Modul XI semua, (Fisika), Meta - SMKN 2

BAB I
SUHU DAN KALOR
Standar Kompetensi :
Menerapkan konsep suhu dan kalor
Kompetensi dasar :
7.1 Menguasai konsep suhu dan kalor
7.2 Menguasai pengaruh kalor terhadap zat
7.3 Mengukur suhu dan kalor
7.4 Menganalisis cara perpindahan kalor
7.5 Menganalisis Azas Black dalam pemecahan masalah
Pengantar
Pada pembahasan untuk menjelaskan keadaan setimbang suatu sistem mekanis telah
dibicarakan fenomena mekanika yang berpijak pada tiga besaran dasar yang tak
terdefinisikan yaitu besaran panjang, massa, dan waktu. Pada pembahasan berikut akan
ditelaah beberapa fenomena yang disebut efek termal atau fenomena panas. Fenomena ini
menyangkut aspek-aspek yang pada dasarnya bukan bersifat mekanis.
Untuk menjelaskan hal ini diperlukan suatu besaran tak terdefinisikan yang keempat yaitu
suhu. Kita dapat merasakan panas atau dinginnya sesuatu dengan indera peraba.
Jika kita dekat dengan api maka kita merasa panas, sedangkan bila kita menyentuh es maka
kita merasa dingin. Tetapi indera peraba kita tidak dapat menyatakan secara tepat derajat
panas dinginnya suatu benda. Saat kita menyentuh sebuah benda, sifat yang disebut suhu
atau temperatur diterangkan berdasarkan indera suhu kita. Suhu tersebut akan menunjukkan
apakah benda itu akan terasa panas atau dingin. Semakin panas berarti suhu semakin tinggi.
Memperkirakan suhu tersebut berarti kita menyatakan hanya secara kualitatif. Oleh karena
itu, untuk menyatakan suhu dengan tepat secara kuantitatif (dengan angkaangka)
diperlukan beberapa kegiatan yang bukan bergantung pada cita rasa kita mengenai panas
atau dingin tetapi pada besaran-besaran yang dapat diukur. Berikut akan dijelaskan cara
menentukan suhu dengan tepat secara kuantitatif. Ada beberapa sistem sederhana tertentu
yang keadaannya masing-masing dapat diperinci dengan cara mengukur harga satu besaran
fisis saja. Sebagai contoh, akan ditinjau suatu sistem berupa cairan, misalnya alkohol atau
raksa yang berada di dalam tabung berdinding tipis, seperti gambar di bawah ini
Keadaan sistem pada gambar 1.1a. dapat diperinci berdasarkan panjang kolom cairan yang
dinyatakan dengan notasi L. Panjang kolom cairan ini dihitung mulai dari sebuah titik yang
dipilih sesuai keperluan dan selanjutnya kolom cairan L ini disebut koordinat keadaan.
Perhatikan sistem sederhana lain seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Modul Fisika XI
1
1. PENGUKURAN TEMPERATUR
Temperatur biasanya dinyatakan sebagai fungsi salah satu koordinat termodinamika
lainnya. Koordinat ini disebut sebagai sifat termodinamikannya. Pengukuran temperatur
mengacu pada
satu harga terperatur tertentu yang biasanya disebut titik tetap. Sebagai titik tetap dapat
dipakai titik tripel air, yaitu temperature tertentu pada saat air, es, dan uap air berada dalam
kesetimbangan fase. Besarnya titik tripel air, Tp = 273,16 Kelvin. Persamaan yang
menyatakan hubungan antara temperature dan sifat termometriknya berbentuk:
Alat ntuk mengukur temperatur disebut termometer. Berapa bentuk fungsi termometrik
untuk berbagai termometer seperti berikut ini:
1. Termometer gas volume tetap.
Dengan, P = tekanan yang ditunjukkan termometer pada saat pengukuran. Ptp = tekanan
yang ditunjukkan termometer pada temperatur titik tripel air.
2.Termometer hambatan listrik.
Dengan, R = harga hambatan yang ditunjukkan thermometer pada saat pengukuran Rtp =
harga hambatan yang ditunjukkan termometer pada temperatur titik tripel air.
3.Termometer termokopel.
Dengan,
= tegangan yang ditunjukkan termometer pada saat pengukuran.
= tegangan yang ditunjukkan termometer pada temperature titik tripel air.
2.
TEMPERATUR
GAS
IDEAL,
TERMOMETER
CELCIUS,
DAN
TERMOMETER FAHRENHEIT
Perbendaan macam (jenis) gas yang dugunakan pada termometer gas volume tetap
memberikan perbendaan harga temperatur dari zat yang diukur. Akan tetapi, dari hasil
eksperimen didapatkan bahwa jika Ptp dari setiap macam gas pada termometer gas volume
tetap tersebut harganya dibuat
mendekati Nol (Ptp
0), maka hasil pengukuran temperature suatu zat menunjukkan
harga yang sama untuk setiap macam gas yang digunakan. Harga temperatur yang tidak
bergantung pada jenis gas (yang digunakan pada termometer gas volume tetap) disebut
temperatur gas ideal.
Termometer Celcius mengambil patokan titik lebur es/titik beku air sebagai titik ke nol
derajat (0 C) dan titik didih air sebagai titik ke seratus derajat (100ͦC). Semua patokan
tersebut diukur pada tekanan 1 atmosfer standar. Hubungan antara temperatur Celcius dan
temperatur Kelvin dinyatakan dengan:
Modul Fisika XI
2
Termometer Fahrenheit mengambila patokan titik lebur es/titik beku air sebagai skala yang
ke -32oF dan titik didih air sebagai skala yang ke -212oF. Hubungan antara Celcius dan
Fahrenheit
dinyatakan dengan:
Jadi:
Hubungan antara skala Celcius dengan Reamur adalah:
tᴼC = 5/4 tᴼR atau tᴼR= 4/5 tᴼC
Hubungan antara skala Celcius dengan Fahrenheit adalah:
tᴼF = 9/5 tᴼC + 32 atau tᴼC = 5/9 (tᴼF – 32 )
Hubungan antara skala Reamur dengan Fahrenheit adalah:
tᴼF = 9/4 tᴼR + 32 atau tᴼR = 4/9 (tᴼF – 32 )
Hubungan antara skala Celcius dengan Kelvin adalah:
tᴼC = T(K) - 273 atau T (K) = tᴼC + 273
Hubungan antara skala Rankine dengan Kelvin adalah:
T(Rn) = 9 T(K)
3. ASAS BLACK DAN KALORIMETRI
Apabila pada kondisi adiabatis dicampurkan 2 macam zat yang temperaturnya mula-mula
berbeda, maka pada saat tercapai kesetimbangan, banyaknya kalor yang dilepas oleh zat
yang
temperaturnya mula-mula tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diserap oleh zat yang
temperaturnya mula-mula rendah.
