7 Contoh Soal Termodinamika Menarik untuk Meningkatkan Pemahaman Anda

Contoh Soal Termodinamika

Selamat datang di artikel saya yang akan membahas contoh soal termodinamika yang berguna untuk meningkatkan pemahaman Anda. Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari energi dan perubahan yang terjadi pada sistem. Dalam artikel ini, saya telah merangkum 7 contoh soal termodinamika yang menarik dan mudah dipahami, sehingga dapat membantu Anda meningkatkan pemahaman tentang konsep dasar termodinamika. Yuk, simak artikel ini sampai selesai!

Soal 1

Sebuah silinder mengandung gas sebanyak 2,00 L di bawah tekanan 1,00 atm. Tekanan eksternal juga sebesar 1,00 atm. Gas tersebut dipanaskan secara perlahan, dengan piston bergerak bebas ke luar untuk menjaga tekanan gas tetap mendekati 1,00 atm. Anggaplah pemanasan berlanjut hingga mencapai volume akhir sebesar 3,50 L. Hitunglah kerja yang dilakukan pada gas dan ungkapkan dalam satuan joule.

Solusi:

Ini adalah sebuah ekspansi sistem dari 2,00 L menjadi 3,50 L melawan tekanan eksternal konstan sebesar 1,00 atm. Kerja yang dilakukan pada sistem adalah:

W = -Pext ΔV

dimana W adalah kerja yang dilakukan, Pext adalah tekanan eksternal, dan ΔV adalah perubahan volume gas.

Dalam hal ini, tekanan eksternal adalah konstan sebesar 1,00 atm, dan perubahan volume adalah ΔV = V_akhir - V_awal = 3,50 L - 2,00 L = 1,50 L. Oleh karena itu, kerja yang dilakukan pada gas adalah:

W = -1,00 atm x 1,50 L = -1,50 L·atm

Untuk mengungkapkan ini dalam satuan joule, kita perlu mengonversi dari L·atm ke joule menggunakan faktor konversi:

1 L·atm = 101,325 J

Jadi kita memiliki:

W = -1,50 L·atm x (101,325 J/L·atm) = -152,0 J

Oleh karena itu, kerja yang dilakukan pada gas selama ekspansi ini adalah -152,0 joule. Tanda negatif menunjukkan bahwa kerja dilakukan pada gas, yang konsisten dengan fakta bahwa gas sedang mengalami ekspansi melawan tekanan eksternal.

Soal 2

Anggap sebuah massa 10,00 kg jatuh melalui perbedaan ketinggian 3,00 m, dan hasil kerjanya digunakan untuk memutar sebuah baling-baling di dalam 200,0 g air, yang pada awalnya suhunya 15,00°C. Suhu air akhir ternyata menjadi 15,35°C. Dengan mengasumsikan bahwa kerja yang dilakukan digunakan sepenuhnya untuk meningkatkan suhu air, hitung faktor konversi antara joule dan kalori.

Solusi:

Langkah pertama adalah menghitung jumlah kerja yang dilakukan oleh massa ketika jatuh melalui perbedaan ketinggian 3,00 m. Kerja ini sama dengan perubahan energi potensial massa, yang diberikan oleh:

W = mgh

di mana W adalah kerja yang dilakukan, m adalah massa, g adalah percepatan gravitasi, dan h adalah perbedaan ketinggian.

Dengan mengganti nilai yang diberikan, kita peroleh:

W = (10,00 kg) (9,81 m/s²) (3,00 m) = 294 J

Selanjutnya, kita perlu menghitung panas yang diserap oleh air akibat kerja ini. Panas yang diserap sama dengan perkalian massa air, kalor jenis air, dan perubahan suhu. Kalor jenis air adalah 1 kal/(g°C). Massa air adalah 200,0 g. Perubahan suhu adalah (15,35 - 15,00)°C = 0,35°C. Oleh karena itu, kita peroleh:

Q = (200,0 g) (1 kal/(g°C)) (0,35°C) = 70,0 kal

Terakhir, kita dapat menggunakan faktor konversi antara joule dan kalori untuk menemukan jawabannya. Satu kalori sama dengan 4,2 joule. Oleh karena itu,

1 kalori = 4,2 J

Dengan membagi panas yang diserap oleh air dengan faktor konversi, kita mendapatkan:

70 kal x 4,2 J/kal = 294 J

Besarnya kerja yang dilakukan sama dengan besarnya kalor yang diterima oleh air.

