soal-soal tentang termodinamika-hukum termodinamika II

HUKUM TERMODINAMIKA II

1. sebuah mesin bensin dalam truk yang besar menerima 10000 J panas dan menghasilkan 2000 J kerja mekanik pada setiap siklus. Panas diperoleh dengan cara membakar bensin dengan panas pembakaran L_c = 5 x 10⁴ J/kg. a) berapa  efisiensi termal mesin ini? b) Berapa banyak panas terbuang pada setiap siklus? c) Berapa banyak bensin terbakar pada setiap siklus? d) jika mesin mengalami 25 siklus per sekon, berapa daya keluaran dalam watt? dalam daya kuda? e) berapa banyak bensin terbakar per sekon? per jam?
2. sebuah mesin carnot mengambil 2000 J panas dari reservoir pada 500 K, melakukan kerja, dan membuang sejumlah panas ke reservoir pada 350 K. Berapa banyak kerja yang dilakukan, berapa banyak panas yang terbuang, dan berapa efisiensinya?

1.     Diket :Q_H = 10000 J

                    W = 2000 J

                   L_c = 5 x 10⁴ J/kg

        Ditanya  : a) e =....?

                        b) Q_c=...?

                        c) m=....?

                        d) P=...?

                        e) massa/s, massa/jam=....?

       Jawab: a) e = W/ Q_H

                                           = 20％

                   b)  Q_c= W - Q_H = - 8000 J

                   c)  Q_H= m.L_c

                                        m = 0,2 g

                   d) P = (2000 J/siklus)(25 siklus/s)

                           = 50000 W = 50 kW

                           = 50000 W 1hp/746W

                            = 67 hp

                 e) massa/s = (0,2 g/siklus)(25 siklus/s) = 5 g/s

                    massa/jam= 5 g/s (3600 s/1jam)

                                     = 18000 g/jam = 18 kg/jam

2. Diket : Q_H = 2000 J, T_H = 500 K, T_C = 350 K

    Ditanya : W, Q_C, e =.......?

    Jawab : Q_C = - Q_H (T_C/T_H)

                      = - 1400 J

                 W = Q_H + Q_C

                      = 2000 J + (-1400) J

                      = 600 J

                  e = W/ Q_H

                                 = 600 J/ 2000 J

                    = 0,30

                   = 30 ％

                        

1. sebuah mesin diesel menghasilkan 2200 J kerja mekanik dan membuang 4300 J panas pada setiap siklus. a) berapa banyak panas yang harus diberikan ke mesin pada setiap siklus? b) berapa efisiensi termal mesin?
2. sebuah mesn pesawat mengambil 9000 J panas dan membuang 6400 J setiap siklus. a) berapa kerja mekanik keluaran dari mesin setiap siklus? b) berapa efisiensi termal mesin?
3. sebuah mesin bensin mengambil 16100 J panas dan menghasilkan 3700 J kerja per siklus. Panas diperoleh dari pembakaran bensin dengan panas pembakaran 4,6 x 10⁴ J/kg. a)berapa efisiensi termalnya? b) berapa banyak kalor dibuang dalam setiap siklus? c) berapa massa bensin yang dibakar dalam setiap siklus? d) jika mesin mengalami 60 siklus per detik, berapa daya keluarannya dalam kilowatt? dalam hp?
4. berapa rasio kompresi yang harus dimiliki siklus otto untuk mencapai efisiensi ideal 65% jika Ɣ= 1,4?
5. sebuah pendingin memiliki koifisien kinerja 2,1. setiap siklus menyerap 3,4 x 10⁴ J panas dari reservoir dingin. a) berapa banyak energi mekanik yang dibutuhkan dalam setiap siklus untuk menjalankan pendingin? b) selama setiap siklus, berapa banyak panas yang dibuang ke reservoir dengan suhu yang lebih tinggi?
6. sebuah mesin carnot dengan reservoir suhu-tinggi pada 620 K mengambil 550 J panas pada suhu ini dalam setiap siklus dan memberikan 335 J ke reservoir suhu-rendah. a) berapa banyak kerja mekanik yang dilakukan mesin selama setiap siklus? b) berapa suhu reservoir suhu-rendah? c) berapa efisiensi termal siklus?

1. diket

W = 2200 J

Qc= 4300 J

ditanya : a), Q_H = ?...

                                     b), e = ?...

jawab a) w = [Q_H] - [Q_c]

                                                   Q_H = 2200 + 4300

                                                          =  6500 J

                                b) e =   W 

                                              Q_H

                                         = 2200 J

                                      6500 J

                                   = 0,34

                                    = 34％

2. diket

Q_H = 9000J

Qc = 6400J

ditanya : a), W = ?...

                                     b), e = ?...

jawab a) w = [Q_H] - [Q_c]

                       = 9000J + 6400J

                       =  2600 J

                                b) e =   W 

                                               Q_H

                                          = 2600 J

                                      9000 J

                                   = 0,29

                                    = 29％

3.diket

Q_H = 16100 j

W  = 3700 j

Lc  = 4,6 x 10⁴ j/g

ditanya : a) e = ?

                                     b)  Qc = ?

                                      c) m = ?

                                     d)   P jika t= 60 siklus/s. = ?

jawab : a)  e =   W   

                          Q_H

                        =  3700 J

                       16100 J

                    = 0,23  

                   = 23％

         b) Q_C = W - Q_H

                            = 3700 J - 16100 J

                 = - 12.400 J

        c) Q_H = m. L_C

                  = 16100 J / (4,6 x 10⁴ J/g)

                  = 0,35 g

         d) P = 3700 J x 60 siklus/s

                 = 222000 W

                 = 222 kW

                 = 222000 W x 1hp/746 W

                 = 297,6 hp

4. Diket : e = 65%

               Ɣ= 1,4

    Ditanya : r =....?

   Jawab : e = 1 -  (1/r^Ɣ-1)

                         0,65 = 1 -  (1/r^1,4-1)

                  1  = 0,35-r^0,4

                r^0,4 = 2,86

          r = 2,86^1/0,4

                r = 13,8

5. Diket : K = 2,1

               Q_C = 3,4 x 10⁴ J

    Ditanya : a) W=....?

                   b) Q_H =...?

   Jawab : a) K = | Q_C |

                                           | W |

                   2,1 = 3,4 x 10⁴ J

                                                   | W |

                      | W |= 1,62 x 10⁴ J

                   

5. b)   | Q_H | =   | Q_C | -   | W |

                   = 3,4 x 10⁴ J + 1,62 x 10⁴ J

                   = 5,02 x 10⁴ J

6. Diket : T_H = 620 K

                Q_H = 550 J

                Q_C = 335 J

    Ditanya : a) W=...?

                   b) T_C =...?

                   c) e=...?

     Jawab : a) W = | Q_H | -   | Q_C |

                           = 550 J - 335 J

                           = 215 J

                  b) Q_C       T_C

                      Q_H        T_H

                       T_C = 335 J. 620 K

                                       550 J

                        T_C = 377,6 K

6.c) e= 1 -  T_C/ T_H

  = 1 – (377,6 K / 620 K)

    = 620 K – (377,6 K/620 K)

           = 0,39

           = 39%

      

soal-soal tentang termodinamika-sifat termal materi

SIFAT TERMAL MATERI

SOAL LATIHAN

1. volume gas pada STP kondisi yang disebut sebagai suhu dan tekanan standar untuk gas didefinisikan sebagai suhu 0° C=273,15 K dan tekanan 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa. jika anda ingin menjaga 1 mol gas ideal dalam kamar anda pada STP, berapa besar wadah yang diperlukan ?
2. tangki "kosong" berisi 11,0 L udara pada 21°C dan 1 atm. Ketika tangki dipenuhi dengan udara panas dari sebuah kompresor, suhunya menjadi 42°C dan tekanan alat ukur adalah 2,1 x 10⁵ Pa. Berapakah massa udara yang ditambahkan?(udara adalah campuran dari berbagai gas, kurang lebih 78％ nitrogen, 21％ oksigen, dan 1％ sisanya bermacam-macam; massa molar rata-ratanya adalah 28,8 gram/ mol =28,8 x 10^-3  kg/mol.)
3. carilah massa atom hidrogen tunggal dan massa dari molekul oksigen.
4. tentukan jumlah molekul dan jumlah mol dalam satu meter kubik udara pada tekanan atmosfer dan 0⁰ C.
5. perhitungan lintasan bebas rata-rata  a) perkiraan lintasan bebas rata-rata dari sebuah molekul udara pada 27°C dan 1 atm. modelkan molekul itu sebagai bola berjari-jari r = 2,0 x 10^-10_m.  b) perkiraan waktu bebas rata-rata dari sebuah molekul oksigen dengan ^{v = v}_rms,

PEMBAHASAN

1. Diket : T = 0°C = 273,15 K

                    p = 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa

                               n = 1 mol

                    R = 8,315 J/mol.K

        Ditanya : V =.....?

        Jawab :  pV = nRT

                        V = (1 mol). (8,315 J/mol.K).(273,15 K)

                                         1,013 x 10⁵ Pa

                           = 0,0224 m³

                           = 22,4 L

2.            Diket : V₁ = V₂ = 11 L = 11 x 10^-3 m³

                   p₁ = 1atm = 1,013 x 10⁵ Pa

                   T₁ = 21°C = 294 K

                   R = 8,315 J/mol.K

                   p₂ = 2,1 x 10⁵ Pa

                   T₂ = 42°C = 315 K

                   M = 28,8 x 10^-3 kg/mol

                Ditanya : m tambahan:....?

        Jawab : n₁ = p₁V₁/RT₁

                                         =(1,013 x 10⁵ Pa).(11 x 10^-3 m³)

                              (8,315 J/mol.K).(294 K )  

                         = 0,46 mol

                     n₂ = p₂V₂/RT₂

                                        = (2,1 x 10⁵ Pa).(11 x 10^-3 m³)

                             (8,315 J/mol.K).(315 K)

                         = 88,6 mol

                                 m = M.(n₂-n₁)

                         = (28,8 x 10^-3 kg/mol).(88,6mol-0,46mol)

                         = 2,54 kg

3. Diket : M H = 1,008 g/mol

               N_A = 6,022 x 10²³ molekul/mol

      Ditanya : m H=.....?

     Jawab : m H = M H / N_A

                                      = (1,008 g/mol)/(6,022 x 10²³ molekul/mol)

                        = 1,674 x 10^-24 g/molekul

4. Diket : p = 1 atm =1,013 x 10⁵ Pa

               V = 1 m³

                       k = 1,38 x 10^-23 J/K

               T = 0°C = 273 K

   Ditanya : N  dan n =.....?

  Jawab : N = pV/kT

        N= (1,013 x 10⁵ Pa).(1 m³)/(1,38 x 10^-23 J/K).(273 K)

           = 2,69 x 10²⁵ molekul

      n = N/N_A

               =(2,69 x 10²⁵ molekul)/(6,022 x 10²³ molekul/mol)

          = 44,7 mol

   n dalam 1 m³= (1 m³)/(44,7 mol)

                        =0,0224 m³/mol

                        = 22,4 L/mol

5. Diket : T= 300 K

                p = 1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa

               r= 2 x 10^-10 m

               v = 484 m/s

  Ditanya : a) λ=....?

                  b) t=...?

Jawab : a) λ = (1,38 x 10^-23 J/K).(300 K)/4л√2(2 x 10^-10 m)²(1,01 x 10⁵ Pa)

                   = 5,8 x 10 ^-8 m.

            b) t =λ/v =(5,8 x 10 ^-8 m)/(484 m/s)= 1,2 x 10^-10 s

LATIHAN SOAL

1. Tangki 20,0 L berisi 0,225 Kg helium pada 18,0°C.Massa molar helium adalah 4,00 g/mol.a ) Berapa mol helium berada dalam tangki?b )Berapakah tekanan dalam tangki,dalam Pascal dan dalam atmosfer?
2. Gas helium dengan volume 2,60 L di bawah tekanan maupun 1,30 atm dan pada suhu 41,0°C,dihangatkan hingga baik tekanan maupun volume menjadi dua kali lipat.a )Berapakah suhu akhir ? b) Berapa gram helium yang ada disana?Massa molar helium adalah 4,00 g/mol.
3. sebuah tangki silinder memiliki piston yang terpasang baik sehingga memungkinkan volume tangki diubah.Tangki pada awalnya berisi 0,110 m³ udara pada tekanan 3,40 atm.Piston secara perlahan di tarik keluar hingga volume gas bertambah menjadi 0,390 m^{3 .} Jika suhu tetap konstan, berapakah nilai tekanan akhir?
4. pompa hampa modern memudahkan untuk memperoleh tekanan dalam orde 10^-13  atm dalam laboratorium.pada tekanan 9,00 x 10^-14 atm dan suhu biasa (Katakanlah, T = 300 K ),berapa molekul yang terdapat dalam volume 1,00 cm³?
5. berapa mol yang terdapat dalam sebotol air 1,00kg? berapa molekul? massa molar air adalah 18,0 g/mol.
6. hitunglah lintasan bebas rata-rata dari molekul udara pada tekanan 3,50 x 10^-13  atm dan suhu 300 K. (tekanan ini telah dapat dicapai di laboratorium; lihat latian 16-16) modelkan molekul udara sebagai  dengan jari-jari2,0 x 10^-10m.
7. a) berapa banyak panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 2,50 mol gas ideal diatomik dengan 30,0K di sekitar suhu ruang jika gas dijaga pada volume konstan? b) apakah jawaban dari pertanyaan bagian (a) jika gas bukan automik melainkan monoatomik.?