Pernyataan di atas dikenal sebagai asas Black. Gambar di atas, menunjukkan pencampuran
2 macam zat yang menurut asas Black berlaku:
Q lepas = Q terima
Atau
dimana c1 dan c2 menyatakan kalor jenis zat 1 dan zat 2. Apabila diketahui harga kalor
jenis suatu zat, maka dapat ditentukanharga kalor jenis zat yang lain berdasarkan azas
Black. Prinsip pengukuran seperti ini disebut kalorimetri. Alat pengukur kalor jenis zat
berdasarkan prinsip kalorimatri disebut kalorimeter. Bagan dari kalorimeter ditunjukkan
oleh Gambar di bawah ini. Tabung bagian dalam kalorimeter terbuat dari logam (biasanya
aluminium atau tembaga) dan sudah diketahui kalor jenisnya. Tabung tersebut diisi air
hingga penuh logam yang akan diukur panas jenisnya dipanaskan dulu dan kemudian
dimasukkan ke dalam kalorimeter. Pada setiap kalorimeter biasanya diketahui kapasitan
Modul Fisika XI
3
panasnya yang disebut harga air kalorimeter (Ha) yaitu hasil kali antara massa kalorimeter
dengan kalor jenisnya. Jadi kalor yang diserap oleh kalorimeter dapat dituliskan sebagai:
4. HANTARAN KALOR.
Kalor dapat mengalir dari suatu tempat ke tempat lainnya melalui 3 macam cara, yaitu
konduksi, konveksi, dan radiasi.
a. Konduksi kalor pada suatu zat adalah perambatan kalor yang terjadi melalui vibrasi
molekul-molekul zat tersebut. Jadi pada saat terjadi konduksi kalor, molekul-molekul
zat tidak berpindah tempat (relatif diam). Besar kalor yang dipindahkan adalah ΔQ
dalam waktu ΔT sehingga laju aliran kalor H adalah :
∆𝑄
𝐻=
∆𝑇
Laju perpindahan kalor juga berbanding terbalik terhadap panjang penghantar L dan
berbanding lurus terhadap sifat kehantaran bahan, hal ini diungkapkan dalam
persamaan berikut ini :
𝐻=
H
k
A
L
=
=
=
=
∆𝑄
∆𝑇
= 𝑘𝐴
∆𝑇
𝐿
Arus kalor (J/s)
Konduktifitas termal (W/mᴼC)
Luas penampang (m2)
Panjang penghantar (m)
b.
Konveksi kalor pada suatu zat adalah perpindahan kalor melalui aliran massa pada
fluida dari satu ruang ke ruang yang lain. Laju kalor terjadi pada peristiwa konveksi
dinyatakan dengan persamaan berikut :
∆𝑄
𝐻=
= ℎ𝐴∆𝑇
∆𝑇
H
= Arus kalor (J/s)
h
= Koefisien konveksi bahan (W/m2K)
A
= Luas penampang (m2)
ΔT = Beda suhu antara benda dan fluida (K atau ᴼC)
c.
Radiasi kalor pada suatu zat adalah perpindahan kalor oleh gelombang electromagnet
seperti cahaya tampak, infra merah, dan ultraviolet. Dalam kurun waktu 1879 – 1884
Josef Stefan dan Ludwig Boltzmann menemukan besarnya laju kalor untuk radiasi
yang kemudian diberi nama Hukum Stefan Blotzman yaitu :
Modul Fisika XI
4
𝑃 = 𝑒𝜎𝐴𝑇 4
P
e
σ
T
=
=
=
=
Daya / laju kalor (W)
Emisivitas benda
Konstanta Stefan (5,67 x 10-8 W m-2 K-4)
Suhu benda (K)
Contoh soal
1. Suhu suatu menunjukan angka 40ᴼ jika diukur dengan termometer Celcius. Tentukan
jika suhu diukur dengan termometer.
a. Reamur
b. Farenheit
c. Rankine
Jawab :
a. tᴼR = 4/5 x tᴼC = 4/5ᴼ = 32 ᴼR
9
9
b. tᴼF = (5 𝑥𝑡ᴼC) + 32ᴼ = (5 x 40) + 32ᴼ
= 72 ᴼt + 32ᴼ = 104ᴼF
9
c. tᴼRK = (5 𝑥𝑡ᴼC) + 491
= 72ᴼ + 491ᴼ = 563ᴼRK
2.
Baja yang panjangnya 100 cm pada suhu 30ᴼ C dipanaskan hingga suhu 130ᴼC. jika
koefisien muai panjang 10-5/ᴼC, tentukan panjang baja setelah dipanaskan.
Jawab :
lt = lo ( 1 + 𝛼∆𝑡 )
= 100{1 + (10−5 . (130 − 30))}
= 100(1 + 10-5.100)
= 100(1,001)
lt = 100,1
jadi, panjang setelah dipanaskan 100,1 cm
3.
Plat besi panjangnya 10 cm, lebar 10 cm suhu 20ᴼC, setelah dipanaskan luasnya
menjadi 100,6 cm2 . Jika koefisien muai panjang 6 x 10-5/ᴼC, tentukan suhu akhirnya.
Diketahui :
Ao = P x l = 10 cm x 10 cm = 100 cm2
t1 = 20 ᴼC
At = 100,6 cm2
Α = 6 x 10-5/ᴼC => β = 12 x 10-5/ᴼC
Ditanya : t2 = …
Jawab :
At = Ao (1 + β.Δt)
100,6 = 100 (1 + 12 x 10-5. Δt)
100,6 = 100 + (12 x 10-3. Δt)
100,6−100
Δt = 12 𝑥 10−3
0,6
Δt = 12 𝑥 10−3 = 50ᴼC
t2 = t1 + Δt = 20 + 50 = 70
jadi suhu akhir 70 ᴼC
4.
Untuk menaikan suhu 0,5 kg zat cair yang kalor jenisnya 400 j/kgᴼC dari 28 ᴼC
menjadi 38 ᴼC, berapa kalor yang dibutuhkan?
Jawab :
Q = m.c. Δt
= 0,5 .400 . 10
= 2000
Modul Fisika XI
5
5.
Alkohol yang suhunya 20 ᴼC dipanaskan sampai 78 ᴼC dengan kalor 3480 J. tentukan
kapasitas kalor alkohol.
Jawab :
𝑄
C=∆
𝑡
3480
= 58
C = 60 J/ᴼC
Soal latihan
1. Termometer yang memiliki titik didih air 212 adalah ….
a. Farenheit
d. Rankine
b. Celcius
e. Reamur
c. Kelvin
2.
Termometer yang memiliki titik beku air 491 adalah ….
a. Farenheit
d. Rankine
b. Celcius
e. Reamur
c. Kelvin
3.
Sifat aliran kalor adalah ….
a. mengalir dari benda di tempat yang lebih tinggi ke benda di tempat yang lebih
rendah
b. mengalir dari benda di tempat yang lebih rendah ke benda di tempat yang lebih
tinggi
c. mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah
d. mengalir dari benda yang bersuhu lebih rendah ke benda yang bersuhu lebih tinggi
e. mengalir kemana-mana
4.
100ᴼF = ….
a. 32ᴼC
b. 170ᴼK
c. 20ᴼR
d. 559ᴼRK
e. 212K
80ᴼC = ….
a. 60ᴼR
b. 170ᴼF
c. 383K
d. 635ᴼRK
e. 153ᴼF
5.
6.
Besar kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1ᴼC dalam setiap satuan massa
dikenal dengan….
a. massa jenis
b. volume jenis
c. kapasitas kalor spesifik
d. hambat jenis
e. hantar jenis
7.
Bila 8 kg air menerima kalor sebesar 3,02 x 106 J, besar suhu akhir air bila suhu
awalnya 27ᴼC adalah ….
a. 47,1ᴼC
d. 97,1ᴼC
b. 57,1ᴼC
e. 117,1ᴼC
c. 87,1ᴼC
8.
Sebuah kawat tembaga sepanjang 8 m pada suhu 25ᴼC dipanaskan hingga mencapai
suhu 180ᴼC. panjang akhir kawat sebesar …. (αtembaga = 1,7 x 10-5/ᴼC)
a. 8,002108 m
b. 8,003128 m
c. 8,004122 m
Modul Fisika XI
6
d. 8,001204 m
e. 8,000128 m
9.
Perubahan suhu yang diperlukan untuk memuaikan kawat aluminium sepanjang 0,2
cm dari panjang awalnya 1 m adalah …. (αaluminium = 2,4 x 10-5/ᴼC)
a. 56,67ᴼC
d. 107,33ᴼC
b. 83,33ᴼC
e. 127,67ᴼC
c. 93,67ᴼC
10. Sebuah balok logam bervolume 8 m3 dipanaskan hingga mengalami peningkatan suhu
60ᴼC dari temperatur awal dan mengubah volumenya menjadi 8,01728 m3. Koefisien
muai luas logam tersebut sebesar ….
a. 1,2 x 10-5/ᴼC
b. 2,4 x 10-5/ᴼC
c. 3,6 x 10-5/ᴼC
d. 4,8 x 10-5/ᴼC
e. 6,4 x 10-5/ᴼC
Modul Fisika XI
7
BAB II
FLUIDA
Standar kompetensi
Menerapkan konsep fluida
Kompetensi dasar :
8.1 Menguasai hukum fluida statis dan dinamis
8.2 Menghitung fluida statis dan dinamis
Pengertian
Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir, diantaranya zat cair dan gas. Berdasarkan
sifat-sifat yang dimiliki dapat dibedakan menjadi 2 yaitu : fluida ideal dan tak ideal. Fluida
ideal mempunyai sifat sebagai berikut :
1. tidak dapat dikompresi
2. non-viscous
3. stasioner
Fluida tak ideal tidak memiliki sifat seperti di atas, dalam hal ini zat gas merupakan fluida
tak ideal, sedangkan fluida yang ideal adalah zat cair.
1. FLUIDA STATIS (TAK BERGERAK)
Fluida statis atau fluida tak bergerak adalah keadaan yang dialami oleh fluida pada saat
diam, antar lain tekanan, sifat-sifat dan hukum-hukum yang berlaku.
1. Massa jenis dan berat jenis
Massa jenis atau kerapatan suatu zat adalah besarnya massa zat itu tiap satuan volume.
Massa jenis dinyatakan dengan ρ, massa m, dan volume V, maka hubungannya
𝑚
dituliskan sebagai berikut : 𝜌 = 𝑉 kg/m3
Berat jenis (BD) adalah berat (w) suatu zat tiap satuan volume (V) maka hubungannya
𝑤
𝑔
sebagai berikut : 𝐵𝐷 = 𝑉 = 𝑚 𝑉 = 𝜌. 𝑔
2. Tekanan
Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dibagi
dengan luas bidang itu. Dan secara matematis dirumuskan sebagai berikut:
F
P=
A
Satuan tekanan dalam SI dinamakan juga dalam Pascal (disingkat Pa), 1 Pa = 1 Nm-2.
Untuk keperluan lain dalam pengukuran, besaran tekanan juga biasa dinyatakan
dengan: atmosfere (atm), cm-raksa (cmHg), dan milibar (mb).
Contoh soal
a. Seorang peragawati dengan berat 450 N menggunakan sepatu hak tinggi dengan
ukuran hak 0,5 cm x 0,5 cm. Tentukan tekanan yang diberikan peragawati tersebut
pada lantai ketika ia melangkah dan seluruh berat badannya ditumpu oleh salah
satusepatunya;
b. Seorang pria dengan berat badan 800 N (lebih berat dari peragawati)
menggunakan sepatu dengan ukuran alas sepatu adalah 8 cm x 25 cm. Tentukan
tekanan yang diberikan
pria tersebut pada lantai ketika ia melangkah dan seluruh berat
Penyelesaian:
Diketahui:
 Berat wanita (peragawati) F = 450 N
 Luas hak sepatu = 0,5 cm x 0,5 cm = 0,25 x 10-4 m2
 Berat pria F = 800 N
 Luas sepatu pria = 8 cm x 25 cm = 2 x 10-2 m2
Modul Fisika XI
8
Maka tekanan:
(a) Peragawati dengan hak sepatu tinggi pada lantai adalah:
F
450
P = A =0.25𝑥10104= 18 x 106 Pa
(b) Pria dengan luas sepatu 2 x 10-2 m2 pada lantai adalah:
F
800
P = A =2𝑥10−2= 4 x 104 Pa
Komentar, meskipun berat peragawati lebih ringan dibandingkandengan berat pria,
tetapi tekanan yang diberikan peragawati terhadap lantai sekitar 450 kali lebih besar
dibanding tekanan yang diberikan pria terhadap lantai. Hal ini disebabkan
luaspermukaan sepatu peragawati 12,5 x 10-4 kali lebih kecil dibanding luas sepatu
pria. Dengan demikian peragawati dengan sepatu hak tinggi lebih merusak lantai dari
pada pria.
3.
Tekanan Hidrostatis
Pengertian tekanan hidrostatis
Tekanan hidrostatis adalah tekanan zat cair (fluida) yang hanya disebabkan oleh
beratnya. Gaya gravitasi menyebabkan zat cairdalam suatu wadah selalu tertarik ke
bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka makin berat zat cair itu, sehingga
makin besar tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah. Dengan kata lain pada
posisi yang semakin dalam dari permukaan, maka tekanan hidrostatis yang dirasakan
semakin besar. Dan tekanan hidrostatis tersebut dirumuskan sebagai berikut:
P = 𝝆. 𝒈 . 𝒉
Dimana:
𝜌 : massa jenis fluida
g : percepatan gravitasi bumi (= 10 m/s2)
h : kedalaman fluida dari permukaan (m)
Jika dalam satu wadah terdiri dari n jenis zat cair yang tak bercampur (massa jenisnya
berbeda), maka tekanan hidrostatis pada dasar wadah tersebut adalah merupakan total
jumlah tekanan hidrostatis oleh masing-masing jenis zat cair (fluida)
Contoh Soal: Konsep tekanan hidrostatis
1. Suatu wadah berisi air raksa, dengan massa jenis 13.600 kg/m3 setinggi 76 cm.
a. Berapa tekanan hidrostatis yang bekerja pada dasar wadah tersebut
b. Berapa tinggi air yang setara dengan tekanan hidrostatis tersebut
Penyelesaian:
Diketahui:
Massa jenis air raksa: = 13.600 kg/𝑚3
Kedalaman air raksa dalam wadah: h = 76 cm = 76 x 10−2m
Percepatan gravitasi bumi: g = 10 m/s2
Maka:
(a) Tekanan hidrostatis pada dasar wadah adalah:
P = 𝜌 ×g×h
=13.600 kg/𝑚3 x10 m/s2 x 76 x 10−2m
= 103.360 N/m =103.360 Pa
(b) Massa jenis air = 1000 kg/m3, maka ketinggian air yang setara dengan tekanan
air raksa dalam wadah adalah:
𝑃
103.360 Pa
h= 𝜌 ×g = 13.600 kg/𝑚3 ×102 = 10,336m =1.033,6 cm
4.
Tekanan gauge
Tekanan gauge adalah selisih antara tekanan yang tidak diketahui dengan tekanan
atmosfer (tekanan udara luar). Jadi nilai tekanan yang diukur dengan alat ukur tekanan
adalah tekanan gauge. Adapun tekanan sebenarnya adalah tekanan absolut atau
tekanan mutlak.
Modul Fisika XI
9
P = Pgauge + Patm
Sebagai ilustrasi, sebuah ban sepeda mengandung tekanan gauge 3 atm (diukur dengan
alat ukur) memiliki tekanan mutlak sekitar 4 atm, karena tekanan udara luar
(dipermukaan air laut) kira-kira 1atm.
Pada lapisan atas zat cair bekerja tekanan atmosfer. Atmosfer adalah lapisan udara
yang menyelimuti bumi. Pada tiap bagian atmosfer bekerja gaya tarik gravitasi. Makin
kebawah, makin berat lapisan udara yang diatasnya. Oleh karenanya makin rendah
kedudukan suatu tempat, makin tinggi tekanan atmosfernya. Dipermukaan air laut,
tekanan atmosfer sekitar 1 atm = 1,01 x 105 Pa. Fluida Statis Tekanan pada permukaan
zat cair adalah tekanan atmosfer Po, tekanan hidrostatis zat cair pada kedalaman h
adalah 𝜌 gh, maka tekanan mutlak pada kedalaman h zat cair adalah:
P = Po + ρgh
5. Hukum – hukum pada fluida tak bergerak
a. Hukum pokok hidrostatika
Untuk semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama maka tekanan
hidrostatikanya sama. Oleh karena permukaan zat cair terletak pada bidang datar, maka
titik-titik yang memiliki tekanan yang sama terletak pada suatu bidang datar. Jadi
semua titik yang terletak pada bidang datar didalam satu jenis zat cair memiliki tekanan
yang sama, ini dikenal dengan hukum pokok hidrostatika.
Maka berlaku PA = PB
ρAghA = ρBghB
ρAhA = ρBhB
b.
Hukum Archimedes
Gaya apung adalah gaya yang diberikan fluida (dalam hal ini fluidanya adalah air)
terhadap benda (yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida) dengan arah
keatas. Gaya apung Fa adalah selisih antara gaya berat benda ketika diudara Wbu
dengan gaya berat benda ketika tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida Wbf.
Hukum Archimedes berbunyi : Benda dalam zat cair baik seluruhnya maupun sebagian
akan mengalami gaya ke atas sebesar zat cair yang dipindahkan benda tersebut.
F = ρgv
Berat benda dalam zat cair adalah selisih berat benda di udara dengan gaya Archimedes,
ditulis :
W = Wu - F
W = berat benda dalam zat cair (N)
Modul Fisika XI
10
Wu = berat benda di udara (N)
F = gaya Achimedes (N)
Beberapa alat yang menggunakan Hukum Archimedes :
1. Hidrometer
2. Kapal laut
3. Kapal selam
c.
Hukum Pascal
Hukum Pascal berbunyiekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutuip
akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.
Alat-alat yang menggunakan Hukum Pascal adalah : Kempa Hidrolik, dongkrak
hidrolik dan rem hidrolik.
Dari sistem diperoleh :
𝐹
P1 = 𝐴1
1
𝐹
P2 = 𝐴2
2
Karena pada system, tekanan diteruskan ke
segala arah dengan sama besar, maka :
P1 = P2
𝐹1
𝐹2
=
𝐴1
𝐴2
d.
Tegangan permukaan
Tegangan permukaan adalah besarnya gaya yang dialami tiap satuan panjang pada
permukaan zat cair secara matematis dirumuskan sebagai berikut :
𝜸=
𝑭
𝒍
γ = Tegangan permukaan (N/m)
F = Gaya permukaan (N)
l = panjang (m)
jika kawat dicelupkan dalam air sabun maka kawat tersebut memiliki berat W akan
mendapat gaya permukaan F dari 2 permukaan air sabun tersebut, maka besarnya
tegangan permukaan adalah sebagai berikut :
𝜸=
e.
𝑾
𝟐𝒍
Meniskus dan kapilaritas
Meniscus adalah bentuk permukaan zat cair dalam suatu pipa (cekung atau
cembung). Sedangkan kapilaritas adalah gejala turun atau naiknya zat cair dalam
pembuluh yang sempit jika dimasukan ke dalam zat cair.
Kenaikan zat cair dalam pipa kapiler dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan :
2𝛾𝑐𝑜𝑠𝜃
𝜌𝑔𝑟
Y=
Modul Fisika XI
11
2. FLUIDA DINAMIS (BERGERAK)
1. Debit
Debit fluida didefinisikan sebagai besaran yang menyatakan volume fluida yang mengalir
melalui suatu penampang tertentu dalam satuan waktu tertentu. Debit fluida adalah nama
lain dari laju aliran fluida, dan secara matematis dirumuskan sebagai berikut:
Q = A.v
Q = Debit air (m3/det)
A = Luas penampang (m2)
v = kecepatan aliran (m/det)
banyaknya zat cair yang lewat melalui Penampang A1 sama dengan zat cair yang lewat
melalui penampang A2 tiap satuan waktu. Hal ini sesuai dengan persamaan kontinuitas Q1
= Q2
A1.v1 = A2.v2
A1
2.
A2
Asas Bernouli
Pada gambar di atas air di A1 mendapat tekanan sebesar P1 dari zat cair sebelah kirinya dan
di A2 juga mendapat tekanan P2 dari zat cair sebelah kanannya. Besar usaha yang
diperlukan untuk memindahkan zat cair dari penampang A1 ke penampang A2 adalah sama
dengan perubahan energi potensial dan perubahan energi kinetic secara matematis
dituliskan sebagai berikut :
W = ΔEk+ ΔEp
P1 . V1 – P2 . V2 = ½ m (𝑣22 − 𝑣12 ) + mg(h2-h1)
𝜌
Kemudian semua sukunya dibagi dengan 𝑚 maka diperoleh persamaan sebagai berikut :
P1 + ρgh1+½ ρ𝑣12 = P2 + ρgh2+½ ρ𝑣22
Pemakain Asas Bernoulli
a. Pipa Venturi
b. Pipa Pitot
Modul Fisika XI
12
SOAL
I. Pilihlah salah satu jawaban yang benar!
1.
Apabila suatu fluida cair dalam ruang terisolasi diberi gaya tekan luar , maka tekanan
tersebur akan diteruskan kesegala arah dengan sama besar. Pernyataan tersebut adalah
bunyi hukum ….
a. Archimedes
b. Newton
c. Hooke
d. Pascal
e. Asas Bernouli
2.
Dongkrak hidrolik di buat dengan menerapkan ….
a. Hukum Hidrostatis
b. Hukum Archimedes
c. Hukum Pascal
d. Hukum Hooke
e. Hukum gravitasi
3.
Apabila suatu benda dicelupkan ke dalam zat cair , maka benda tersebut akan
mengalami gaya tekan ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang
dipindahkan karena tumpah. Pernyataan tersebut merupakan isi ….
a. Hukum Hooke
b. Hukum Hidrostatis
c. Hukum Archimedes
d. Hukum Hooke
e. Hukum gravitasi
4.
Kempa hidrolik luas penampangnya masing-masing 1m2 dan 0,1 m2. Jika pada
penghisap kecil diberi beban 4 N, maka besarnya gaya pada penampang besar adalah
….
a. 0,2 N
b. 0,3 N
c. 0,4 N
d. 0,5 N
e. 0,6 N
5.
Sebuah kapal selam menyelam hingga kedalaman 200 m di bawah permukaan laut.
Jika massa jenis air laut 103 kg/m3 dan tekanan tekanan udara dipermukaan laut
diabaikan , maka besar tekanan yang dialami oleh dinding kapal selam adalah ….
a. 2 x 106 N/m2
b. 3 x 106 N/m2
c. 4 x 106 N/m2
d. 5 x 106 N/m2
e. 6 x 106 N/m2
6.
Sebuah kolam yang berkapasitas 40 m3 diisi dengan air hingga penuh menggunakan
pompa berkekuatan 0,25 m3/s. Maka lama waktu yang diperlukan adalah ….
a. 100 s
b. 120 s
c. 140 s
d. 160 s
e. 180 s
7.
Air mengalir dengan kecepatan 30 m/s dari suatu penampang yang luasnya 10 cm2 ke
penampang yang luasnya 4 cm2. Kecepatan aliran pada penampang kedua adalah ….
a. 70 m/s
b. 75 m/s
Modul Fisika XI
13
c. 80 m/s
d. 85 m/s
e. 90 m/s
8.
Silinder berisi air setinggi 2 m, massa jenis zat cair 1000 kg/m3 dan percepatan
gravitasi bumi 10 m/s2 maka besarnya tekanan hidrostatis sebesar ….
a. 10.000 Pa
b. 20.000 Pa
c. 30.000 Pa
d. 40.000 Pa
e. 50.000 Pa
9.
Pompa mengalirkan air dari danau ke suatu tempat melalui pipa dengan luas
penampang 0,5 m2. Jika kecepatan air dalam pipa 10 m/s , maka debit air adalah ….
a. 50 m3 / s
b. 55 m3 / s
c. 60 m3 / s
d. 65m3 / s
e. 70 m3 / s
10. Pipa kapiler dimasukkan tegak lurus ke dalam zat cair yang massa jenisnya 1,8 gr/cm3,
jari-jari pipa 0,5 mm , sudut kontak antara pi pa dengan zat cair 600. Jika pipa
kapiler, jika g = 10 m/s2 , tegangan permukaan pada suhu tersebut 0,0689 N/m, maka
kenaikan zat cair dalam pipa kapiler adalah ….
a. 7,6 x 10-3 m
b. 7,6 x 10-4 m
c. 7,6 x 10-5 m
d. 7,6 x 10-6 m
a. 7,6 x 10-3 m
II. Jawablah pertanyaan di bawah ini beserta langkah-langkahnya!
1. Tinjau suatu fluida dialirkan melalui suatu pipa mendatar, maka debit fluida yang
melalui penampang sempit sama dengan debit fluida yang melalui penampang besar.
Benarkah pernyataan tersebut? Jelaskan!
2. Jelaskan prinsip dari hukum kontinuitas aliran fluida. Dan tuliskan rumusan matematis
yang mendukung penjelasan tersebut.
3. Jika fluida mengalir pada sebuah pipa, kemudian mendadak pipanya dipersempit
penampangnya, bagaimana kelajuan aliran fluida pada penampang yang dipersempit
tersebut?
4. Jelaskan bagaimana syarat fluida dianggap sebagai fluida ideal. Apa yang anda ketahui
tentang: Viscositas, kompresibel, dan stasioner!
5. Air mengalir dengan kecepatan 1,4 m/s melalui sebuah selang yang diameternya 0,2 cm.
Berapakah lama waktu yang dibutuhkan untuk mengisi sebuah bak berbentuk silinder
dengan jari-jari 2 m sampai setinggi 1,44 m ?
