Soal Dan Penyelesaian Teori Aturan Kedua Termodinamika
Cara Cepat Pintar Fisika - hukum II termodinamika - Pada aturan II termodinamika, kita akan mempelajari batasan apa yang harus dipenuhi saat ada proses perubahan energi. Hukum II Termodinamika merupakan kesimpulan pengamatan yang dilakukan oleh tiga fisikawan yaitu Kelvin-Planck dan Clasius. Pernyataan fisikawan tersebut sanggup dirangkum sebagai berikut:
Prinsip sederhana mesin kalor yaitu menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu tinggi, lalu sebagian energi dipakai menjadi usaha, dan sisanya dibuang ke reservoir suhu rendah dalam bentuk kalor.
Contoh sebuah mesin kalor yang paling ideal yaitu mesin Carnot. Dalam satu siklus mesin Carnot terdiri dari empat proses yaitu pemuaian dan pemampatan adibatik, dan pemuaian serta pemampatan isotermis.
Skema mesin kalor ibarat pada gambar di bawah ini.
Persamaan yang menyatakan perjuangan dan efisiensi nyata serta efisiensi ideal sebuah mesin kalor. \[\small \\\eta =\frac{W}{Q_{1}}\\\eta =1-\frac{Q_{2}}{Q_{1}}\\ \eta =1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\]η memperlihatkan efisiensi mesin, Q2 kalor yang dilepas sistem, Q1 kalor yang diserap sistem, T1 menunjukkan temparature reservoir suhu tinggi, dan T2 temperature reservoir suhu rendah, dan W yaitu perjuangan yang dilakukan oleh mesin/sistem.
Prinsip sederhana mesin pendingin yaitu menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu rendah, lalu membuangnya ke suhu tinggi.
Perlu dipahami, mesin akan bekerja saat diberikan perjuangan dari luar, sebab tidak mungkin kalor mengalir dari suhu rendah ke tinggi dengan sendirinya.
Dalam mesin pendingin tidak dikenal efisiensi, tetapi dikenal koefisien daya guna mesin atau Coeficient Of Performance, Kp. semakin tinggi koefisien daya guna, semakin baik suatu mesin pendingin.
Persamaan koefisien daya guna mesin dituliskan sebagai berikut:
1. Sebuah mesin kalor bekerja diantara suhu 800K dan 300K. Untuk setiap 400J kalor yang diserap, mesin menghasilkan kerja 200J. Tentukanlah efisiensi kerja tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Karena yang ditanyakan efisiensi mesin, ini memperlihatkan efisiensi real bukan efisiensi maksimum.
$\small \\\eta =\frac{W}{Q_{1}}\\\\ \eta =\left (\frac{200}{400} \right )\times 100\%\\\\ \eta =50\%$
2. Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoir 727 derajat Celcius dan membung ke reservoir 527 derajat Celcius. Jika mesin beroperasi pada efisiensi maksimumnya, untuk setiap 2000 Joule kalor yang diserap, tentukanlah perjuangan yang dilakukan oleh mesin tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Usaha yang dilakukan oleh mesin sanggup dihitung dengan persamaan efisiensi maksimum.
$\small \\\eta=\frac{W}{Q_{1}}\\ 1-\frac{T_{2}}{T_{1}}=\frac{W}{Q_{1}}\\\\ 1-\frac{800}{1000}=\frac{W}{2000}\\\\\small W=400J$
3. SIMAK-UI 2010 - Sebuah mesin Carnot mempunyai efisiensi 40%. Jika suhu reservoir panas 127 derajat Celcius, penurunan suhu reservoir hirau taacuh meningkatkan efisiensi menjadi 60%. Tentukanlah penurunan suhu resevoir hirau taacuh tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Ketika efisiesi 40%, suhu reservoir hirau taacuh adalah
$\small \\\eta _{o}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{40}{100}=1-\frac{T_{2}}{400}\\\\T_{2}=240K$
Ketika efisiensi menjadi 60%, suhu reservoir hirau taacuh menjadi
$\small \\\eta =1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{60}{100}=1-\frac{T_{2}}{400}\\\\ T_{2}=160K$ Selisih penurunan suhu pada resevoir hirau taacuh yaitu 240K-160K = 80K
4. Sebuah mesin carnot yang mempunyai reservoir suhu tinggi bersuhu 800K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensi naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan. Tentukanlah suhu reservoir suhu tinggi saat efisiensi menjadi 50%!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Sebelum memilih suhu resevoir panas, hitung dahulu suhu resevoir hirau taacuh untuk efisiensi awal.
