Halaman
196Fisika XI untuk SMA/MABab 9 TermodinamikaSuhuKalorPerubahan energiTermodinamikaHukum I TermodinamikaHukum II TermodinamikaUsahaEfisiensiSiklusIsotermalIsobarikIsokhorikAdiabatikPETPETPETPETPETA KA KA KA KA KONSEPONSEPONSEPONSEPONSEP
Bab 9 Termodinamika197Dalam kehidupan sehari-hari sering kita temui hal-hal yangberhubungan dengan prinsip termodinamika. Pernahkah kalianmelihat kereta lokomotif yang menggunakan mesin uap? Keretatersebut menerapkan prinsip termodinamika. Energi panas yang dihasilkanmelalui pembakaran batubara diubah menjadi energi mekanik yang dapatmenggerakkan roda kereta. Proses korosi (perkaratan) juga merupakan contohpenerapan prinsip termodinamika. Begitu pula proses pelapukan kayu. Untukmemahami lebih lanjut ikutilah pembahasan berikut ini.9TERMODINAMIKASumber: EnsiklopediaIptek,PT Lentera Abadi, 2005Kereta api uap memanfaatkan prinsiptermodinamika.
198Fisika XI untuk SMA/MAA.adiabatik, energi dalam,isobarik, isokhorik,isotermal, kalor,termodinamika, usahaUsaha dan Proses dalam TermodinamikaTermodinamika adalah cabang dari ilmu fisika yangmempelajari tentang proses perpindahan energi sebagaikalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Kalordidefinisikan sebagai perpindahan energi yang disebabkanoleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakanperubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidakdisebabkan oleh perubahan suhu. Proses perpindahanenergi pada termodinamika berdasarkan atas dua hukum,yaitu Hukum I Termodinamika yang merupakanpernyataan Hukum Kekekalan Energi, dan Hukum IITermodinamika yang memberikan batasan tentang arahperpindahan kalor yang dapat terjadi.Dalam membahas termodinamika kita akan mengacupada sistem tertentu. Sistem adalah benda atau sekumpulanbenda yang akan diteliti, sedangkan lingkungan adalahsemua yang ada di sekitar benda. Sistem dibedakanmenjadi beberapa macam. Sistem terbuka adalah sistemdimana antara sistem dan lingkungan memungkinkanterjadinya pertukaran materi dan energi. Apabila hanyaterjadi pertukaran energi tanpa pertukaran materi, sistemdisebut sistem tertutup. Adapun sistem terisolasi adalahjika antara sistem dan lingkungan tidak terjadi pertukaranmateri dan energi.1. Usaha Sistem pada LingkunganUsaha yang dilakukan sistem pada lingkungannyamerupakan ukuran energi yang dipindahkan dari sistemke lingkungan. Gambar 9.1 menunjukkan suatu gas didalam silinder tertutup dengan piston (penghisap) yangdapat bergerak bebas tanpa gesekan. Pada saat gas memuai,piston akan bergerak naik sejauh 's. Apabila luas pistonA, maka usaha yang dilakukan gas untuk menaikkanpiston adalah gaya Fdikalikan jarak 's. Gaya yangdilakukan oleh gas merupakan hasil kali tekanan Pdenganluas piston A, sehingga:W=F.'sW=P. A.'skarena A.'s = V', maka:W=P.V' atau W = P (V2 – V1) ......................... (9.1)dengan:W= usaha ( J)V1=volume mula-mula (m3)P= tekanan (N/m2)V2=volume akhir (m3)V'= perubahan volume (m3)'sFGambar 9.1 Usaha yangdilakukan gas pada piston.
Bab 9 Termodinamika199Persamaan (9.1) berlaku jika tekanan gas konstan.Apabila V2 > V1, maka usaha akan positif (W > 0). Hal iniberarti gas (sistem) melakukan usaha terhadap lingkungan.Apabila V2 < V1, maka usaha akan negatif (W < 0). Hal iniberarti gas (sistem) menerima usaha dari lingkungan.Untuk gas yang mengalami perubahan volume dengantekanan tidak konstan, maka usaha yang dilakukan sistemterhadap lingkungan dirumuskan:dW=F. d=F.P.A dsdW=P dVJika volume gas berubah dari V1 menjadi V2, maka:W=³21VVdVP......................................................... (9.2)Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luasdaerah di bawah kurva pada diagram P-V.Gambar 9.2 Usaha yangdilakukan antara sistem danlingkungan.PV2V12W > 0PV1V2V21W < 0Gambar 9.3Grafik prosesisotermal.2. Usaha pada Beberapa ProsesTermodinamikaDalam termodinamika terdapat berbagai prosesperubahan keadaan sistem, yaitu proses isotermal, isobarik,isokhorik, dan adiabatik.a. Proses IsotermalProses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistempada suhu konstan. Usaha yang dilakukan sistem adalah:W=³21VVPdVKarena P. V = n.R.T atau P = VTRn.., maka:W=³21..VVnRTdVV=³21..VVdVnRTVW=n.R.T (lnV2 – lnV1)W=n.R.T.ln ̧¹· ̈©§12VV.............................................. (9.3)Grafik P-V pada proses isotermal ditunjukkan olehGambar 9.3.PV1V2V1P1P22T1 = T2
200Fisika XI untuk SMA/MAb. Proses IsobarikProses isobarik adalah proses perubahan keadaansistem pada tekanan konstan. Usaha yang dilakukan olehsistem adalah:P .W=³21VVPdV= P³21VVdVW= P (V2 – V1) = VP'.................................. (9.4)Grafik P-V pada proses isobarik ditunjukkan Gambar 9.4.c. Proses IsokhorikProses isokhorik adalah proses perubahan keadaansistem pada volume konstan. Pada proses isokhorik gastidak mengalami perubahan volume, sehingga usaha yangdilakukan sistem sama dengan nol.V1=V2 = VW=P (V2 – V1)W=P (0) = 0 ....................................................... (9.5)Grafik P-V proses isobarik ditunjukkan Gambar 9.5.d. Proses AdiabatikProses adiabatik adalah proses perubahan keadaansistem tanpa adanya pertukaran kalor antara sistem denganlingkungan. Proses adiabatik terjadi jika sistem terisolasidengan baik atau proses terjadi dengan sangat cepatsehingga kalor yang mengalir dengan lambat tidakmemiliki waktu untuk mengalir masuk atau keluar sistem.Hubungan antara tekanan dan volume pada prosesadiabatik dinyatakan dalam rumus Poisson berikut:J11VP=J22VP.......................................................... (9.6)dengan: J > 1, yang besarnya:J = vpCC . ...................................................... (9.7)dengan:Cp= kapasitas kalor gas pada tekanan konstanCv= kapasitas kalor gas pada volume konstanPada gas ideal berlaku P = VTRn.., sehingga persamaan(9.6) dapat dinyatakan dalam bentuk:111JVT=122JVT................................................... (9.8)Usaha yang dilakukan gas dalam proses adiabatik adalah:W=)(112211VPVPJGrafik pada proses adiabatik mengalami penurunan agakcuram dibandingkan grafik isotermal, seperti ditunjukkanoleh Gambar 9.6.Gambar 9.4 Grafik prosesisobarik.PV1V2V1P1 = P22Gambar 9.5Grafik prosesisokhorik.PV1= V2V1P22P1PP1P212V1V2VGambar 9.6Grafik prosesadiabatik.