Modul Fisika XI
14
BAB III
TERMODINAMIKA
Standar Kompetensi
Menerapkan hokum Termodinamika
Kompetensi Dasar
9.1 menguasai hokum Termodinamika
9.2 menggunakan hokum Termodinamika dalam perhitungan
Pengantar
Proses reversibel merupakan proses perubahan dari suatu keadaan awal ke keadaan
tertentu, dan dari keadaan akhir tersebut dimungkinkan terjadinya proses berbalik ke
keadaan awal semula dengan mudah bila pada sistem dikenai kondisi tertentu. Suatu proses
dikatakan terbalikkan (reversibel), apabila juga memenuhi persyaratan:
a. proses tersebut merupakan proses kuasistatik
b. dalam proses tersebut tidak terjadi efek-efek disipasi
Sedangkan proses kuasistatik didefinisikan sebagai suatu proses yang pada setiap
tahap perubahan sistem secara berturutan selalu mencapai keadaan kesetimbangan. Ini
berarti bahwa persamaan keadaan sistem pada setiap tahapan proses tetap dapat dituliskan.
Tentu saja pendefinisian tersebut hanya merupakan idealisasi keadaan nyatanya. Karena
pada umumnya proses alam/natural process selalu tidak terbalikkan (irreversibel).
Sebagai contoh, kalor itu sendiri tidak dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke
benda yang lebih panas. Walaupun dalam proses tersebut memenuhi Hukum Pertama
Termodinamika, tetapi proses tersebut tidak pernah dapat terjadi bila tanpa ada perubahan
lain. Untuk mengulangi proses tersebut secara terus menerus diperlukan pembalikan
proses, yang tentunya diperlukan sejumlah kerja. Dalam praktek sering kali diusahakan
agar kerja yang dihasilkan sistem lebih besar dibandingkan dengan kerja pada pembalikan
proses.
Suatu proses yang terdiri atas beberapa tahapan dari suatu keadaan setimbang ke
suatu keadaan setimbang lain, kemudian kembali ke keadaan setimbang semula disebut
daur atau siklus.
1. PROSES SIKLUS
Dari pengalaman atau eksperimen diketahui bahwa usaha dapat diubah menjadi
kalor seluruhnya. Sebagai contoh, jika dua benda digosokkan yang satu terhadap yang lain
didalam suatu sistem (fluida), maka usaha yang dilakukan akan dikonversikan dan timbul
sebagai kalor di dalam sistem. Selanjutnya ingin diketahui, apakah proses kebalikannya
juga dapat terjadi?. Dapatkah kalor diubah menjadi usaha seluruhnya, hal ini sangat penting
untuk kehidupan kita sehari-hari, karena konversi ini merupakan dasar kerja dari semua
mesin bakar atau mesin kalor dan kalor ini dikonversikan menjadi usaha mekanis.
Pengubahan kalor seluruhnya menjadi usaha dalam satu tahap saja dapat terjadi. Sebagai
contoh dapat dipelajari dalam uraian mengenai proses isotermik. Jadi, apabila diperhatikan
pada suatu proses ekspansi isotermal sistem gas ideal adalah suatu proses dimana energi
dalam tidak berubah (∆ U=0, karena temperatur sistem tetap) maka Q = -W.
Akan ditinjau contoh itu dengan memperhaikan gambar 1 berikut . Misalkan gas ideal
banyaknya tertentu mula-mula bervolume V1, tekanan P1 dan temperaturnya T1. Karena
temperatur tetap, maka ∆ U=0 ; dQ=dW.
Modul Fisika XI
15
Setelah volume sistem menjadi V2, maka usaha yang dilakukan sistem adalah:
W = nRT ln V2/V1
Berarti kalor yang diserapnya juga sama sebesar itu. Jelaslah bahwa seluruh kalor itu
diubah menjadi usaha luar. Keadaan ini dapat pula diilustrasikan sebagai berikut:
Namun apabila ditinjau dari segi praktiknya, proses yang demikian itu tidak dapat
diambil manfaatnya. Sebab, kita menghendaki perubahan kalor menjadi usaha luar tanpa
henti. Selama siklus diberi kalor, sistem diharapkan dapat menghasilkan usaha. Didalam
proses ekspansi isotermal ini berarti bahwa piston harus bergeser terus, maka sistem harus
mempunyai volume yang tidak terbatas. Tetapi karena volume sistem itu ada batasnya,
pada suatu saat proses itu harus berhenti, yaitu ketika volume mencapai harga maksimum.
Agar dapat mengubah kalor menjadi usaha lagi, sistem itu harus dikembalikan ke keadaan
semula. Dapatkah digunakan proses kebalikannya? Yaitu isotermik lagi sampai keadaannya
sama dengan keadaan awalnya?. Kalau hal ini dilakukan, maka pada sistem dilakukan
usaha sebesar W dan sistem melepaskan kalor sebesar Q juga. Agar secara praktis dapat
berguna, konversi harus dapat berjalan tanpa henti, tanpa memerlukan volume yang tak
terhingga.
Suatu jalan keluar yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan rangkaian
proses, tidak hanya satu proses tunggal saja, atau proses satu tahap saja. Rangkaian proses
yang dimaksud adalah siklus, yaitu rangkaian proses sedemikian rupa sehingga keadaan
sistem pada akhir proses sama dengan keadaan awalnya, sehingga proses dapat diulang.
Proses siklus terlukis seperti dalam gambar berikut ini.
Mulai dari P1V1 sistem gas mengalami proses isotermik sampai P2V2. Kemudian
proses isobarik mengubah sistem sampai P2V1 dan akhirnya proses isokhorik membuat
sistem kembali ke P1V1. Netto usaha yang dilakukan sistem dinyatakan oleh luas bagian
yang diarsir pada diagram itu. Pada akhir proses kedaan sistem kembali ke keadaan semula.
Modul Fisika XI
16
Dengan demikian pada akhir siklus energi dalam sistem sama dengan semula. Dapatlah
sekarang disimpulkan bahwa agar dapat melakukan usaha terus menerus, sistem itu harus
bekerja dalam suatu siklus. Pada diagram siklus tergambar sebagai kurva tertutup.
Perhatikan gambar dibawah ini beberapa ilustrasi diagram proses bersiklus.
Mengingat bahwa energi dalam U adalah fungsi keadaan Uf = Ui , maka Hukum Pertama
Termodinamika dapat dinyatakan: Q = -W
Jelas pula bahwa selama satu siklus sistem melakukan sejumlah usaha dan sejumlah
usaha lain diadakan pada sistem. Apabila siklus dijalani searah dengan jarum jaw (clock
wise), maka mesin akan menghasilkan usaha [W=- W ] Mesin yang demikian disebut
mesin kalor.
Apabila siklus yang akan dijalani berlawanan dengan arah gerak jarum. Jam (counter clock
wise), maka mesin memerlukan usaha luar: W=W Namun tetap berlaku: η dU = 0
Mesin yang demikian disebut mesin pendingin. Ternyata pula bahwa pada suatu siklus
terdapat cabang dimana sistem menyerap kalor tetapi selalu terdapat pada cabang yang lain
sistem melepas kalor. Dari hampir semua hasil eksperimen menyatakan bahwa tidak
mungkin mesin kalor dalam suatu siklus hanya menyerap kalor saja selain menghasilkan
sejumlah usaha. Selalu akan ada bagian tertentu dari siklus dimana mesin melepas
sejumlah kalor pada lingkungan. Dengan pernyataan lain mesin kalor tidak mungkin
mengkonversikan seluruh kalor yang diserap menjadi usaha. Ketidakmungkinan ini
kemudian dinyatakan sebagai Hukum Kedua Termodinamika. Perumusan Hukum Kedua
Termodinamika dapat juga ditentukan dari Hukum Pertama Termodinamika sebagai
berikut:
dQ = dU - dW
Apabila diintegrasikan, untuk satu siklus mesin kalor, maka akan didapat:
∆ dQ =∆dU -∆dW
atau:
Q = -W
Dengan Q adalah kalor yang dikonversikan menjadi usaha.
Jadi,
|𝑄| = |𝑄𝑚 | - |𝑄𝑘 |
dan |𝑊| adalah usaha yang dihasilkan mesin kalor dalam siklus dimana |𝑊| adalah luas
siklus pada diagram P-V
Modul Fisika XI
17
Agar lebih jelas perhatikan ilustrasi gambar berikut ini.
a.
b.
c.
d.
Pada proses isothermal persamaan keadaan gas idealnya sebagai berikut:
𝑛𝑅𝑇
P= 𝑉 , karena nRT merupakan bilangan tetap .
Secara umum usaha yang dilakukan gas dinyatakan oleh persamaan berikut :
W=p. ∆ V
Dari persamaan diatas maka W = nRT ln V2/V1
Pada proses isokhorik
Apat terjadi pada suatu sistem yang volum ruangnya tetap. ∆ V= 0
W= p . ∆ V
W=0
Proses isobarik
Usaha yang dilakukan gas pada proses isobarik dapat dicari sebagai berikut :
W = -p (V2 – V1)
W=p.∆V
Proses adiabatik
Proses adiabatik p berbanding terbalik dengan Volume gas, dipangkatkan dengan ᵞ .
ᵞ merupakan konstanta Laplace antar 1 – 1,8 . rumus poison p ~ 𝑉1𝛾
P1.V1ᵞ = P2.V2ᵞ
ᵞ=
𝐶𝑝
𝐶𝑣
2.
EFISIENSI MESIN KALOR DAN MESIN PENDINGIN
Ada banyak cara untuk mengungkapkan Hukum Kedua Termodinamika.Dalam uraian
ini dipilih cara yang dekat dengan segi pemanfaatannya. Jadi perumusan yang akan kita
kemukakanadalah seperti perumusan awal, yaitu perumusan yang berkaitan dengan
kegunaan yang menjadi titik tolak ditemukan Hukum Kedua Termodinamika. Dalam hal
ini kita memerlukan pengertian mengenai konsep mesin kalor dan mesin pendingin. Mesin
kalor, sebagai contoh seperti motor bakar atau mesin letup pada mobil, adalah suatu
alat/sistem yang berfungsi untuk mengubah energi kalor/energi panas menjadi energi
usaha/energi mekanik. Sedangkan mesin pendingin, sebagai contoh lemari es/refrigerator
adalah suatu alat/sistem yang berfungsi yang berfungsi untuk secara netto memindahkan
kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas dengan menggunakan usaha yang
dimasukkan dari luar. Ciri utama mesin kalor atau mesin panas adalah sebagai berikut:
a. berlangsung secara berulang (siklus),
b. hasil yang diharapkan dari siklus mesin ini adalah usaha mekanik,
c. usaha ini merupakan hasil konversi dari kalor yang diserap dari reservoir panas,
d. tidak semua kalor yang keluar dan terambil dari reservoir panas dapat dikonversikan
menjadi usaha mekanik. Ada yang dibuang ke reservoir dingin dalam bentuk kalor pada
suhu rendah. Sifat-sifat tadi secara skematik dikemukakan dalam diagram gambar jika
kemudian arah-arahnya dibalik, seperti pada diagram gambar akan diperoleh skema
kerja mesin pendingin. Agar lebih jelas perhatikan dengan seksama Gambar berikut ini.
Modul Fisika XI
18
Perhatikan pada gambar 6(a), Q1 adalah total kalor yang diambil dari reservoir panas
selama satu siklus, bertanda positif karena kalor masuk ke dalam sistem (siklus).
Sedangkan W adalah usaha yang dilakukan oleh sistem selama satu siklus, bertanda negatif
karena sistem melakukan usaha terhadap lingkungan. Selanjutnya kalor Q2 adalah kalor
yang mengalir dari sistem ke reservoir dingin. Untuk mesin pendingin, prinsip kerjanya
adalah merupakan kebalikan dari mesin pemanas, seperti ditunjukkan pada gambar 6(b).
Tanda Q1, Q2 dan W pada gambar ini adalah kebalikan dari gambar 6(a). Pada mesin
pendingin hasil yang diharapkan adalah pengambilan pada suhu rendah (yaitu dari bendabenda yang didinginkan). Perlu diperhatikan,
bahwa untuk memindahkan kalor sebesar Q2 dari reservoir dingin ke reservoir panas dalam
satu siklus diperlukan adanya usaha dari luar sebesar +W (tanda positif karena usaha
dilakukan terhadap sistem). Usaha sebesar W ini pada akhirnya akan masuk bersama-sama
dengan kalor Q2 ke reservoir panas sebagai kalor dengan jumlah total Q1. Parameter
penting pada kedua macam alat itu adalah “efisiensi” yang dinyatakan dengan notasi (η )
bagi mesin panas dan “koefisien daya guna”
yang dinyatakan dengan η bagi mesin pendingin. Atau dapat didefinisikan besaran efisiensi
mesin untuk menggambarkan atau membandingkan kinerja dari mesin-mesin tersebut.
Secara umum dapat dinyatakan bahwa:
hasil yang diinginkan
Efisiensi =yang harus disediakan
Jadi, untuk mesin panas/mesin kalor dapat didefinisikan atau dinyatakan bahwa:
𝑊
η= -𝑄1
Dan
- untuk mesin pendingin dapat dinyatakan atau didefinisikan bahwa:
Koefisien Daya Guna:
𝑄
η= 𝑊2
Besarnya koefisien ini bergantung pada keadaan detail dan masing-masing proses yang
membentuk siklus atau daur. Dengan mengingat proses yang dijalani sistem adalah proses
lingkar, sehingga dapat dinyatakan U=0, sebab itu W = -Q = -(Q1+Q2) pada kedua hal,
maka diperoleh:
−𝑊
Efisinsi untuk mesin panas adalah η = 𝑄
Atau η =
+(𝑄1 +𝑄2 )
𝑄1
1
𝑄2
=1+𝑄
𝑄2
1
Sehingga η = 1 - |𝑄 |
1
Koefisien Daya Guna mesin pendingin adalah η =
Atau
𝑄2
η = −𝑄
1 − 𝑄2
sehingga η = |𝑄
Modul Fisika XI
𝑄2
𝑊
𝑄2
1 |− 𝑄2
19
Parameter-parameter itu besarnya tentu bergantung pada jenis proses yang dijalani sistem.
Proses yang terjadi umumnya tidak kuasistasik karena berlangsung cepat dan dengan suhu
yang tidak serba sama/uniform pada bagian-bagian sistem. Namun kita dapat
mangaproksimasikannya dengan suatu proses kuasistatik tertentu. Untuk itu berikut akan
kita bahas beberapa contoh proses bersiklus.
Siklus Carnot
Siklus Carnot atau lingkaran carnot adalah suatu siklus ideal yang diciptakan oleh Sidi
Carnot (1796 – 1832) Carnot mengemukakan siklus ideal, mengungkapkan kalor menjadi
usaha secara proses lintasan tertutup. Siklus carnot berpengaruh pada perkembangan
mesin-mesin panas misalnya mesin uap, mesin diesel, mesin bensin dan mesin jet.
Siklus carnot terdiri atas proses-proses :
a. Proses pemuaian secara isotermik
b. Proses pemuaian adiabatik
c. Proses pemampatan isotermik
d. Proses pemampatan adiabatik
PA
PB
PD
PC
T1
T2
Keterangan :
1. Proses A => B
Pada proses ini gas mendapat kalor dari reservoir bersuhu T1, gas akan mengembang
secara isotermal sehingga dihasilakan usaha WAB.
2. Proses B => C
Pada proses ini gas tidak mendapat kalor dari luar secara termal. Gas dibiarkan
mengembang (memuai) secara adiabatik, sehingga suhu turun menjadi T2 dan gas
melakukan kerja sebanyak WAB usaha yang dilakukan sistem W = Q1 – Q2
3. Proses C => D
Pada proses ini gas dikontakkan dengan reservoir dingin bersuhu T2, gas membuang
panas Q2 dan gas menerima kerja dari luar sebayak WCD.
4. Proses D => A
Gas dimampatkan secara adiabatik, sehingga suhu gas naik dari T2 menjadi T1 dan gas
menerima kerja dari luar sebanyak WDA.
Besarnya kerja yang dilakukan gas selama siklus adalah = luas yang dibatasi garis ABCD.
Dalam siklus Carnot tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0), sehingga sesuai hukum
I Termodinamika
∆U = Q - W
Modul Fisika XI
20
0 = (Q1 – Q2) – W
W = Q1 – Q2
Efisiensi mesin carnot untuk W= Q1-Q2 adalah ….
𝑄
η =1 − 𝑄2 x 100%
1
Mesin yang bekerja diantara reservoir dengan suhu T1 dan reservoir dengan suhu T2 ( T1
>T2), efisiensi maksimalnya sebesar:
𝑇
η =1 − 𝑇2 x 100%
1
Soal
1. Suatu proses dimana tidak ada penambahan atau pemindahan panas disebut ….
a. adiabatik
b. isotermik
c. isobarik
d. isokhorik
e. isovolume
2.
Jika suatu gas ideal dimampatkan secara isotermik sampai volumenya menjadi
setengahnya, maka ….
a. tekanan dan suhu tetap
b. tekanan menjadi 2 kali dan suhu tetap
c. tekanan tetap dan suhu menjadi 2 kali
d. tekanan dan suhu menjadi 2 kali
e. tekanan menjadi 2 kali dan suhu menjadi ½ kali
3.
Sebuah mesin Carnot setiap siklusnya menerima energi dari reservoir suhu tinggi
12000 J dan membuang energi 4000 J ke reservoir suhu rendah. Besar efisiensi mesin
adalah ….
a. 17 %
b. 33 %
c. 50 %
d. 67 %
e. 99 %
4.
Sebuah mesin gas bekerja dalam suatu siklus Carnot antara 227°C dan 127°C. jika
mesin menyerap 6 x 104 kalori, pada temperatur yang tertinggi, maka usaha per siklus
yang dihasilkan mesin adalah ….
a. 2 x 103 kal
b. 2,85 x 103 kal
c. 4,09 x 103 kal
d. 4,72 x 103 kal
e. 5,04 x 103 kal
5.
Suatu gas yang volumenya 0,5 m3 perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap
hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha luar gas tersebut 3 x 105 Joule maka
tekanan gas adalah ….
a. 1,5 x 105 Nm-2
b. 2,0 x 105 Nm-2
c. 4,5 x 105 Nm-2
d. 4,8 x 105 Nm-2
e. 6,0 x 105 Nm-2
Modul Fisika XI
21
6.
Suatu sistem mengalami proses adiabatik, pada sistem dilakukan usaha 100 Joule. Jika
perubahan energi dalam sistem adalah ∆U dan kalor diserap sistem adalah Q, maka
….
a. ∆U = - 1000 J
b. ∆U = 100 J
c. ∆U = 0
d. Q = 10
e. ∆U + Q = - 100
7.
Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu rendahnya 27°C memiliki daya 40%, jika
daya gunanya akan diperbesar menjadi 50%, reservoir suhu tingginya harus dinaikan
sebesar ….
a. 25 K
b. 50 K
c. 75 K
d. 100 K
e. 150 K
8.
Suatu mesin pembangkit listrik memiliki suhu reservoir tinggi pada 500 °C, dan suhu
reservoir dingin pada 50°C maka efisiensi maksimum adalah ….
a. 50 %
b. 58 %
c. 60 %
d. 68 %
e. 70 %
9.
Suatu jenis gas yang menempati volume 100 cm3 pada temperatur 0 °C dan tekanan 1
Atm. Bila temperatur menjadi 50 °C sedangkan tekanan menjadi 2 Atm, maka volume
gas menjadi ….
a. 118,3 cm3
b. 59,2 cm3
c. 38,4 cm3
d. 45,5 cm3
e. 84,5 cm3
10. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut :
1. Pada proses isokorik gas tidak melakukan usaha
2. Pada proses isobarik gas selalu mengembang
3. Pada proses adiabatik gas selalu mengembang
4. Pada proses isotermik energi dalam gas tetap
Pernyataan yang sesuai dengan konsep Termodinamika adalah ….
a. 1 dan 2
b. 1,2 dan 3
c. 1 dan 4
d. 3 dan 4
e. 2,3 dan 4
Modul Fisika XI
22