$\small \\\eta _{o}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{40}{100}=1-\frac{T_{2}}{800}\\\\ T_{2}=480K$
Suhu reservoir panas saat efisiensi 50% adalah
$\small \\\eta=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{50}{100}=1-\frac{480}{T_{1}}\\\\ T_{1}=960K$
5. SIMAK-UI 2010 - Sebuah mesin kalor yang efisiensinya 20% mempunyai daya keluaran 5 kW. Mesin ini membuang kalor sebesar 8000 J/siklus. Tentukanlah energi yang diserap oleh mesin persiklusnya dan interval waktu untuk setiap siklus!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Kalor yang diserap oleh mesin dalam setiap siklus adalah
$\small \\\eta =1-\frac{Q_{2}}{Q_{1}}\\\\\frac{20}{100} =1-\frac{8000}{Q_{1}}\\\\ Q_{1}=10^{4}J$
Usaha yang dilakukan oleh mesin yaitu selisih kalor yang masuk dan keluar W=10000J-8000J=2000J.
Waktu untuk satu siklus sanggup dihitung dengan rumus daya.
$\\P=\frac{W}{t}\\\\t=\frac{W}{P}\\\\ t=\frac{2000}{5000}=0.4s$
6. Sebuah mesin pendingin bekerja pada suhu -3 derajat Celcius dan 27 derajat Celcius. Mesin tersebut bekerja saat dihubungkan dengan energi listrik sebesar 1200 Joule. Tentukanlah, a) Koefisien daya guna mesin, b) kalor yang dibentuk ke resevoir suhu tinggi, c) kalor yang diserap dari reservoir suhu rendah!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Nilai koefisien daya guna mesin adalah
$\\K_{p}=\frac{T_{2}}{T_{1}-T_{2}}\\\\K_{p}=\frac{270}{300-270}=9$
Kalor yang dibuang ke reservoir suhu rendah
$\\Q_{1}=K_{p}.W\\\\Q_{1}=1200.9\\\\Q_{1}=10800J$ Sumber http://carafisika.blogspot.com
- Menurut Kelvin-Planck, mustahil menciptakan suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus, mendapatkan kalor dari reservoir, dan mengubah kalor tersebut seluruhnya menjadi usaha.
- Menurut Clasius, mustahil menciptakan suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus, mengambil kalor dari reservoir bersuhu rendah, dan memberikannya ke reservoir suhu tinggi, tanpa memerlukan perjuangan dari luar.
Mesin Kalor
Prinsip sederhana mesin kalor yaitu menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu tinggi, lalu sebagian energi dipakai menjadi usaha, dan sisanya dibuang ke reservoir suhu rendah dalam bentuk kalor.
Contoh sebuah mesin kalor yang paling ideal yaitu mesin Carnot. Dalam satu siklus mesin Carnot terdiri dari empat proses yaitu pemuaian dan pemampatan adibatik, dan pemuaian serta pemampatan isotermis.
Skema mesin kalor ibarat pada gambar di bawah ini.
Mesin Pendingin
Prinsip sederhana mesin pendingin yaitu menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu rendah, lalu membuangnya ke suhu tinggi.
Perlu dipahami, mesin akan bekerja saat diberikan perjuangan dari luar, sebab tidak mungkin kalor mengalir dari suhu rendah ke tinggi dengan sendirinya.
Dalam mesin pendingin tidak dikenal efisiensi, tetapi dikenal koefisien daya guna mesin atau Coeficient Of Performance, Kp. semakin tinggi koefisien daya guna, semakin baik suatu mesin pendingin.
Persamaan koefisien daya guna mesin dituliskan sebagai berikut:
\[\\K_{p}=\frac{Q_{2}}{W}\\\\K_{p}=\frac{Q_{2}}{Q_{1}-Q_{2}}\\\\K_{p}=\frac{T_{2}}{T_{1}-T_{2}}\]
Kp memperlihatkan Coeficient Of Performance (koefisien daya guna mesin), Q2 kalor yang diserap dari reservoir suhu rendah, Q1 kalor yang dilepas ke reservoir suhu tinggi. Sedangkan T1 menunjukkan temparature reservoir suhu tinggi, dan T2temperature reservoir suhu rendah, serta W yaitu perjuangan yang diberikan pada mesin pendingin. Semakin kecil nilai W maka semakin baik sebuah mesin pendingin sebab memerlukan energi luar yang kecil.SOAL JAWAB HUKUM TERMODINAMIKA
1. Sebuah mesin kalor bekerja diantara suhu 800K dan 300K. Untuk setiap 400J kalor yang diserap, mesin menghasilkan kerja 200J. Tentukanlah efisiensi kerja tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Karena yang ditanyakan efisiensi mesin, ini memperlihatkan efisiensi real bukan efisiensi maksimum.