Bab 9 Termodinamika201Contoh Soal1.Suatu gas ideal mengalami dua proses, yaitupemampatan isobarik, dilanjutkan pemuaianisotermal seperti ditunjukkan grafik disamping. Tentukan usaha yang dilakukan untukproses ABC!2. Suatu gas monoatomik dengan J = 23dimampatkan secara adiabatikmemerlukan usaha sebesar 2u105 J. Volume mula-mula 15 m3dengantekanan 2 atm. Berapakah volume akhir pada tekanan 1 atm?Uji Kemampuan 9.1○○○○○○○○○○○○○○12100300 200V (liter)P (atm)BAC1. Gas helium dengan volume 1,5 m3dan suhu 27oC dipanaskan secara isobariksampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2u105 N/m, berapakah usaha yangdilakukan oleh gas?Penyelesaian:Diketahui:T1=27oC = 27+ 273 = 300 KV1= 1,5 mT2=87oC = 87 + 273 = 360 KP=2u105 N/m2Ditanya:W= ... ?Jawab:11TV=22TVo3005,1 = 3602VoV2 = 3005,1360u= 1,8 m3W=P (V2 – V1) = 2u105 (1,8 – 1,5) = 6u104 J2. Suatu gas ideal mengalami proses isotermal sepertipada grafik P-Vdi samping. Tentukan usaha yangdilakukan oleh gas tersebut!Penyelesaian:Diketahui:VA= 50 L = 0,05 m3VB= 10 L = 0,01 m3PA=2u103 N/m2PB=4u103 N/m2Ditanya:W= ... ?Jawab:WAB=nRT.lnABVVABVV=PA.VA .lnABVVABVV= 2u103 (0,05).ln 05,001,0 = (100)(-1,609) = -160,9 JP (N/m2)4210 50BAV (L)
202Fisika XI untuk SMA/MAB.Hukum I TermodinamikaHukum I Termodinamika berkaitan dengan HukumKekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedangmelakukan pertukaran energi dengan lingkungan danmemberikan hubungan antara kalor, energi, dan kerja(usaha). Hukum I Termodinamika menyatakan bahwauntuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalamsistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadiperubahan energi. Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum ITermodinamika menyatakan adanya konsep kekekalanenergi.Energi dalam sistem merupakan jumlah total semuaenergi molekul pada sistem. Apabila usaha dilakukan padasistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan,maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya,energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukanusaha pada lingkungan atau sistem memberi kalor padalingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalampada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yangditerima dengan usaha yang dilakukan oleh sistem.U'= Q – W atau Q = U' + W................... (9.9)dengan:U'= perubahan energi dalam ( J)Q= kalor yang diterima ( J)W= usaha ( J)Usaha W positif jika sistem melakukan usaha dan negatifjika usaha dilakukan pada sistem. Kalor Q positif jika sistemmenerima kalor dan negatif jika sistem melepas kalor.Persamaan (9.9) dikenal dengan Hukum I Termodinamika.1. Penerapan Hukum I TermodinamikaPada bagian ini kita akan menggunakan Hukum ITermodinamika pada beberapa proses termodinamika,yaitu proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.Konsep tentang energi dalam untuk gas monoatomiksesuai dengan teorema ekipartisi energi yang telah dibahaspada bab sebelumnya.U= TRnTkN..23..23Gambar 9.7 Sistem melakukanpertukaran energi denganlingkungan.Q > 0Q < 0W < 0W > 0lingkunganRudolf Julius Clausius,fisikawan Jerman, merupakanorang pertama yangmengemukakan HukumTermodinamika pada tahun1850.
Bab 9 Termodinamika203Pada sistem yang berubah dari suhu awal T1 menjadiT2 maka perubahan energi dalamnya dapat dituliskan:U'=TkNTTkNUU' ..23)(.231212atau U'=12UU= TRnTTRn' ..23)(.2312....... (9.10)karena:P.V = n.R.Tmaka:U'= 12UU= )(23)(231122PVVPVP' ............. (9.11)a. Proses IsotermalProses isotermal terjadi pada suhu konstan (T' = 0)sehingga U'=TRn..23= 0.Berdasarkan Hukum I Termodinamika, maka:Q=U' + WMenurut persamaan (9.3), maka pada proses isotermaladalah W = n.R.T = ln ̧¹· ̈©§12VV, maka persamaan di atas dapatdituliskan:Q=U'+ WQ=0 + nRT ln ̧¹· ̈©§12VVQ=W = nRT.ln12VV.......................................... (9.12)b. Proses IsobarikProses isobarik terjadi pada tekanan konstan (P'= 0).Sesuai Hukum I Termodinamika, maka:Q= U'+ WKarena U'= VP'.23+ VP'.Q= VP'.25= )(2512VVP................................ (9.13)c. Proses IsokhorikProses isokhorik terjadi pada volume tetap (V'= 0)sehingga W = P.V'= 0. Berdasarkan Hukum I Termodinamikamaka:Q=U' + WQ=U' + 0Q=23n.R(T2 – T1) = 23n.R.T'.................... (9.14)Gambar 9.8 Roket yangmeluncur menggunakan prinsiptermodinamika.Sumber: JendelaIptek Energi,PT Balai Pustaka, 2000Dalam menggunakanpersamaan:Q = WUÄharusdiperhatikan hal-hal berikutini.1. Satuan harus sama.2. Jika sistem menerima kalormaka Q positif, dan jikamelepas kalor maka Qnegatif.3. Jika usaha dilakukan olehsistem maka W positif, danjika usaha dilakukan padasistem maka W negatif.
204Fisika XI untuk SMA/MAd. Proses AdiabatikDalam proses adiabatik tidak ada pertukaran energiantara sistem dengan lingkungan (Q = 0). BerdasarkanHukum I Termodinamika, maka:Q=U'+ W0=U'+ WW=-U'W=-)(.2312TTRn= TnR'.23.......................... (9.15)2. Kapasitas KalorKapasitas kalor adalah banyaknya kalor yangdiperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar satu kelvinatau satu derajat celsius, dirumuskan:C=TQ' atau Q= C.T'................................. (9.16)Ada dua macam kapasitas kalor pada gas, yaitukapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalorpada volume tetap (Cv ). Kapasitas kalor gas pada tekanantetap besarnya dapat diturunkan dari persamaan (9.13)pada proses isobarik.Cp=''5.2PVT = TTnR''25Cp=nR25.......................................................... (9.17)Kapasitas kalor gas pada volume tetap, besarnya dapatditurunkan dari persamaan (9.14) pada proses isokhorik.Cv=TQ' = TTnR''.23Cv=nR23.......................................................... (9.18)Dari persamaan (9.17) dan (9.18) dapat diperolehhubungan sebagai berikut:Cp – Cv= RnRn.23.25Cp – Cv= nR atau Cp = Cv + n.R ......................... (9.19)Untuk gas diatomik, besarnya kapasitas kalor gas padatekanan tetap dan kapasitas kalor pada volume tetaptergantung pada derajat kebebasan gas.a.Pada suhu rendah (r250 K)U'=TRn'..23, sehingga: Cv= nR23dan Cp = nR25Besarnya konstanta Laplace (J) adalah:J=vpCC = 1,67Kapasitas kalor diukur dalamkeadaan volume tetap atautekanan tetap. Kapasitaskalor pada tekanan tetapbernilai lebih besardibandingkan dengan padavolume tetap karena padatekanan tetap jumlah energiyang diperlukan jugadigunakan untukmemperbesar volumenya.Kapasitas kalor juga disebutharga air, karena untukmenaikkan 100 gram raksasebesar 1 oC memerlukankalor yang sama banyaknyauntuk menaikkan suhu 3 gramair sebesar 1 oC, yaitu 3kalori.
