Ketik 'Kata Kunci' yang dicari dalam blog Ayo Sekolah Fisika

Terimakasih Untuk Subscribe Chanel Youtubenya.

Soal dan penyelesaian Usaha termodinamika, energi dalam dan entropi

Soal 1
Suatu gas memuai dari 7,0 L menjadi 8,2 L pada tekanan tetap 2,5 bar (1 bar = 105 Pa). Selama pemuaian 500 J kalor ditambahkan. Tentukan perubahan energi dalam gas.

Solusi:
Kita hitung dahulu usaha yang dilakukan gas pada tekanan tetap p = 2,5 bar = 2,5 x 105 Pa untuk memuai dari volume V1 = 7,0 L = 7,0 x 103 m3 ke volume V2 = 8,2 L = 8,2 x 10-3 m3 dengan persamaan
W = p(V2 – V1) =
W = 2,5 x 105 Pa (8,2 – 7,0) x 10-3 m3 = 300 J
Kalor Q = + 500 J bertanda positif karena kalor masuk ke sistem. Perubahan energi dalam, ∆U, dihitung dengan persamaan
Q = W + ∆U
∆U = Q – W = 500 J – 300 J = 200 J

Soal 2
1 gram air membentuk 1671 cm3 uap air selama penguapan pada 100 0C dan tekanan udara luar 1,013 x 105 Pa. Jika kalor laten uap adalah 2,26 x 106 J/kg, hitung (a) usaha luar dan (b) kenaikan energi dalam

Solusi:
(a) Proses penguapan air dari air menjadi uap air berlangsung pada tekanan tetap p = 1,013 x 105 Pa, sehingga usaha luar, W dihitung dengan persamaan
W = p∆V = p(Vuap – Vair)
Diketahui, Vuap = 1671 cm3 = 1671 x 10-6 m3 dan Vair = 1 cm3 = 10-6 m3, sehingga,
W = 1,013 x 105 Pa x (1671 – 1) x 10-6 m3 = 169,2 J

(b) Kita hitung dahulu kalor, Q yang diserap selama proses penguapan,
Q = mLU
Diketahui massa air, m = 1 g = 10-3 kg  Lu = 2,26 x 106 J/kg, sehingga,
Q = (10-3 kg)(2,26 x 106 J/kg) = 2260 J
Kenaikan energi dalam ∆U, dihitung dengan persamaan
Q = ∆U + W
∆U = Q – W = (2260 – 169,2) J = 2091 J

Soal 3
(a) Ketika suatu sistem beruba dari A ke C melalui B, sistem menyerap 180 J kalor dan melakukan usaha 130 J. Berapa banyak kalor diserap sistem ketika berubah dari A ke C melalui D, jika sistem melakukan usaha 40 J dalam perubahan ini?
(b) Pengurangan energi dalam pada perubahan dari D ke A adalah 30 J. Hitung kalor yang diserap oleh sistem dalam perubahan dari (i) A ke D dan (ii) D ke C.


Solusi:
(a) QABC = + 180 J sistem menyerap kalor, WABC = +130 J sistem melakukan usaha, ∆U dihitung dengan persamaan,
Q = ∆U + W
∆UABC = QABC – WABC = 180 J – 130 J = 50 J
Proses perubahan dari A ke C melalui D kita tulis ADC. Karena proses perubahan ADC dan proses perubahan ABC memiliki keadaan awal A dan keadaan akhir C sama, maka perubahan energi dalam kedua proses ini adalah sama (ingat, energi dalam adalah fungsi keadaan). Jadi,
∆UADC = ∆UABC = + 50 J
WADC  = 40 J sistem melakukan usaha
Akhirnya kalor yang diserap sistem dalam proses ADC dapat dihitung dengan persamaan,
QADC = ∆UADC + WADC = 50 J + 40 J = 90 J

(b) Diketahui, ∆UDA = -30 J,
∆UDA = UA – UD = -30 J
∆UAD = UD – UA = – (UA – UD) = -(-30 J) = + 30 J

(i) Kita akan menghitung QAD dengan menghitung WAD terlebih dahulu. Perhatikan grafik soal.