Soal 3

Selembar besi dengan massa 72,4 g dipanaskan hingga 100,0°C dan dicelupkan ke dalam air seberat 100,0 g yang pada awalnya berada pada suhu 10,0°C dalam kalorimeter cangkir Styrofoam. Diasumsikan tidak ada panas yang hilang ke cangkir Styrofoam atau lingkungan sekitar. Hitung suhu akhir yang tercapai. (Cair = 4,18 J/g°C dan Cbesi = 0,449 J/g°C)

Solusi:

Untuk menyelesaikan masalah ini, kita perlu menggunakan persamaan:

q = mCΔT

di mana q adalah panas yang ditransfer, m adalah massa zat, C adalah kapasitas kalor spesifik, dan ΔT adalah perubahan suhu.

Pertama, kita perlu menghitung panas yang ditransfer dari besi ke air. Panas yang ditransfer dari besi sama dengan panas yang diserap oleh air:

q_besi = q_air

Kita dapat menghitung q_besi menggunakan persamaan:

m_besi x C_besi x ΔT_besi = m_air x C_air x ΔT_air

72,4 g x 0,449 J/g°C x (100°C - Tf ) = 100,0 g x 4,18 J/g°C x (Tf - 10°C)

3.251 - 32,51Tf = 418Tf - 4180

7431 = 450,51Tf

Tf = 16,5°C

Oleh karena itu, suhu akhir yang tercapai sekitar 16,5°C.

Soal 4

Anggaplah bahwa 1,00 kJ kalor ditransfer ke 2,00 mol argon (pada 298 K, 1 atm). Berapakah suhu akhir Tf jika kalor ditransfer (a) pada volume konstan, atau (b) pada tekanan konstan? Hitunglah perubahan energi, ΔU, pada setiap kasus.

Solusi:

Karena argon merupakan gas monoatomik, mendekati gas ideal, 

Pada volume konstan, 

Pada tekanan konstan, 

Jadi perbedaan energi dalam ΔU untuk setiap kasus adalah (1000 – 600) J = 400 J.

Soal 5

Untuk menguapkan 100,0 g karbon tetraklorida pada titik didih normalnya, 349,9 K, dan P = 1 atm, dibutuhkan 19,5 kJ panas. Hitung ΔHvap untuk CCl₄ dan bandingkan dengan ΔU untuk proses yang sama.

Solusi:

Massa molar CCl₄ adalah 153,8 g.mol^-1 ; sehingga, jumlah mol CCl₄ dalam 100 g adalah 

Maka perubahan entalpi penguapan 1 mol CCl₄ adalah 

Perubahan energi dalam dapat dihitung menggunakan rumus 

Masukkan ΔT=349,9 K dan Δng = 1 (karena terjadi peningkatan sebanyak 1 mol gas produk dari 1 mol liquid), sehingga

Dengan demikian, dari 30,0 kJ energi yang ditransfer dari lingkungan sekitar dalam bentuk panas, sebanyak 27,1 kJ digunakan untuk meningkatkan energi dalam molekul (ΔU) dan 2,9 kJ digunakan untuk mengekspansi uap yang dihasilkan, Δ(PV).

Soal 6

Hitunglah panas dan kerja yang terjadi pada suatu proses di mana 5,00 mol gas mengembang secara reversibel pada suhu konstan T sebesar 298 K dari tekanan 10,00 hingga 1,00 atm.

Solusi:

Pada suhu konstan T dan n, q dan w diberikan oleh persamaan berikut 

Tekanan berbanding terbalik dengan volume, maka: 

Sehingga, 

Soal 7

Misalkan 5,00 mol gas monoatomik ideal pada suhu awal 298 K dan tekanan 10,0 atm diperluas secara adiabatik dan reversibel hingga tekanan turun menjadi 1,00 atm. Hitung volume dan suhu akhir, perubahan energi dan entalpi, serta kerja yang dilakukan.

Solusi:

Pertama hitung volume awal, 

dan rasio kapasitas panas untuk gas monoatomik adalah 

untuk proses adiabatik reversibel, 

Suhu akhir dapat dihitung menggunakan persamaan gas ideal 

Dari sini kerja yang dilakukan dan perubahan energi dapat dicari, pada proses adibatik q = 0, maka: 

Maka perubahan entalpinya adalah: 

Baca juga:

• Contoh Soal Termodinamika (Bagian II)

• Hukum Termodinamika Pertama