Bab 9 Termodinamika205b. Pada suhu sedang (r500K)U'='5..2nR T, sehingga Cv= Rn.25dan Cp = Rn.27Besarnya konstanta Laplace (J) adalah:J=vpCC = 1,4c.Pada suhu tinggi (r1.000 K)U'=TRn'..27, sehingga Cv= Rn.27dan Cp = Rn.29Besarnya konstanta Laplace (J) adalah:J=vpCC = 1,281 . Suatu gas menerima kalor 4.000 kalori, menghasilkan usaha sebesar 8.000 J.Berapakah perubahan energi dalam pada gas? (1 kalori = 4,18 joule)Penyelesaian:Diketahui:Q= 4.000 kalori = 16.720 JW= 8.000 JDitanya:U'= ... ?Jawab:U'= Q'– W = (16.720 – 8.000) J = 8.720 J2. Sejumlah 4 mol gas helium suhunya dinaikkan dari 0 oC menjadi 100 oCpada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan:a.perubahan energi dalam,b. usaha yang dilakukan gas, danc.kalor yang diperlukan!Penyelesaian:Diketahui:n= 4 mol = 0,004 molT1=0 oC = 0 + 273 = 273 KT2= 100 oC = 100 + 273 = 373 KR= 8,314 J/mol.KDitanya :a.U'= ... ?b.W= ... ?c.Q= ... ?Jawab:a.U'=)(.2312TTRn = u3(0, 004 8, 314(373273))2 = 4,988 Jb.W=P (V2 – V1) = nR(T2 –T1) = 0,004u8,314u(373 – 273) = 3,326 Jc.Q =WU' = (4,988 + 3,326) J = 8,314 JContoh Soal
206Fisika XI untuk SMA/MATujuan:Mempelajari perbedaan antara perbedaan adiabatis dari isotermis.Menentukan konstanta Laplace.Alat dan bahan :Manometer, pompa, bejana, katup, air.Cara Kerja:1. Keluarkan manometer dan pasanglah di luar bejana.2. Isilah manometer dengan air sampai batas skala nol.3. Hubungkan manometer dengan bejana melaluikatup keluar dan atur kedudukan air sama tinggi.4. Pasanglah pompa pada katup lain.5. Pompakan udara ke dalam bejana hingga perbedaantinggi air dalam manometer kira-kira 20 cm.6. Sesudah pemompaan berhenti tunggu beberapa menit sampai perbedaantinggi air dalam manometer tetap. Catatlah perbedaan tingginya (h1).7. Bukalah katup keluar selama beberapa detik, kemudian tutuplah kembali.8. Tunggulah selama tiga menit agar tinggi air dalam manometer tetap.Diskusi:1. Buatlah tabel untuk menuliskan data percobaan yang kalian lakukan!2. Apakah nilai konstanta gas sama untuk setiap jenis gas? Jelaskan!3. Jelaskan perbedaan proses adiabatis dan isotermis!4. Bandingkanlah nilai J untuk gas ideal dan gas riil!KegiatanbejanakatuppompamanometerPerubahan EnergiHanya sebagian kecil panas daripembakaran bahan bakar di dalammesin yang diubah menjadi energigerak. Sisanya dibuang sebagai gaspanas melalui radiator dan diangkut olehudara yang mengalir di sekitar mesin.Percikan FisikaKetika mobil bergerak, roda-roda menggesek aspal dan menjadi panas. Gesekan ini jugamenghangatkan udara di sekitar mobil. Ketika rem menghentikan laju mobil, kanvas remmemanas dan mengubah seluruh energi kinetik menjadi panas.1. Gas monoatomik 0,5 mol pada tekanan tetap suhunya dinaikkan dari 17oCmenjadi 93 oC. Diketahui R = 8,31 J/mol.K, hitunglah kalor yang diperlukan!2.Gas monoatomik dipanaskan pada volume tetap dengan kapasitas kalor 16 J/K.Jika R = 8,31 J/mol.K, tentukan jumlah mol gas tersebut!Uji Kemampuan 9.2○○○○○○○○○○○○○○
Bab 9 Termodinamika207C.Siklus pada Termodinamika1. Pengertian Siklus dan Besar Usaha yangDihasilkanBentuk energi apa pun dapat diubah seluruhnyamenjadi panas. Namun, apabila energi panas diubahmenjadi bentuk-bentuk lain, tidak pernah semuanya dapatberubah. Sebagian energi selalu tetap tinggal sebagai panas,dan suhu ini selalu tetap.Suatu sistem dapat menyerap kalor dari lingkunganuntuk melakukan usaha. Untuk dapat melakukan usahaterus-menerus tidak mungkin dilakukan hanya dengansatu proses termodinamika tertentu, karena suatu prosesakan berhenti ketika tekanan, volume, atau suhu mencapainilai maksimum. Oleh karena itu, sistem harus dikembalikanke keadaan awal agar kalor dapat berubah menjadi usaha.Rangkaian proses sedemikian rupa sehingga akhirnyakembali pada keadaan semula disebut siklus.Perhatikan Gambar 9.9. Suatu siklus termodinamikayang terdiri atas proses isokhorik, isotermal, dan isobarik.Sistem mengalami proses isotermal dari A ke B. Pada prosesini sistem menyerap kalor dari lingkungan sebesar QAB danmenghasilkan usaha WAB yang besarnya sama dengan luasdaerah ABEDA. Kemudian sistem mengalami prosesisobarik dari B ke C. Sistem melepas kalor sebesar QBCdanmelakukan usaha yang harganya negatif WBC yang besarnyasama dengan daerah CBED. Energi dalam sistem berkurangsehingga suhunya turun. Akhirnya, sistem mengalami prosesisokhorik dari C ke A. Sistem kembali ke keadaan semuladengan menyerap kalor QCA untuk menaikkan tekanan dansuhu sistem tanpa melakukan usaha (WCA = 0). Rangkaianproses dari keadaan A ke keadaan B, keadaan C, dan kembalike keadaan A disebut sebagai siklus.Usaha yang dilakukan oleh sistem dalam satu siklusadalah W = WAB + WBC yang besarnya sama dengan luasdaerah yang diarsir pada grafik P - V (luas ABC). Apabilaarah proses dalam siklus searah putaran jarum jam, makausaha bernilai positif, dan bernilai negatif apabila arahproses berlawanan arah putaran jarum jam.PP1P2ABCVV1V2DEGambar 9.9Siklustermodinamika.Tanaman tumbuh karenamenyerap sebagian energimatahari dan menyimpannyasebagai energi kimia di dalamjaringannya.
208Fisika XI untuk SMA/MA1) Proses AB adalah pemuaianisotermal pada suhu T1. Padaproses ini sistem menyerap kalorQ1dari sumber (reservoir) bersuhutinggi T1 dan melakukan usahasebesar WAB. Grafik P-V untukpemuaian isotermal dari A ke Bditunjukkan pada Gambar 9.9.2) Proses BC adalah pemuaianadiabatik. Pada proses ini sistem tidakmenyerap atau melepas kalor, tetapimelakukan usaha sebesar WBCdansuhunya turun dari T1 sampai T2.3) Proses CD adalah pemampatanisotermal pada suhu T2. Pada prosesini sistem melepas kalor ke reservoirbersuhu rendah T2 sebesar Q2danmenerima usaha sebesar WCD.4) Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Pada prosesini sistem tidak menyerap ataupun melepas kalor.Sistem menerima usaha sebesar WDA sehingga suhunaik dari T2 menjadi T1.Usaha total yang dilakukan sistem dalam satu siklussama dengan luas daerah di dalam siklus pada grafik P-V(ABCDA).Pada siklus Carnot, sistem menyerap kalor darireservoir bersuhu tinggi T1 sebesar Q1dan melepas kalorke reservoir bersuhu rendah T2 sebesar Q2, karena padaproses tersebut keadaan awal sama dengan keadaan akhir,maka perubahan energi dalam U'= 0. BerdasarkanHukum I Termodinamika, maka:Q=U' + WQ1 – Q2=0 + WW=Q1 – Q2................................................. (9.20)Gambar 9.10 Siklus Carnot.pemuaianisotermalpemuaianadiabatikpemampatanadiabatikpemampatanisotermalWDAWABWBCWCDQ1Q2Gambar 9.11 Grafik P - Vuntuk gas ideal dalam siklusCarnot.PP1P2P4P30V1V4V2V3AQ1BT1T2VQ2DC2. Siklus CarnotPada tahun 1824 seorang ilmuwan Prancis, SadiCarnot (1796 - 1832), mengemukakan model mesin idealyang dapat meningkatkan efisiensi melalui suatu siklus,yang dikenal dengan siklus Carnot. Mesin ideal Carnotbekerja berdasarkan mesin kalor yang dapat bekerja bolak-balik (reversibel), yang terdiri atas empat proses, yaitu duaproses isotermal dan dua proses adiabatik.Perhatikan Gambar 9.10!
Bab 9 Termodinamika209Dengan demikian, pada mesin Carnot telah terjadiperubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yangmengubah energi kalor menjadi usaha disebut mesin kalor.Efisiensi mesin kalor dinyatakan sebagai perbandinganantara usaha yang dilakukan mesin dengan kalor yangdiserap. Secara matematis dituliskan:K=%1001uQW............................................... (9.21)atauK=%100112u ̧¹· ̈©§QQ.......................................... (9.22)Pada siklus Carnot berlaku 12QQ=12TT, sehingga persamaan(9.22) dapat dinyatakan:K=%100112u ̧¹· ̈©§TT........................................... (9.23)dengan:K= efisiensiQ1= kalor yang diserap ( J)Q2= kalor yang dilepas ( J)T1= suhu pada reservoir bersuhu tinggi (K)T2= suhu pada reservoir bersuhu rendah (K)Persamaan (9.23) merupakan efisiensi maksimum padamesin kalor.Contoh SoalSuatu mesin Carnot dengan reservoir panasnya bersuhu 400 K mempunyai efisiensi40%. Jika mesin tersebut reservoir panasnya bersuhu 640 K, tentukan efisiensinya!Penyelesaian:Diketahui:T1= 400 K1K= 40%Ditanya:K= ... ? (T1 = 640 K)Jawab:K=%100112u ̧¹· ̈©§TT0,4= 1 – 12TT0,4= 1 – 4002T4002T= 0,6T2=240 KUntuk T1 = 640 K maka:K=%100112u ̧¹· ̈©§TT=%1006402401u ̧¹· ̈©§=62,5%Siklus Carnot memberikaninformasi mengenai sifat darisetiap mesin kalor. Siklustersebut menetapkan batasatas (upper limit) kepadadaya guna mesin sehinggadapat memberikan kita kearah tujuan untuk bekerja.