WADC = WAD + WDC àWDC = 0 (isokhorik)
WADC = WAD + 0
WAD = WADC = 40 J
Dengan persamaan,
QAD = ∆UAD + WAD = 30 J + 40 J = 70 J

(ii) Kita menghitung QDC dengan menghitung ∆UDC terlebih dahulu
Diketahui
∆UADC = 50 J à UC – UA = 50 (*)
∆UDA   = -30 J à UA – UD = -30 (**)
Maka, dari (*) dan (**) kita peroleh
UC – UD = 20 J, maka
∆UDC = UC – UD = 20 J
Dengan persamaan,
QDC = ∆UDC + WDC = 20 + 0 = 20 J

Soal 4
Udara yang semula berada pada temperatur 30°C dan tekanan 6 bar akan diekspansikan menjadi keadaan akhir dengan temperatur 30°C dan tekanan 2 bar. Ekspansi dilakukan dengan cara pendinginan pada volume konstan diikuti dengan pemanasan pada tekanan konstan sampai dicapai keadaan akhir. Udara dianggap mengikuti perilaku gas ideal: PV = RT, dengan R = 83,14 cm3 bar mol-1 K-1. Hitung Q, W, DU dan DH untuk tiap alur proses dan keseluruhan proses. Kapasitas panas CV = 2,5 R dan CP = 3,5 R.

Solusi:
(a) Gambar proses tersebut dalam diagram PV.

V1 = RT1/P1 = (83,14 cm3 bar mol-1 K-1)(303,15)/6 = 4200,93 cm3/mol
V2 = V1 = 4200,93 cm3/mol
T2 = P2V2/R = (2 bar)(4200,93 cm3/mol)/( 83,14 cm3 bar mol-1 K-1) = 101,06 K
V3 = RT1/P1 = (83,14 cm3 bar mol-1 K-1)(303,15)/2 = 12602,78 cm3/mol

(b) Proses pendinginan pada V konstan
 

∆U = (2,5)( 83,14 cm3 bar mol-1 K-1)(101,06 K – 303,15 K) = – 42.005,1 cm3 bar mol1
Q =∆UW = – 42.005,1 – 0 = – 42.005,1 cm3 bar mol1
 
∆S = 3,5 (83,14 cm3 bar mol-1 K-1)(101,06 K – 303,15 K) = – 58.807,1 cm3 bar mol1

(c) Proses pemanasan pada P konstan
W = – 2 (12.602,78 – 4.200,93) = – 16.802,04 cm3 bar mol1
     = 3,5 (83,14 cm3 bar mol-1 K-1) (303,15 K – 101,06 K) = 58.807,1 cm3 bar mol1 ∆U = Q + W = 58.807,14 cm3 bar mol1 – 16.802,04 cm3 bar mol1 = 42.005,1 cm3 bar mol1

Soal 5
Udara sebanyak 0,03 kg mengalami proses siklis seperti pada gambar di bawah. Hitung kerja/usaha yang dapat dihasilkan dari sistem tersebut, Udara dianggap mengikuti perilaku gas ideal, CV = 2,5 R dan CP = 3,5 R. Berat molekul udara rata-rata adalah 30 g/mol.
  
Solusi:
Mol, n = massa/Mr = 30 g/(30 g/mol) = 1,0 mol
V3 = V2 = 20L/1 mol = 20 L/mol = 20 x 10-3 m3/mol
V1 = 2L/1 mol = 2 L/mol = 2 x 10-3 m3/mol

Titik 3:
P3V3 = nRT3
T3 = P3V3/R = (1 x 105Pa)(20 x 10-3 m3 /mol)/(8,314 J/mol.K) = 240,5 K

Hubungan antara titik 1 dan 3

γ = Cp/Cv = 3,5/2,5 = 1,4
p1V1γ = p3V3γ
p1 = p3(V3/V1)γ = (105 Pa)(20 x 10-3/2 x 10-3)1,4 = 25,12 x 105 Pa
p1V1 = nRT1
T1 = P1V1/nR = (25,12 x 105Pa)(2,0 x 10-3 m3/mol)/(1 mol)(8,314 J/molK) = 604,28 K

Titik 2
T2 = T1 = 581 K

Usaha yang dihasilkan:
W1→2 = -(1,0 mol)(8,314 J/molK)(604,28 K) ln (20 x 10-3/2 x 10-3)
W1→2 =  – 11568,2 J
W3→1 = ∆U3à1 = CV(T1 – T3) = 2,5(8,314 J/molK)(604,28 K – 240,5 K) = 7561,2 J
Wtotal = W1à2 + W2à3 + W3à1 = – 11568,2 J + 0 + 7561,2 J = -4007 J
 

0 Response to "Soal dan penyelesaian Usaha termodinamika, energi dalam dan entropi "

Post a Comment

Sobat ASF! Berikan Komentar di kolom komentar dengan bahasa yang sopan dan sesuai isi konten...Terimasih untuk kunjunganmu di blog ini, semoga bermanfaat!

Note: Only a member of this blog may post a comment.

Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel