oC = 500 K
Tr = 27^oC = 300 K
η = ( 1 − ^Tr/_Tt) x 100%
η = ( 1 − ³⁰⁰/₅₀₀) x 100% = 40%
b) Usaha mesin Carnot
η = ^W/_Q1
⁴/₁₀ = ^W/₁₂₀₀
W = 480 joule
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
Q₂ = Q₁ − W = 1200 − 480 = 720 joule
Q₂ : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da
ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)
bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)
cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)
da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)
Soal No. 10
Sejumlah gas ideal mengalami proses seperti gambar berikut. 

 

Proses yang menggambarkan adiabatis dan isokhorik berturut-turut ditunjukkan pada nomor...(UN Fisika 2013)
A. 1 – 2 dan 3 – 4
B. 1 – 2 dan 4 – 5 
C. 2 – 3 dan 1 – 2
D. 2 – 3 dan 1 – 2 
E. 2 – 3 dan 3 – 4 

Pembahasan
Adiabatis : proses dimana tidak ada kalor masuk atau keluar. Ciri garisnya melengkung curam. Seperti garis 2 - 3. 

Isokhorik : proses pada volume tetap. Garisnya yang tegak lurus sumbu V. Bisa 5 - 1, juga 3 - 4.

Pilihan yang ada sesuai adiabatis dan isokhoris adalah 2 - 3 dan 3 - 4.

Soal No. 11



Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah....kilojoule.
A. 200
B. 400
C. 600
D. 800
E. 1000

Pembahasan
W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda
W = ab x bc 
W = 2 x (2 x 10⁵) = 400 kilojoule

Soal No. 12
Suatu pesawat pendingin Carnot mempunyai koefisien kinerja 6,5. Jika reservoir yang tinggi 27°C, maka reservoir yang bersuhu rendah adalah....
A. −5 °C
B. −8 °C
C. −10 °C
D. −12 °C
E. −13 °C
(Dari soal Soal UMPTN 1994) 

Pembahasan
Data dari soal adalah:
T_t = 27°C = 27 + 273 = 300 K
C_p = 6,5
T_r = .....

Dari rumus koefisien performansi mesin atau pesawat pendingin: 



Dimana 
C_p = koefisien performansi
T_t = suhu tinggi (Kelvin)
T_r = suhu rendah (Kelvin)

Masuk datanya:

  

Soal No. 13
Sebuah mesin pendingin memiliki reservoir suhu rendah sebesar −15°C. Jika selisih suhu antara reservoir suhu tinggi dan suhu rendahnya sebesar 40°C, tentukan koefisien performansi mesin tersebut!

Pembahasan
Data mesin
T_r = − 15°C = (− 15 + 273) K = 258 K
T_t − T_r = 40°C
C_p =....



Soal No. 14
Sebuah kulkas memiliki suhu rendah − 13°C dan suhu tinggi 27°C. Jika kalor yang dipindahkan dari reservoir suhu rendah adalah 1300 joule, tentukan usaha yang diperlukan kulkas!

Pembahasan
Data mesin pendingin
T_r = − 13°C = (− 13 + 273) K = 260 K
T_t = 27°C = 300 K
Q_r = 1300 j
W = ....

Rumus koefisien performansi jika diketahui usaha dan kalor



Dimana
W = usaha yang diperlukan untuk memindahkan kalor dari suhu rendah
Q_r = kalor yang dipindahkan dari suhu rendah

Sehingga jika digabung dengan rumus dari no sebelumnya diperoleh:

DOWNLOAD SOAL UN FISIKA Klik : DISINI

Read More

Soal UN SMA Fisika dan Pembahasan

Soal UN Fisika.Berikut admin kembali bagikan Soal dan Pembahasan UN Fisika SMA Ujian Nasional 2014 Nomor 31-40, yang merupakan kelanjutan dari pembahasan Soal Ujian NasionalFisika sebelumnya. Silahkan adik-adik pelajari dan pahami, semoga membantu dan bermanfaat.

Soal 01
Pada gambar berikut titik P menunjukkan kawat berarus listrik yang arahnya keluar bidang gambar.



Induksi magnet yang arahnya ke bawah pada gambar adalah nomor….
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
E. 5

Pembahasan
Sesuai kaidah tangan kanan:
-Jempol arah arus listrik
-4 Jari arah kuat medan magnet (putarannya)
Yang arahnya ke bawah sesuai petunjuk arah soal adalah titik 1



(Titik 5 ke kanan, titik 4 ke atas, dan seterusnya, tiap titik diambil arah tegak lurus dengan P, sesuaikan putarannya)

Soal 02
Dua kawat lurus sejajar berjarak 20 cm satu sama lain seperti terlihat pada gambar. Bila μ_o = 4π ⋅ 10 ^{– 7} Wb A ^{– 1} m ^{– 1}, maka gaya persatuan panjang yang dialami kawat PQ adalah….