210Fisika XI untuk SMA/MASebuah mesin Carnot memiliki efisiensi 20%. Dengan menurunkan suhu reservoirrendah sebesar 40 oC, efisiensi mesin menjadi 50%. Tentukan suhu reservoir tinggidan rendah!Uji Kemampuan 9.3○○○○○○○○○○○○○○D.Hukum II Termodinamika Hukum Kekekalan Energi yang dinyatakan dalamHukum I Termodinamika menyatakan bahwa energi dapatdiubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Misalnya,perubahan usaha (energi potensial) menjadi energi kaloratau sebaliknya. Akan tetapi, tidak semua perubahan energiyang terjadi di alam ini prosesnya dapat dibalik sepertipada Hukum I Termodinamika. Contoh, sebuah bendayang jatuh dari ketinggian h sehingga menumbuk lantai.Pada peristiwa ini terjadi perubahan energi kinetik menjadienergi kalor (panas) dan sebagian kecil menjadi energibunyi. Mungkinkah energi-energi kalor dapat berubahmenjadi energi kinetik dan menggerakkan benda setinggi h?Jelas bahwa hal ini akan terjadi, meskipun benda kitapanaskan terus-menerus.Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadidengan beberapa perumusan.1. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalamsatu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoirdanmengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas(Kelvin Planck).2.Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalamsuatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoirrendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggitanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).3. Pada proses reversibel, total entropi semesta tidakberubah dan akan bertambah ketika terjadi prosesirreversibel (Clausius).Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas parailmuwan merumuskan prinsip baru, yaitu HukumII Termodinamika, dengan pernyataan: “kalor mengalirsecara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin,kalor tidak akan mengalir secara spontan dari bendadingin ke benda panas”.Penerapan Hukum IITermodinamika dapat diamatipada mesin kalor, yaitu alatyang dapat mengubahenergi termal (panas)menjadi energi mekanik.Temperatur tinggiQ1Q2WTemperatur rendahGambar 9.12Bagan transferkalor pada mesin pemanas.
Bab 9 Termodinamika2111. Pengertian EntropiTermodinamika menyatakan bahwa proses alamicenderung bergerak menuju ke keadaan ketidakteraturanyang lebih besar. Ukuran ketidakteraturan ini dikenaldengan sistem entropi. Entropi merupakan besarantermodinamika yang menyerupai perubahan setiapkeadaan, dari keadaan awal hingga keadaan akhir sistem.Semakin tinggi entropi suatu sistem menunjukkan sistemsemakin tidak teratur. Entropi sama seperti halnya tekanandan temperatur, yang merupakan salah satu sifat dari sifatfisis yang dapat diukur dari sebuah sistem. Apabilasejumlah kalor Q diberikan pada suatu sistem denganproses reversibel pada suhu konstan, maka besarnyaperubahan entropi sistem adalah:S' = TQ........................................................ (9.24)dengan:S'= perubahan entropi ( J/K)Q= kalor ( J)T= suhu (K)2. Mesin PendinginMesin pendingin merupakan peralatan yang prinsipkerjanya berkebalikan dengan mesin kalor. Pada mesinpendingin terjadi aliran kalor dari reservoir bersuhu rendahke reservoir bersuhu tinggi dengan melakukan usaha padasistem. Contohnya, pada lemari es (kulkas) dan pendinginruangan (AC). Bagan mesin pendingin dapat dilihat padaGambar 9.13.Ukuran kinerja mesin pendingin yang dinyatakandengan koefisien daya guna merupakan hasil bagi kaloryang dipindahkan dari reservoir bersuhu rendah Q2terhadap usaha yang dibutuhkan W.Kp=WQ2=212QQQ= 212TTT............................... (9.25)dengan:Kp= koefisien daya gunaW= usaha yang diperlukan ( J)Q1= kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi ( J)Q2= kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah ( J)T1= suhu pada reservoir bersuhu tinggi (K)T2= suhu pada reservoir bersuhu rendah (K)Gambar 9.14 Bagan transferkalor pada mesin pendingin.Q2Q1WTemperatur tinggiTemperatur rendahGambar 9.13Perkaratanpada benda merupakan contohperkaratan yang tidak dapatdibalikkan.Sumber: JendelaIptekMateri,PT Balai Pustaka, 2000
212Fisika XI untuk SMA/MAContoh Soal1.Es sebanyak 3 kg diubah seluruhnya menjadi air pada suhu 0 oC. Jikaperubahan entropi adalah 3u104 J/K, berapakah kalor lebur es tersebut?2. Sebuah gas ideal perlahan-lahan mulai memuai dari 2 m3 menjadi 3 m3 padatemperatur konstan 30 oC. Perubahan entropi gas adalah 47 J/K selama prosestersebut. Berapa besar panas yang ditambahkan pada gas selama proses tersebut?Uji Kemampuan 9.4○○○○○○○○○○○○○○Sadi Carnot (1796 - 1832)Ia seorang ahli fisika dari Prancis dari keluargabangsawan, ayahnya bernama Lazare Carnot. SadiCarnot belajar di sekolah Tinggi Politeknik. Ia sangattertarik menyelidiki manfaat energi panas pada mesinuap. Dalam bukunya ReflextionSur la PuissanceMotricedeFeu Carnot mencoba mencari jawaban apakah dayapenggerak panas itu tidak terbatas. Apakah penyempurnaanmesin uap itu dapat berlangsung terus menerus (tidakterbatas). Lalu ia menemukan bahwa efisiensi suatumesin tergantung dari perbedaan temperatur antarasumber panas, yaitu ketel pemanas dan penerima panaspada mesin uap. Proses pemanasan uap digunakanuntuk mendorong piston dan menarik kembali piston itudengan cara mencairkan uap secara terus-menerus.Proses ini disebut lingkaran Carnot atau siklus Carnot.FisikawanKitaMesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3 oC dansuhu udara luar 27oC, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendinginselama 10 menit? (efisiensi mesin ideal).Penyelesaian:Diketahui:P= 600 watt (usaha 500 J tiap 1 sekon)T1=27oC = 27+ 273 = 300 KT2 = -3 oC = -3 + 273 = 270 KDitanya:Q2= ... ? (t = 10 sekon)Jawab:Kp=212TTToWQ2 = 212TTTo Q2 = 500270300270uQ2= 4.500 J (tiap satu sekon)Dalam waktu 10 menit = 600 s, maka:Q2= 4.500u600 = 2,7u106 JFFFFFiestaiestaiestaiestaiesta
Bab 9 Termodinamika213 ̄Usaha yang dilakukan gas pada tekanan konstan adalah W = P.'V= P (V2 – V1)(proses isobarik). Jika W bernilai positif maka sistem melakukan usaha terhadaplingkungan (V2 > V1), dan apabila W bernilai negatif maka sistem menerima usahadari lingkungan (V2< V1). ̄Usaha yang dilakukan oleh gas pada beberapa proses termodinamika adalah sebagaiberikut:a.proses isotermal:W=nRT ln ̧¹· ̈©§12VVb. proses isobarik:W=P.V'= P (V2 – V1)c.proses isokhorik:W=0d. proses adiabatik:J11.VP=J22.VPW=-23n.R(T2 – T1) ̄Hukum I Termodinamika menyatakan perubahan energi dalam pada sistem yangtertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukanoleh sistem.U'= Q – W atau Q = U' + WQ positif jika sistem menerima kalor dan negatif jika sistem melepas kalor. ̄Kapasitas kalor (C ) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkansuhu zat sebesar satu kelvin.C=TQ'Kapasitas kalor pada tekanan tetap untuk gas monoatomik dirumuskan:Cp=nR25Kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas diatomik dirumuskan:Cv=23n.R ̄Untuk gas diatomik, kapasitas kalor pada tekanan tetap dan kapasitas kalor padavolume tetap tergantung pada derajat kebebasannya.Suhu rendah:Cv= 23nRdanCp = 25nRSuhu sedang:Cv= 25nRdanCp = 27nRSuhu tinggi:Cv= 27nRdanCp = 29nR
214Fisika XI untuk SMA/MAA. Pilihlah jawaban yang paling tepat!1.Di dalam ruang tertutup berisi gas ideal, mula-mula terjadi pemuaian secaraisotermal, kemudian dimampatkan secara isobarik akhirnya kembali ke keadaansemula secara adiabatik. Siklus proses tersebut pada grafik P - V adalah ... .a.d.b.e.c. ̄Mesin kalor mengubah energi kalor menjadi usaha. Efisiensi mesin kalor adalahperbandingan antara usaha yang dilakukan dengan kalor yang diserap.K=u1100%WQ = u§· ̈ ̧©¹21100%1QQUntuk mesin Carnot berlaku:K= u§· ̈ ̧©¹21100%1TT ̄Pada mesin pendingin terjadi aliran kalor dari reservoirdingin T2 ke reservoir panasT1dengan melakukan usaha pada sistem. Koefisien daya guna (kinerja) mesinpendingin dirumuskan:Kp=WQ2 = 212QQQ = 212TTTPVPVPVPVPVUji Kompetensi
Bab 9 Termodinamika2152.Di dalam ruang tertutup terdapat 2 mol gas yang volumenya 20 liter,tekanannya 3 atm (1 atm = 105 N/m3) dan suhunya 27oC. Gas mengalamiproses isotermal sehingga volumenya menjadi 80 liter. Jika ln 4 = 1,386,maka usaha luar yang dilakukan gas adalah ... .(R = 8,31u10 J/mol.K)a.3.455 Jd. 6.910 Jb. 4.286 Je.7.093 Jc.5.417 J3. Suatu gas volumenya 5u10-2 m3dinaikkan pada tekanan tetap sehinggamenjadi 4 kali semula. Jika usaha luar yang dilakukan gas sebesar 3u104 J,maka tekanan gas adalah ... .a.1,5u105 N/m2d. 4,0u105 N/m2b.2,0u105 N/m2e.6,0u105 N/m2c.3,0u105 N/m24. Sejumlah gas ideal dengan massa tertentu mengalami pemampatan secaraadiabatik. Jika W adalah kerja yang dilakukan oleh sistem dan T'adalahperubahan suhu dari sistem, maka berlaku keadaaan ... .a.W = 0, T'> 0d.W < 0, T'> 0b.W = 0, T'< 0e.W < 0, T'< 0c.W > 0, T'= 05 . Sejumlah gas ideal dipanaskan dengan volume konstan. Pernyataan berikut iniyang benar adalah ... .a.energi kinetik konstanb. momentum molekul gas konstanc.energi dalam gas bertambahd. energi dalam gas konstane.kalor yang diberikan pada gas digunakan untuk melakukan usaha6. Suatu sistem mengalami proses adiabatik, pada sistem dilakukan usaha 100 J.Jika perubahan energi dalam sistem adalah U'dan kalor yang diserap sistemadalah Q, maka ... .a.U'= -100 Jd.Q = 0b.U'= 10 Je.U'+ Q = -100 Jc.U'= 100 J7. Suatu turbin memakai uap dengan suhu awal 55 oC dan membuangnya padasuhu 35 oC. Efisiensi maksimum mesin tersebut adalah ... .a.33%d. 63%b. 43%e.73%c.53%8. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 27oCmempunyai efisiensi sebesar 30%, maka reservoir suhu rendahnya bersuhu ...a.166 Kd.246 Kb. 183 Ke.273 Kc.210 K
216Fisika XI untuk SMA/MA9 . Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 Kmempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, makasuhu reservoir suhu tinggi dinaikkan menjadi ... .a.900 Kd. 1.180 Kb. 960 Ke.1.600 Kc.1.000 K10.Enam puluh gram balok es pada suhu 0 oC dan tekanan 1 atm meleburseluruhnya menjadi air. Jika kalor laten es 79,7 kal/g, maka perubahan entropies tersebut adalah ... .a.17,5 kal/Kd. 5,8 kal/Kb. 15,5 kal/Ke.4,8 kal/Kc.10,5 kal/KB. Jawablah dengan singkat dan benar!1. Suatu gas berada dalam tabung tertutup yang volumenya 500 liter dan tekanan4 atm (1 atm = 1u105 N/m3). Hitunglah usaha yang dilakukan oleh gas, jika:a.gas mengalami proses isobarik sehingga volumenya 4 kali volume semula,b. gas mengalami pemampatan isobarik sehingga volumenya menjadi setengahkali semula!2.Suatu gas ideal monoatomik beradadalam tabung tertutup. Keadaanmula-mula di A yang volumenya 2,5 m3,tekanan 105 N/m3, dan suhunya 250 Kseperti tampak pada grafik P - Vdisamping. Jika gas dipanaskan hinggavolumenya menjadi 10 m3dan tekanan2u105 N/m3, hitunglah kalor yangdiserap oleh gas!3. Gas argon dengan volume 3 liter bertekanan 2 atm. Gas mengalami prosesadiabatik hingga volumenya menjadi 5 liter. Jika gas melakukan usaha sebesar80 joule, hitunglah tekanan akhir gas tersebut!4.Mesin Carnot dioperasikan antara dua reservoir kalor masing-masing suhunyaT1dan T2dengan T2>T1. Efisiensi mesin 40% dengan T1= 27oC. Tentukanbesarnya perubahan T2 agar efisiensinya menjadi 60%!5 .Gambar di samping adalah grafik P - Vpada mesin Carnot. Apabila usaha yangdilakukan sistem W = 3u105 J,berapakah kalor yang diserap mesin(Q1) tiap siklus?P (105 N/m3)V (m3)21ABPT1 = 900 KT2 = 600 KV
Uji Kompetensi Semester 2217A. Pilihlah jawaban yang paling tepat!1.Sebuah batang homogen panjang 5 mpada masing-masing ujungnya bekerjagaya sebesar 10 N membentuk sudut30o terhadap batang. Besar momenkopel gaya tersebut adalah ... .a.15 Nm sesuai arah jarum jamb.20 Nm sesuai arah jarum jamc.25 Nm sesuai arah jarum jamd.253 Nm sesuai arah jarum jame.50 Nm sesuai arah jarum jam2. Sebuah roda memiliki massa 40 kg dan diameter 120 cm, berputar dengankecepatan sudut 5 rad/s. Besar momentum sudutnya adalah ... .a.24 kgm2/sd. 60 kgm2/sb. 30 kgm2/se.72 kgm2/sc.36 kgm2/s3.Dua buah benda A dan B masing-masing massanya 5 kg, dihubungkan olehbatang yang panjangnya 1 m (massa batang diabaikan). Jika pusat batangdigunakan sebagai sumbu putar, maka momen inersia di pusat batang tersebutadalah ... .a.2,5 kgm2d. 4,0 kgm2b. 3,0 kgm2e.5,0 kgm2c.3,5 kgm24. Sebuah roda pejal jari-jarinya 20 cm dan massanya 5 kg. Pada roda itu bekerjamomen gaya sebesar 10 Nm. Besar percepatan sudut roda itu adalah ... .a.0,1 rad/s2d.20 rad/s2b. 5 rad/s2e.100 rad/s2c.10 rad/s25.Sebuah kelereng bermassa mdan diameter d,diletakkan di atas bidang datar dan dikerjakan gayadi tengah-tengahnya seperti gambar. Kelerengmenggelinding sempurna dengan kecepatan sudutpada saat t sebesar Zdan kecepatan linier v. Energikinetik kelereng pada saat t adalah ... .a.222..20121Zdmmvd.222..2121Zdmmvb.222..10121Zdmmve.222..2321Zdmmvc.22.2121Zmmv10 N5 m10 N30o30oUji Kompetensi Semester 2
218Fisika XI untuk SMA/MA6. Sebuah roda berbentuk silinder pejal berjari-jari 10 cm dan bermassa 5 kg.Jika roda tersebut diputar pada sumbunya dengan kecepatan sudut 5 rad/s,maka energi kinetiknya adalah ... .a.0,3125 Jd.6,25 Jb. 0,625 Je.31,25 Jc.3,125 J7.Batang homogen panjangnya 60 cmdan massanya 5 kg diputar melaluiporos yang berada di tengah-tengahbatang, seperti pada gambar. Besarkecepatan linier ujung batang adalah6 m/s. Besar energi kinetik rotasibatang itu adalah ... .a.15 Jd. 60 Jb . 30 Je.90 Jc.45 J8.Sistem seperti pada gambar beradadalam kesetimbangan. Besar tegangantali AB adalah ... .a.nolb. 150 Nc.210 Nd. 300 Ne.400 N9 .Sistem seperti pada gambar berada dalamkeadaan setimbang. Jika g = 10 m/s2,tegangan tali Tdan D adalah ... .a.40 N dan 37ob. 50 N dan 37oc.50 N dan 45od. 50 N dan 53oe.60 N dan 37o10.Perhatikan gambar di samping! JikaAD = 1 m,CD = 0,2 m, massa batangdiabaikan, dan sistem dalam keadaansetimbang, maka harga x adalah ... .a.0,15 md. 0,30 mb. 0,20 me.0,35 mc.0,25 m45o300 NBA30 NT4 kgDA BCDFA = 30 NFC = 6 NFD = 12 Nx
Uji Kompetensi Semester 221911.Batang AB homogen panjangnya l,bersandar pada dinding vertikal yanglicin. Jika berat batang w, sudutkemiringan T = 60odan benda dalamkeadaan seimbang, maka koefisiengesekan antara batang di A denganalasnya pada saat itu adalah ... .a.321d.361b.331e.381c.34112.Suatu bidang datar homogen denganbentuk dan ukurannya seperti gambar.Koordinat titik berat bidang tersebutadalah ... .a.(4,3)d. (5,3)b. (4,4)e.(3,5)c.(3,4)13. Perhatikan gambar-gambar berikut!Benda-benda yang mengalami kesetimbangan labil adalah ... .a.P dan Sd. P, Q, dan Sb. Q dan Se.P, Q, R, dan Sc.Q dan R14.Koordinat titik berat bangun luasseperti gambar di samping adalah ... .a.(8, 8/7)b. (8, 12/7)c.(8, 18/7)d. (8, 26/7)e.(8, 30/7)PRSQy1210840481216xBAwTy10x2212
220Fisika XI untuk SMA/MA1 5 .Setengah bola homogen jari-jari r terletakpada lantai mendatar seperti padagambar. Jika bagian bawah dilubangiberupa kerucut yang jari-jari alas dantingginya = r, maka koordinat titik beratbidang tersebut adalah ... .a.r/8d.r/2b.r/6e.2r/3c.r/316. Apabila pipa barometer diganti dengan pipa luas penampangnya dua kalinya,maka pada tekanan udara luar 1 atm, tinggi air raksa dalam pipa adalah ... .a.19 cmd. 114 cmb. 38 cme.152 cmc.76 cm17. Suatu zat cair mempunyai kerapatan 1.020 kg/m3. Tekanan zat cair akan menjadi101% dari tekanan pada permukaan (tekanan atmosfer = 1,01u105 N/m2),pada kedalaman ... .a.9,8 cmd. 10,2 cmb. 10,0 cme.100 cmc.10,1 cm18.Sebuah bejana berbentuk seperti padagambar di samping. Maka pernyataanberikut yang tidak benar adalah ... .a.PA > PB > PCb.PA > PD > PCc.PA > PB = PEd.PA > PE > PCe.PA < PB < PC1 9 . Perbandingan jari-jari pengisap kecil dan besar pada pompa hidrolik ialah 1 : 50.Jika berat beban yang diletakkan pada pengisap besar 4u104 N, maka gayaterkecil yang harus dilakukan pada pengisap kecil adalah ... .a.8 Nd.20 Nb. 10 Ne.40 Nc.16 N20.Raksa pada bejana berhubunganmempunyai selisih 2 cm (massa jenis= 13,6 g/cm3). Kaki sebelah kiri berisizat cair yang tingginya 25 cm, berartimassa jenis zat cair itu adalah ... .a.800 kg/m3d. 1.300 kg/m3b. 1.030 kg/m3e.1.360 kg/m3c.1.088 kg/m3CBAED25 cm2 cmraksarr
Uji Kompetensi Semester 222121.Gambar di samping menunjukkansebuah benda yang terapung pada zatcair yang massa jenisnya 1.200 kg/m3.Bila diketahui bagian A adalah 51daribenda, maka massa jenis bendatersebut adalah ... .a.600 kg/m3d.1.200 kg/m3b. 960 kg/m3e.1.600 kg/m3c.1.000 kg/m322. Gejala di bawah ini yang tidak menunjukkan gejala kapilaritas adalah ... .a.kapur tulis menyerap tintab. air naik pada batang tumbuh-tumbuhanc.minyak naik pada sumbu kompord. naiknya air pada sumur bore.sistem penyerapan zat makanan oleh sel-sel darah kita23.Dua pipa kapiler A dan B dengan perbandingan garis tengah 1 : 2dimasukkanke dalam air. Kenaikan air di dalam pipa adalah ... .a.1 : 2d.4 : 1b. 1 : 4e.4 : 3c.2 : 124. Jika fluida mengalir di dalam sebuah pipa yang diameter dan ketinggianujungnya tidak sama, maka besaran yang konstan adalah ... .a.energi potensiald. kecepatanb. energi kinetike.debitc.tekanan25 .Air mengalir melalui pipa yang bentuknyaseperti pada gambar. Bila diketahui luaspenampang di A dua kali penampang diB, maka vvAB sama dengan ... .a.41d.2b.21e.4c.126. Air mengalir di dalam pipa mendatar PQ. Kecepatan air di P dan Q masing-masing 311 m/s dan 3 m/s, jari-jari penampang pipa di P adalah 3 cm. Makajari-jari penampang pipa di Q serta jumlah air yang keluar dari lubang Qselama 1/S menit adalah ... .a.5 cm dan 75 literd.2 cm dan 72 literb . 4 cm dan 74 litere.1 cm dan 70 literc.3 cm dan 73 literABvAvB
222Fisika XI untuk SMA/MA27.Bak yang luas penampangnya dianggapsangat luas, mula-mula berisi air setinggi4 m. Lubang kebocoran di B yangluas penampangnya 0,8 cm2 berada1,5 m dari dasar bak (g = 9,8 m/s2).Debit air yang mula-mula memancardari lubang B adalah ... .a.5,0 u 10-4 m3/sd. 5,6 u 10-4 m3/sb. 5,2u 10-4 m3/se.5,8 u 10-4 m3/sc.5,4 u 10-4 m3/s28. Sebuah pesawat terbang dapat terbang ke angkasa karena ... .a.perbedaan tekanan dari aliran-aliran udarab. pengaturan titik berat pesawatc.gaya angkat dari mesin pesawatd. perubahan momentum dari pesawate.berat pesawat lebih kecil daripada berat udara yang dipindahkan29.Massa jenis suatu gas ideal pada suhu Tdan tekanan P adalah U. Jika tekanangas dinaikkan menjadi 2Pdan suhunya diturunkan menjadi 0,5T, maka massajenis gas adalah ... .a.4Ud.0,25Ub.2Ue.0,12Uc.0,5U30. Sejumlah gas ideal mengalami proses isobarik sehingga pada suhu kelvin menjadidua kali semula, maka volumenya menjadi n kali semula, dengan n adalah ... .a.4d.21b. 3e.41c.231. Gas dalam tabung yang suhunya 27oC dipanaskan pada volume tetap, hinggakecepatan rata-rata partikel gas menjadi dua kali semula. Hal ini menunjukkankenaikkan suhu gas tersebut sebesar ... .a.27oCd. 900 oCb. 300 oCe.1.200 oCc.600 oC32.Pada suhu tinggi, gas diatomik dalam ruang tertutup mempunyai energi dalamsebesar ... .a.29nRTd.23nRTb.27nRTe.32nRTc.25nRT1,5 m4 mAirB
Uji Kompetensi Semester 222333. Sejumlah gas oksigen (massa molekul relatif = 32) memiliki suhu mutlakempat kali dari sejumlah gas hidrogen (massa molekul relatif = 2).Perbandingan kelajuan efektif molekul-molekul oksigen dengan molekul-molekul hidrogen adalah ... .a.41d.2b.21e.4c.134.Perhatikan grafik hubungan tekanan(P ) terhadap volume (V ) di samping.Jika V1 = 100 cm3dan usaha yangdilakukan gas dari keadaan (1) kekeadaan (2) adalah 40 joule, maka V2adalah ... .a.100 cm3b.200 cm3c.300 cm3d. 400 cm3e.500 cm335. Gas helium sebanyak 1,5 m3 yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobariksampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2u 105 N/m2, gas helium melakukanusaha luar sebesar ... .a.60 kJd. 480 kJb. 120 kJe.660 kJc.280 kJ36. Sebuah mesin kalor yang bekerja antara reservoir suhu rendah 27oC dan reservoirsuhu tinggi t1oC akan ditinggikan efisiensi maksimumnya dari 25% menjadi 50%dengan menaikkan suhu t1 menjadi t2. Suhu t1 dan t2 adalah ... .a.36 oC dan 54 oCd. 300 oC dan 400 oCb. 54 oC dan 108 oCe.400 oC dan 600 oCc.127oC dan 327oC37. Usaha yang dilakukan oleh gas ideal yang mengalami proses isobarik daritekanan P1 sampai P2adalah ... .a.0d.(P1 + P2)Vb.P1.V2e.(P1 – P2)Vc.P2.V238. Sebuah mesin Carnot membangkitkan tenaga 2.000 joule dari reservoir bersuhu1.200 K ke reservoir 400 K. Maka mesin pada saat itu menghabiskan energisebesar ... .a.2.500 Jd. 3.600 Jb. 3.000 Je.6.000 Jc.3.200 JP (N/m2)2.105V1V2(1) (2)V (cm3)
224Fisika XI untuk SMA/MA39. Sebuah mesin Carnot bekerja pada suhu reservoir antara 300 K dan 750 K.Efisiensi mesin tersebut adalah ... .a.80%b.75%c.70%d. 65%e.60%40. Sebuah mesin Carnot reservoir suhu rendahnya 27oC, daya gunanya 40%.Daya gunanya akan diperbesar menjadi 50%, maka reservoir suhu tingginyaharus dinaikkan sebesar ... .a.25 Kb. 50 Kc.75 Kd. 100 Ke.150 KB. Jawablah dengan singkat dan benar!1.Massa benda A 20 kg berbentuk bolapejal menggelinding sempurna disepanjang bidang miring (D = 30o).Jika g = 10 m/s2 , jari-jari bola 20 cm,tentukan:a.percepatan bola menuruni bidang miring,b. momentum sudut saat 2 sekon setelah bola dilepas!2.Sebuah truk yang massanya 1,5 tonberhenti di atas jembatan AB. PanjangAB = 30 m, AC = 10 m, dan g = 10 m/s2.Apabila massa jembatan diabaikan,hitunglah gaya normal di A dan B!3.Suatu bidang datar homogenberbentuk bujur sangkar PQRSdengan rusuk 18 cm seperti tampakpada gambar. Tentukan letak titikberat bidang yang diarsir!30oABCYSRQP9 cm
Uji Kompetensi Semester 22254. Suatu kempa hidrolik mempunyai dua penampang yang jari-jarinya masing-masing 2 cm dan 5 cm. Jika penampang kecil diberi gaya 10 N, berapa gayamaksimum yang dihasilkan pada penampang besar?5.Gambar di samping adalah bak berisiair (U = 1 g/cm3). Di dalamnyamengapung sebuah kubus yang massajenisnya 0,72 g/cm3dan rusuknya10 cm. Hitung berapa cm kubus yangmuncul di atas permukaan air!6 . Suatu pipa AB dilalui air dari ujung A ke B. Pipa berada pada ketinggian 1,25 mdi atas bidang datar. Diameter penampang pada kedua ujungnya masing-masing 6 cm dan 3 cm. Ternyata air dari ujung B memancar jatuh di tanahhingga menempuh jarak 2 m. Hitunglah kecepatan air di dalam pipa besar!7. Air terjun setinggi 10 m dengan debit 50 m3/s dimanfaatkan untuk memutarturbin yang menggerakkan generator untuk menghasilkan energi listrik. Jika25% energi air berubah menjadi energi listrik dan g = 10 m/s2, maka hitunglahdaya keluaran generator tersebut!8. Berapakah energi dalam gas monoatomik 5 mol apabila energi kinetik rata-rata sebesar 8,28u10-21 J?9.Sejumlah gas ideal menjalani siklus A-B-C-D-A (lihat gambar) dengan suhudi titik C sebesar 400 K.Tentukan:a.kalor yang diserap per siklus,b. usaha yang dihasilkan per siklus,c.perubahan energi dalam gas persiklus!10. Satu siklus Carnot suhu mutlak reservoir suhu tinggi tiga kali reservoir suhurendahnya. Jika usaha yang dilakukan 1.200 J, tentukan kalor yang dilepaspada reservoir suhu rendah!5224ABCDRV
226Fisika XI untuk SMA/MAGLOSARIUMadhesi: gaya tarik-menarik molekul-molekul zat tidak sejenisadiabatik:proses yang berlangsung tanpa perpindahan kalor baik kalor yang masuk maupunyang keluar dari sistemanomali:sifat kekecualian air; jika air dipanaskan hingga suhu 0 - 4 oC volumenya akan menyusutargon:nama unsur kimia dengan nomor atom 18 dan nomor massa 39,95daya: laju perpindahan atau perubahan energi atau besar energi per satuan waktudinamika:ilmu yang mempelajari tentang gerak dan gaya penyebabnyaenergi kinetik:energi yang dimiliki pada saat benda bergerakenergi potensial:energi yang dimiliki oleh benda diamfrekuensi:jumlah suatu getaran setiap waktugas ideal: keadaan gas yang dianggap sempurna, memiliki sifat tertentu sehingga dapatditerapkan pada teori kinetik gasgerak lurus: gerak yang lintasannya berupa garis lurusgerak melingkar:gerak yang lintasannya berupa lingkarangravitasi:percepatan yang timbul akibat adanya gaya gravitasi bumihelium:unsur kimia dengan nomor atom 2dan massa atom 4,0026impuls:gaya yang bekerja pada waktu yang singkat pada peristiwa tumbukanisobarik:proses perubahan keadaan sistem pada tekanan konstanisokhorik:proses yang berlangsung tanpa perubahan volumeisotermal:proses termodinamika yang berlangsung tanpa perubahan suhukapasitas kalor:kapasitas panas; panas yang diserap atau dilepaskan oleh benda saat suhunyaberubah sebesar 1 Kkecepatan: lintasan benda bergerak setiap waktukinematika:cabang fisika yang mempelajari gerak benda tanpa meninjau gaya penyebabnyakripton:unsur kimia dengan nomor atom 36 dan memiliki massa atom 83,80manometer:alat pengukur tekanan udara di dalam ruang tertutupmekanika: ilmu pesawat, ilmu yang mempelajari tentang gerak dan gayameniskus:melengkungnya permukaan zat cair dalam pipa kapilermomentum:hasil kali antara massa benda dengan kecepatan benda tersebutneon: unsur kimia dengan nomor atom 10 dan massa atom 20,179paralel:sejajar dan ujung-ujungnya bertemu pada satu titik atau satu bagian yang samapegas: suatu kumparan kawat berbentuk tali terpilinpercepatan:perubahan kecepatan setiap waktuperiode:waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu kali getaran, gerak gelombang,atau proses berulang lainnyaresultan: jumlah secara vektorsimpangan:jarak titik dihitung dari kedudukan kesetimbangan awaltermodinamika: cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagaikalor dan usaha antara sistem dan lingkungantegangan: suatu istilah fisika yang berarti beda potensialusaha: kerja; perkalian antara gaya penyebab gerak dengan jarak perpindahanviskositas:kekentalan; hambatan dari fluida mengalir
Daftar Pustaka227Alan Isaacs. 1994. Kamus Lengkap Fisika, terjemahan Danusantoso. Jakarta: Erlangga.Alonso, Finn. 1990. Fundamental University Physics. New York: Addison WesleyPublishing Company.Bridgman, Roger. 2000. Jendela Iptek Teknologi, terjemahan Pusat Penerjemahan FSUI.Jakarta: PT Balai Pustaka.Britannica Encyclopedia. 2006.Challoner, Jack. 2004. Jendela Iptek Energi, terjemahan Pusat Penerjemahan FSUI.Jakarta: PT Balai Pustaka.Corrine Stockley, Chris Oxlade, Jane Wortheim. 2000. Kamus Fisika Bergambar.Jakarta: Erlangga.Estien Yazid. 2005. Kimia Fisika untuk Paramedis. Yogyakarta: Andi Offset.Esvandiari. 2006. Smart Fisika SMA. Jakarta: Puspa Swara.Fish Bane P.M. 1996. Physics. New Jersey: Prentice Hall-Inc.Forum, 11 Agustus 1997.Ganijanti Aby Sarojo. 2002. Seri Fisika Dasar Mekanika. Jakarta: Salemba Teknika.Giancoli, Douglas. 2001. Fisika Jilid 1. Jakarta: Erlangga.Halliday dan Resnick. 1999. Fisika Jilid I, terjemahan Pantur Silaban dan Erwin S.Jakarta: Erlangga.Ismail Besari. 2005. Kamus Fisika. Bandung: Pionir Jaya.Jawa Pos, 24 Agustus 2006. , 17 November 2006.Lafferty, Peter. 1997. Jendela Iptek Gaya & Gerak, terjemahan Pusat PenerjemahanFSUI. Jakarta: PT Balai Pustaka.Lilik Hidayat Setyawan. 2004. Kamus Fisika Bergambar. Bandung: Pakar Raya.Mary and John Gribbin. 2004. Jendela Iptek Ruang & Waktu, terjemahan PusatPenerjemahan FSUI. Jakarta: PT Balai PustakaMundilarto. 1992. Fisika Dasar II. Jakarta: Universitas Terbuka.Norman O, Smith. 1994. Elementary Statistical Thermodynamics. New York:Plenum Press.Peter Soedojo. 2004. Fisika Dasar. Yogyakarta: Andi Offset.Sears, I.W dan Zemansky, M.W.1994. Fisika untuk Universitas, terjemahan EndangJuliastuti. Bandung: Bina Cipta.DAFTAR PUSTAKA
228Fisika XIuntukSMA/MASteve Setford. 1996. Buku Saku Fakta Sains, terjemahan Hariri. Jakarta: Erlangga.Suroso Ay, Anna P., Kardiawarman. 2003. Ensiklopedi Sains dan Kehidupan. Jakarta:CV Tarity Samudra Berlian.Sussana van Rose. 2000. Jendela Iptek Bumi, terjemahan Pusat Penerjemahan FSUI. Jakarta:PT Balai Pustaka.Sutrisno. 1982. Fisika Dasar. Bandung: Penerbit ITB.Team Depdiknas. 1979. Energi, Gelombang, dan Medan. Jakarta: PT Balai Pustaka.Team Depdiknas. Kurikulum 2004 Mata Pelajaran Fisika SMA/MA. Jakarta.Tempo, Januari 2006. , Oktober 2006.Tim Ensiklopedia. 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 1. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 2. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 3. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 4. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 5. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 6. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 7. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 8. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 9. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve. . 2005. Ensiklopedi Umum untuk Pelajar Jilid 10. Jakarta: PT Ichtiar Baruvan Hoeve.Wylen. 1992. Fundamental of Classical Thermodinamics. New York: John Wiley and Sons,Inc.Zemansky, M.W. 1992. Heat and Thermodynamics. New York: Mc Graw Hill BookCompany, Inc.
Daftar Konstanta229Konstanta-Konstanta DasarBesaranSimbolNilai PendekatanNilai Terbaik yang TerakhirLaju cahaya di ruang hampac3,00 u108 m/s2,99792458 u 108 m/sKonstanta gravitasiG6,67u10-11 Nm2/m6,67259 ((85) u10-11 Nm2/kg2Bilangan AvogadroNA6,02u1023 mol-16,0221367(36) u 1023 mol-1Konstanta gasR8,315 J/mol.K = 1,99 kal/mol.K8,314510(70) J/mol.K= 0,082 atm.liter/mol.KKonstanta Boltzmannk1,38 u10-23 J/K1,380658(12) u10-23 J/KMuatan elektrone1,60 u10-19 C1,6021733(49) u10-19 CKonstanta Stefan BoltzmannV5,67u10-8 W/m2K45,67051(19) u 10-8 W/m2K4Permitivitas hampa udara0=(1/c 20P) 8,85u10-12C2/Nm28,854187817...u10-12 C2/Nm2Permeabilitas hampa udara0P4Su10-7 T.m/A1,2566370614...u10-6 T.m/AKonstanta Planckh6,63u10-34 J.s6,6260755(40)u10-34 J.sMassa diam elektronme9,11u10-31 kg = 0,000549 u9,1093897(54)u10-31 kg= 0,511 MeV/c2= 5,48579903(13)u10-4 smaMassa diam protonmp1,67726 u10-27 kg = 1,00728 u1,6726231(10) u10-27 kg= 938,3 MeV/c2= 1,007276479(12) smaMassa diam neutronmn1,6749 u10-27 kg = 1,00728 u1,6749286(10) u10-27 kg= 938,3 MeV/c2= 1,008664904(14) smaSatuan massa atom (sma)u1,6605 u10-27 kg = 931,5 MeV/c21,6605402(10) u10-27kg= 931,49432(28) MeV/c2Daftar Alfabet YunaniAlphaADBetaBEGamma*JDelta'GEpsilon(HZeta=]Eta+KTheta4TIota,LKappa.NLambda/OMu0PNu1QXi;[Omicron2RPi3SRho5USigma6VTa u7WUpsilon8XPhi)I, MChi&FPsi<\Omega:ZDAFTAR KONSTANTASatuan Turunan SI dan SingkatannyaBesaranSatuanSingkatanDalam Satuan DasarGayanewtonNkg.m/s2Energi dan kerjajouleJkg.m2/s2DayawattWkg.m2/s3TekananpascalPakg/(m.s2)FrekuensihertzHzs-1Muatan listrikcoulombCA.sPotensial listrikvoltVkg.m2/(A.s3)Hambatan listrikohm:kg.m2/(A2.s3)KapasitansifaradFA2.s4/(kg.m2)Medan listrikteslaTkg/(A.s2)Fluks magnetikweberW bkg.m2/(A.s2)InduktansihenryHkg.m2/(s2.A2)
230Fisika Xl untuk SMA/MAKonversi Satuan (Ekuivalen)Panjang1 inci=2,54 cm1 cm= 0,394 inci1 ft= 30,5 cm1 m= 39,37 inci = 3,28 ft1 mil= 5280 ft = 1,61 km1 km= 0,621 mil1 mil laut (U.S)=1,15 mil =6076 ft = 1,852 km1 fermi= 1 femtometer (fm) = 10-15 m1 angstrom (D)=10-10 m1 tahun cahaya (ly) =9,46 u1015 m1 parsec= 3,26 ly = 3,09 u1016 mLaju1 mil/h = 1,47 ft/s = 1,609 km/h = 0,447 m/s1 km/h= 0,278 m/s = 0,621 mil/h1 ft/s= 0,305 m/s = 0,682 mil/h1 m/s= 3,28 ft/s = 3,60 km/h1 knot = 1,151 mil/h = 0,5144 m/sSudut1 radian (rad) = 57,30o = 57o18'1o = 0,01745 rad1 rev/min (rpm) = 0,1047 rad/sVolume1 liter (L) = 1.000 mL = 1.000 cm3 = 1,0 u10-3 m3 = 1,057 quart (U.S) = 54,6 inci31 gallon (U.S) = 4 qt (U.S) = 231 in.3 = 3,78 L = 0,83 gal (imperial)1 m3 = 35,31 ft3Waktu1 hari = 8,64 u104 s1 tahun = 3,156 u 107 sMassa1 satuan massa atom (u) = 1,6605 u10-27kg1 kg = 0,0685 slug(1 kg mempunyai berat 2,20 lb dimana g = 9,81 m/s2)Gaya1 lb = 4,45 N1 N = 105dyne = 0,225 lbTekanan1 atm = 1,013 bar = 1,013 u10 N/m2= 14,7 lb/inci2 = 760 torr1 lb/inci2 = 6,90u103 N/m21 Pa = 1 N/m2 = 1,45 u 10-4 lb/inci2Daya1 W = 1 J/s = 0,738 ft.lb/s = 3,42 Btu/h1 hp = 550 ft.lb/s = 746 WEnergi dan Kerja1 J = 107 ergs = 0,738 ft.lb1 ft.lb = 1,36 J = 1,29u10-3 Btu = 3,24u10-4 kkalkkal = 4,18 u 103 J = 3,97 Btu1 eV = 1,602u 10-19 J1 kWh = 3,60 u 106 J = 860 kkal
Daftar Konstanta231Tabel Periodik Unsur
234Fisika XI untuk SMA/MAOorbit satelit 37, 43Pparalel 46, 52, 53, 55, 56, 57,65pegas 46, 48, 49, 52, 53, 54,55, 56, 57, 60, 61, 62, 63,64, 65, 66, 67percepatan 1, 2, 8, 9, 10, 11,12, 13, 15, 19, 20, 21,22, 23, 25, 26, 27, 28, 29,32, 34, 35, 36, 37, 38, 43,44, 45, 46, 57, 58, 59, 60,64, 66percepatan gravitasi 34, 35,36, 37, 38, 43, 44, 45percepatan sudut 112, 116,117, 119, 121, 133, 135periode 46, 54, 55, 57, 64, 67persamaan kontinuitas 159,160, 161, 163, 171perubahan energi 68, 70, 74,75, 76, 77, 82, 83, 85Rregangan 49, 50, 51, 53, 64,67Robert Hooke 52rotasi 111, 112, 113, 114,116, 117, 118, 119, 120,121, 122, 123, 125, 133,134, 135SSadi Carnot 208, 213seri 46, 53, 55, 56, 67siklus Carnot 206, 208, 209,213simpangan 46, 54, 57, 58, 59,60, 61, 63, 64, 66, 67Ttabung pitot 165tegangan 46, 48, 49, 50, 51,53, 64, 67tekanan hidrostatik 140, 142,143, 144, 145, 147, 163,164, 170teori Torricelli 162, 163, 172termodinamika 196, 197, 198,199, 202, 203, 204, 207,208, 210, 211, 213Thomas Young 62titik berat 110, 112, 126, 127,128, 130, 131, 132, 133,134, 136, 137, 138, 139tumbukan 86, 88, 89, 90, 91,92, 93, 94, 95, 96, 99,100, 101tumbukan lenting sebagian86, 92, 93, 94, 95, 99,101tumbukan lenting sempurna86, 92, 93, 99, 100tumbukan tidak lenting 86,92, 93, 94, 96, 99Uusaha 61, 64, 68, 69, 70, 71,72, 73, 74, 75, 76, 77, 78,82, 83, 84, 85Vvektor 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10,12, 13, 14, 15, 16, 25vektor posisi 3, 4, 5, 13, 25vektor satuan 2, 3, 5, 9, 25venturimeter 162, 163, 164,165, 167, 169, 172, 174Xxenon 178