Kumpulan Soal HUKUM TERMODINAMIKA FISIKA SMA KELAS XI

Soal 1: Energi Dalam Gas Ideal

Soal:
Sebuah gas ideal terdiri dari 2 mol gas monoatomik berada pada suhu 300 K. Hitunglah energi dalam gas tersebut! Diketahui $R = 8.314 \, \text{J/mol} \cdot \text{K}$.

Pembahasan:
Energi dalam gas ideal monoatomik dihitung dengan:

$$U = \frac{3}{2} nRT$$
$$U = \frac{3}{2} \times 2 \times 8.314 \times 300 = 7,482.6 \, \text{J}$$

Jadi, energi dalam gas tersebut adalah 7,482.6 J.

Soal 2: Perubahan Energi Dalam

Soal:
Jika suhu gas monoatomik meningkat dari 300 K menjadi 600 K, hitunglah perubahan energi dalam gas tersebut! Asumsikan jumlah mol gas tetap 2 mol.

Pembahasan:
Perubahan energi dalam dihitung dengan:

$$\Delta U = \frac{3}{2} nR \Delta T$$
$$\Delta U = \frac{3}{2} \times 2 \times 8.314 \times (600 - 300) = 7,482.6 \, \text{J}$$

Jadi, perubahan energi dalam gas tersebut adalah 7,482.6 J.

Soal 3: Hukum Pertama Termodinamika

Soal:
Gas ideal melakukan usaha 500 J saat dipanaskan dengan jumlah panas sebesar 1,000 J. Berapakah perubahan energi dalam gas tersebut?

Pembahasan:
Menurut hukum pertama termodinamika:

$$\Delta U = Q - W$$
$$\Delta U = 1,000 - 500 = 500 \, \text{J}$$

Perubahan energi dalam gas adalah 500 J.

Soal 4: Mesin Kalor

Soal:
Sebuah mesin kalor menyerap 4,000 J panas dari reservoir panas dan membuang 1,500 J panas ke reservoir dingin. Berapakah usaha yang dilakukan oleh mesin kalor?

Pembahasan:
Menurut hukum pertama termodinamika:

$$W = Q_h - Q_c$$ $$W = 4,000 - 1,500 = 2,500 \, \text{J}$$

Usaha yang dilakukan oleh mesin kalor adalah 2,500 J.

Soal 5: Efisiensi Mesin Kalor

Soal:
Sebuah mesin kalor menyerap 5,000 J panas dan melakukan usaha sebesar 2,000 J. Hitung efisiensi mesin tersebut.

Pembahasan:
Efisiensi mesin kalor dihitung dengan:

$$\eta = \frac{W}{Q_h} \times 100\%$$
$$\eta = \frac{2,000}{5,000} \times 100\% = 40\%$$

Efisiensi mesin adalah 40%.

Soal 6: Mesin Carnot

Soal:
Sebuah mesin Carnot bekerja antara dua reservoir suhu 500 K dan 300 K. Hitung efisiensi maksimum mesin tersebut.

Pembahasan:
Efisiensi mesin Carnot dihitung dengan:

$$\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}$$ $$\eta = 1 - \frac{300}{500} = 0.4 \, \text{atau} \, 40\%$$

Efisiensi maksimum mesin Carnot adalah 40%.

Soal 7: Mesin Pendingin

Soal:
Sebuah mesin pendingin bekerja dengan menyerap 2,000 J panas dari ruang dingin dan membuang 3,000 J panas ke lingkungan. Berapa usaha yang dilakukan oleh mesin pendingin tersebut?

Pembahasan:
Menurut hukum pertama termodinamika:

$$W = Q_h - Q_c$$ $$W = 3,000 - 2,000 = 1,000 \, \text{J}$$

Usaha yang dilakukan oleh mesin pendingin adalah 1,000 J.

Soal 8: Koefisien Performa Mesin Pendingin

Soal:
Sebuah mesin pendingin bekerja dengan menyerap 1,200 J dari ruang dingin dan memerlukan usaha 400 J. Hitung koefisien performa (COP) mesin pendingin tersebut.

Pembahasan:
Koefisien performa mesin pendingin dihitung dengan:

$$COP = \frac{Q_c}{W}$$ $$COP = \frac{1,200}{400} = 3$$

Koefisien performa mesin pendingin adalah 3.

Soal 9: Mesin Carnot dengan Efisiensi Maksimum

Soal:
Sebuah mesin Carnot memiliki efisiensi 50%. Jika suhu reservoir dingin adalah 200 K, berapa suhu reservoir panas?

Pembahasan:
Gunakan rumus efisiensi Carnot:

$$\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}$$ $$0.5 = 1 - \frac{200}{T_h}$$ $$\frac{200}{T_h} = 0.5$$
$$T_h = \frac{200}{0.5} = 400 \, \text{K}$$

Suhu reservoir panas adalah 400 K.

Soal 10: Usaha dalam Siklus Mesin Kalor

Soal:
Sebuah mesin kalor menerima 6,000 J panas dari reservoir panas dan membuang 2,000 J panas ke reservoir dingin. Hitunglah usaha total yang dilakukan mesin dalam satu siklus.

Pembahasan:
Usaha yang dilakukan oleh mesin kalor dalam satu siklus:

$$W = Q_h - Q_c$$ $$W = 6,000 - 2,000 = 4,000 \, \text{J}$$

Usaha total yang dilakukan oleh mesin adalah 4,000 J