A. 8 × 10^–7 N.m^{– 1} ke kanan
B. 8 × 10^–7 N.m^{– 1} ke kiri
C. 2 × 10^–6 N.m^{– 1} ke kanan
D. 2 × 10^–6 N.m^{– 1} ke kiri
E. 4 × 10^–6 N.m^{– 1} ke kanan

Pembahasan
Gaya magnetik persatuan panjang kawat:

Data:
i₁ = 0,5 A
i₂ = 4A
a = 20 cm = 2× 10^{– 1} m


Arah ke kanan
Jawaban: C. 2 × 10^–6 N.m^{– 1} ke kanan

Soal 03
Besar GGL induksi pada kumparan saat sebatang magnet digerakkan mendekat/menjauhi kumparan tersebut….
A. berbanding terbalik dengan jumlah lilitan kumparan
B. berbanding terbalik dengan kecepatan gerak magnetnya
C. sebanding dengan fluks magnetnya
D. sebanding dengan ukuran magnetnya
E. sebanding laju perubahan fluks magnetnya

Pembahasan
Dari rumus
E = N Δϕ/Δt
Jawaban: E. Sebanding laju perubahan fluks magnetnya

Soal 04
Pada transformator (trafo) ideal bila jumlah lilitan kumparan sekundernya ditambah, maka:
(1) Arus listrik pada kumparan sekundernya akan turun
(2) Tegangan pada kumparan primernya akan naik
(3) Arus listrik pada kumparan primernya akan turun
(4) Tegangan pada kumparan sekundernya akan naik

Pernyataan yang benar adalah….
A. (1) dan (2)
B. (1) dan (3)
C. (1) dan (4)
D. (2) dan (3)
E. (3) dan (4)

Pembahasan
Pada trafo ideal berlaku
Vp/Vs = Np/Ns

dan
Ip/Is = Ns/Np

Pernyataan 1 dan 4 benar.

Soal 05
Nilai impedansi rangkaian di bawah adalah 500 Ω. (1 μ = 10^–6 )



Besarnya tegangan listrik pada ujung-ujung induktor adalah….
A. 40 volt
B. 40√2 volt
C. 80 volt
D. 80√2 volt
E. 160 volt

Pembahasan
Kuat arus rangkaian
I = ^V/_Z = ²⁰⁰ / ₅₀₀ = 0,4 A

Reaktansi induktif
X_L = ω L = 50 ⋅ 2 = 100 Ω

Tegangan ujung-ujung induktor:
V_L = I ⋅ X_L
= 0,4 ⋅ 100 = 40 volt

Soal 06
Roket ketika diam di bumi panjangnya 10 m. Jika roket tersebut bergerak dengan laju 3/5 c (c = laju cahaya dalam ruang hampa udara), maka panjang roket selama bergerak diamati orang di bumi adalah…
A. 2 meter
B. 4 meter
C. 6 meter
D. 8 meter
E. 9 meter

Pembahasan
Kontraksi panjang

        

Atau dengan hafalan:
0,6 c faktor pengalinya 0,8
0,8 c faktor pengalinya 0,6



Soal 07
Perhatikan grafik efek fotolistrik di bawah ini!



Dari grafik disimpulkan:
(1) Bila frekuensi cahaya yang datang kurang dari fo efek fotolistrik tidak akan terjadi
(2) Fungsi kerja logam besarnya sama dengan Eo
(3) Persamaan efek fotolistrik: E = h(f – fo) atau E = hf – Eo
Kesimpulan yang benar adalah…
A. (1) dan (2) saja
B. (1) dan (3) saja
C. (2) dan (3) saja
D. (3) saja
E. (1), (2), dan (3)

Pembahasan
(1), (2), dan (3)
Efek foto listrik silakan dipelajari di sini.

Soal 08
Kelemahan dari model atom Rutherford adalah….
A. gaya elektrostatis berfungsi sebagai gaya sentripetal
B. gaya sentripetal ini menyebabkan elektron bergerak dipercepat
C. elektron yang dipercepat memancarkan gelombang elektromagnetik
D. atom terdiri dari inti yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif
E. saat mengelilingi inti, elektron memiliki lintasan tertentu

Pembahasan
C. elektron yang dipercepat memancarkan gelombang elektromagnetik.
Jika elektron memancarkan gelombang elektromagnetik, maka menyebabkan energinya berkurang dan jarak ke inti semakin kecil, lama-kelamaan akan jatuh ke inti. Pada kenyataannya itu tidak terjadi, jadi merupakan kelemahan teori Rutherford.

Soal 09
Inti atom yang terbentuk memenuhi reaksi fusi berikut ini :

₁H¹ + ₁H¹ → ₁d² + ₁e⁰ + E

Diketahui :
Massa ₁H¹ = 1,0078 sma
Massa ₁d² = 2,01410 sma
Massa ₁e⁰ = 0,00055 sma
1 sma = 931 MeV

Nilai E (energi yang dihasilkan) pada reaksi fusi tersebut adalah …
A. 0,44 MeV
B. 0,88 MeV
C. 0,98 MeV
D. 1,02 MeV
E. 1,47 MeV

Pembahasan
Energi reaksi:
E = Δ m × 931 MeV
Δ m = m_reaktan − m_produk
Δ m = (1,0078 + 1,0078) − (2,01410 + 0,00055) = 0,00095 sma
E = 0,00095 × 931 MeV = 0,88445 MeV
(Soalnya sama persis dengan soal un tahun 2011)

Soal 10
Radiasi dari radio isotop Co-60 dimanfaatkan untuk…
A. penghancuran batu ginjal
B. detektor asap
C. menentukan umur fosil
D. terapi pada kelenjar gondok
E. membunuh sel kanker

Read More