$\small \\\eta =\frac{W}{Q_{1}}\\\\ \eta =\left (\frac{200}{400} \right )\times 100\%\\\\ \eta =50\%$
2. Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoir 727 derajat Celcius dan membung ke reservoir 527 derajat Celcius. Jika mesin beroperasi pada efisiensi maksimumnya, untuk setiap 2000 Joule kalor yang diserap, tentukanlah perjuangan yang dilakukan oleh mesin tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Usaha yang dilakukan oleh mesin sanggup dihitung dengan persamaan efisiensi maksimum.
$\small \\\eta=\frac{W}{Q_{1}}\\ 1-\frac{T_{2}}{T_{1}}=\frac{W}{Q_{1}}\\\\ 1-\frac{800}{1000}=\frac{W}{2000}\\\\\small W=400J$
3. SIMAK-UI 2010 - Sebuah mesin Carnot mempunyai efisiensi 40%. Jika suhu reservoir panas 127 derajat Celcius, penurunan suhu reservoir hirau taacuh meningkatkan efisiensi menjadi 60%. Tentukanlah penurunan suhu resevoir hirau taacuh tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Ketika efisiesi 40%, suhu reservoir hirau taacuh adalah
$\small \\\eta _{o}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{40}{100}=1-\frac{T_{2}}{400}\\\\T_{2}=240K$
Ketika efisiensi menjadi 60%, suhu reservoir hirau taacuh menjadi
$\small \\\eta =1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{60}{100}=1-\frac{T_{2}}{400}\\\\ T_{2}=160K$ Selisih penurunan suhu pada resevoir hirau taacuh yaitu 240K-160K = 80K
4. Sebuah mesin carnot yang mempunyai reservoir suhu tinggi bersuhu 800K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensi naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan. Tentukanlah suhu reservoir suhu tinggi saat efisiensi menjadi 50%!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Sebelum memilih suhu resevoir panas, hitung dahulu suhu resevoir hirau taacuh untuk efisiensi awal.
$\small \\\eta _{o}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{40}{100}=1-\frac{T_{2}}{800}\\\\ T_{2}=480K$
Suhu reservoir panas saat efisiensi 50% adalah
$\small \\\eta=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{50}{100}=1-\frac{480}{T_{1}}\\\\ T_{1}=960K$
5. SIMAK-UI 2010 - Sebuah mesin kalor yang efisiensinya 20% mempunyai daya keluaran 5 kW. Mesin ini membuang kalor sebesar 8000 J/siklus. Tentukanlah energi yang diserap oleh mesin persiklusnya dan interval waktu untuk setiap siklus!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Kalor yang diserap oleh mesin dalam setiap siklus adalah
$\small \\\eta =1-\frac{Q_{2}}{Q_{1}}\\\\\frac{20}{100} =1-\frac{8000}{Q_{1}}\\\\ Q_{1}=10^{4}J$
Usaha yang dilakukan oleh mesin yaitu selisih kalor yang masuk dan keluar W=10000J-8000J=2000J.
Waktu untuk satu siklus sanggup dihitung dengan rumus daya.
$\\P=\frac{W}{t}\\\\t=\frac{W}{P}\\\\ t=\frac{2000}{5000}=0.4s$
6. Sebuah mesin pendingin bekerja pada suhu -3 derajat Celcius dan 27 derajat Celcius. Mesin tersebut bekerja saat dihubungkan dengan energi listrik sebesar 1200 Joule. Tentukanlah, a) Koefisien daya guna mesin, b) kalor yang dibentuk ke resevoir suhu tinggi, c) kalor yang diserap dari reservoir suhu rendah!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Nilai koefisien daya guna mesin adalah
$\\K_{p}=\frac{T_{2}}{T_{1}-T_{2}}\\\\K_{p}=\frac{270}{300-270}=9$
Kalor yang dibuang ke reservoir suhu rendah
$\\Q_{1}=K_{p}.W\\\\Q_{1}=1200.9\\\\Q_{1}=10800J$ Sumber http://carafisika.blogspot.com
0 Response to "Soal Dan Penyelesaian Teori Aturan Kedua Termodinamika"
Posting Komentar