PEMBAHASAN

1. Diket : V = 20 L

                   m He = 0,225 kg

                   T =18° C= 291,15 K

                   M he =4 g/mol

                Ditanya : a).mol He =........?

                                 b).P dalam pacsal dan atmosfer =.....?

                Jawab : a).mol He =m He/M He

                                      = 0,225 x 10³ g/4 g/mol   

                                      = 56,25 mol   

                                b) pV=nRT   

                   p = 56,25 mol.8,3145 J/mol.K.291,15 K/20 L

                   p = 6808,4 J/L

                     = 6,8 x 10³ N.m/L

                     = 6,8 x 10³ N.m/ 10^-3 m³

                                  = 6,8 x 10⁶ N/m²=6,8 x 10⁶ Pa

                     = 6,8 x 10⁶ atm/1,01 x 10⁶

                                  =6,73 atm

2. Diket : V₁ He = 2,6 L

               M He = 4 g/mol

               P₁ = 1,3 atm

               T₁ = 41°C =  314,15 K  

               V₂ = 2 V₁

                       P₂ = 2 P₁

             Ditanya : a)T₂ =.....?

                 b) m He =.....?

  Jawab : a) (p₁V₁)/T₁ = (p₂V₂)/T₂

                                T₂= (2p.2v).314,15 K/(p.v)

                                     = 1256,6 K

                b) pV = nRT

        n = (2,6 L). (5,2 atm)/(0,082 L.atm/mol.K)(1256,6 K)

           = 0,13 mol

       m He = nM = (0,13 mol).(4 g/mol)

                          = 0,52 g

3. Diket : V₁= 0,11 m³

                       p₁ = 3,4 atm

               V₂ = 0,39 m³

               T₁ = T₂ = konstan

   Ditanya : p₂ =....?

   Jawab : p₁V₁ = p₂V₂

                      p₂ = (3,4 atm). (0,11m³)/(0,39 m³)

                     = 0,96 atm.

4. Diket : p = 9 x 10^-14 atm

               T = 300 K

                V = 1 cm³ = 10^-3 L

    Ditanya : M =......?

    Jawab : pV=nRT

                 n = (9 x 10^-14 atm).(10^-3 L)/(8,3145 J/mol.K)(300 K)

                = 3,66 x 10^-18 mol

           M = N_A.n

               = (6,02 x 10²³ molekul/mol).(3,66 x 10^-18 mol)

               = 2,2 x 10⁶ molekul

5. Diket : m = 1 kg

               M H₂O = 18 g/mol

    Ditanya : n dan M =......?

    Jawab : m = n.M

                 n = (1000 g)/(18 9/mol)

                    = 55,6 mol

                 M = N_A.n

                     = (6,02 x 10²³ molekul/mol).( 55,6 mol)

                     = 3,34 x 10²⁵ molekul

6. Diket : p = 3,5 x 10^-13 atm = 3,535 x 10^-8 Pa

               T = 300 K

                k = 1,38 x 10^-23 J/K

                 r = 2 x 10^-10 m

   Ditanya :  λ=.....?

   Jawab :  λ= k T/ 4л√2r²p

                   = 9,9 x 10^-9 m

7. Diket : gas diatomik; T = 30 K

                                     V = konstan

                                     n = 2,5 mol

                                     k = 1,38 x 10^-23 J/K

                                     R = 8,13 J/mol. K

   Ditanya :a) Q=....?

                 b) Q jika gas monoatomik=....?

    Jawab : a) Q = 5/2 nRT

                         = 5/2.2,5 mol.8,13 J/mol.K.30 K

                         = 1524 J

                  b) Q = 3/2 nRT

                          = 3/2.2,5 mol.8,13 J/mol.K.30 K

                          = 914,6 J