Halaman
275Fisika SMA/MA XIBab IXTermodinamikaSumber : Internet. train locomotif.com.Energi panas dan transformasinya dapat digunakan untuk menggerakkan mesin uap pada keretalokomotif.
Fisika SMA/MA XI276Peta KonsepTermodinamikaUsahaEntropiKapasitasKalorMesin kalorHukumPertamaTermodinamikaHukumTermodinamikakedua danSiklus CarnotRefrigeratorSiklus CarnotUsaha padaTekanan tetapUsaha padaSuhu TetapProses denganVolume TetapProses AdiabatikTujuan Pembelajaran :Setelah kalian mempelajari bab ini kalian diharapkan mampu menganalisis perubahankeadaan gas ideal dengan menerapkan hukum termodinamika.macamnyaEfisiensimempelajari
277Fisika SMA/MA XIKita akan mempelajari salah satu cabang Fisika, yaitutermodinamika. Termodinamika adalah ilmu tentang suhu,panas, dan pertukaran energi (Tipler). Kalian telahmempelajari tentang panas pada kelas X, gas ideal danperilakunya secara mikroskopik yang berkaitan dengan suhu.Dalam bab termodinamika ini akan membahas tentangpertukaran energi pada gas.Usaha dapat dilakukan oleh gas ideal. Usaha dapatdilakukan dengan berbagai macam proses. Dalam materi asasideal, kita juga akan membahas hukum termodinamika yangpertama yang sebenarnya menunjukkan hukum kekekalantenaga.isokorik, isotermik, isobarik, adiabatik, energi internal, kapasitas kalor, mesinkalor, siklus Carnot, entropiMotivasi BelajarKata-kata KunciSebagian besar energi saat ini diperoleh dari pembakaran fosil (minyak bumi,gas alam, dan batubara). Dalam mempergunakannya kita harus efisien.Penggunaan energi yang efisien harus dengan hukum-hukum alam, sepertihukum kekekalan energi. Selain itu, hukum-hukum lain juga digunakan padaenergi dalam bentuk kalor dan usaha. Termodinamika adalah cabang Fisikayang mempelajari hukum-hukum dasar tentang kalor dan usaha.Bagaimanakah hukum-hukum itu berlaku di alam semesta ini?A. UsahaKita sudah mempelajari tentang usaha pada semester lalu.Apabila melakukan usaha pada suatu sistem, maka kitamemindahkan tenaga kita ke sistem. Sekarang kita akanmembahas usaha pada gas.Perhatikan Gambar (9.1) sebuah tabung yang terpasangdengan rapat, tutup tabung bisa digeser, kita asumsikan tidakada gesekan. Tabung berisi gas. Bila tutup tabung kita gerakkanmaka volume akan berubah, tekanan atau suhu, atau keduanya
Fisika SMA/MA XI278akan berubah, sesuai dengan persamaan keadaan gas. Begitujuga dengan gambar tabung di atas. Jika diberi kalor daribawah maka suhunya berubah.Apabila diatur suhunya dengan cara dipanasi, makatekanan semakin tinggi dan gas akan mengembang secaraperlahan serta memberikan tekanan pada tutup tabung. Gayayang diberikan gas pada tutup tabung adalah PA, dengan Aadalah luas tutup. Jika tutup bergeser sejauh ds maka usahayang dilakukan gas pada tutup yaitu dW adalah: dW = Fds = PAdx = P'V .... (1)Dari persamaan gas kita tahu perubahan P akan diikutiV atau T atau keduanya. Demikian juga perubahan V akandiikuti perubahan T, V atau keduanya. Kita bisa mengaturagar salah satu dari besaran V, P atau T konstan. Kita bisamengetahui keadaan gas dengan mengetahui dua besaran.Misalkan kedua besaran itu adalah P dan V, maka kita dapatmenyatakan keadaan gas dengan diagram P berbanding V.Tiap titik pada diagram menyatakan keadaan tertentu darigas.Bila proses terjadi pada tekanan tetap kita bisa mencariusaha yang dilakukan gas menggunakan Persamaan (1), bilaproses terjadi tidak pada tekanan konstan maka usaha adalahluasan daerah di bawah diagram PV. .... (2)Gambar 9.1 Sebuah tabung yang diisi gas. Luas piston atau penghisap adalah A.Piston dapat bergeser sebesar ds. ds bisa ke atas atau ke bawah. Tekanan dalamtabung dapat menggerakkan piston.Tutup tabungatau pistonyang bisabergeserdsnp
279Fisika SMA/MA XI(P1, V1)(P2, V2)Gambar 9.2 Usaha padaberbagai proses darikeadaan P1V2 menjadiP1V2. Usaha adalah luas-luasan yang diarsir.Besarnya usaha tergan-tung pada prosesnya,tampak luas luasan yangdiarsir berbeda meskipunmemiliki titik akhir dantitik awal yang sama.vvp(P2, V2=V2)(P3, V2= V3)(P4, V4=V3)(P4, V4=V3)(P1, V2)pBesarnya usaha tergantung pada proses yang dilakukan,atau lintasan yang dilakukan. Satuan untuk usaha adalah Joule,seringkali dinyatakan dalam liter atm.1 l.atm = (10-3 m3) (101,3 u 103 N/m2) = 101,3 J1. Usaha pada Tekanan TetapBila kita mengatur agar P konstan maka proses yang terjadikita namakan proses isobarik. Tinjau tabung di atas gambar(9.1), jika P konstan kemudian suhu kita ubah, maka akanterjadi perubahan volume.Persamaan keadaan pada proses isobarik adalah: .... (3)Diagram PV pada proses isobarik ditunjukkan Gambar(9.3a)Gambar 9.3 (a) DiagramPV pada proses isobarik,W adalah luasan yangdiarsir. (b) Diagram PVpada proses isokhorik,W=0. (c) Diagram PVpada proses isotermik Wadalah luasan yang diarsir (a) (b) (c)P(P1, V1)(P2, V2)VPVPV(P2, V2 = V1)(P1, V1)
Fisika SMA/MA XI2802. Usaha pada Suhu TetapProses dengan suhu konstan disebut proses isotermal.Persamaan keadaan pada proses isotermal adalah:Kaitan antara P dan V adalah .Tinjaulah tabung pada Gambar (9.1). Jika semula tutupkita tekan, atau kita beri gaya sehingga memiliki tekananP1,volume V1, kemudian suhunya kita perbesar lalu kita jagaagar suhunya tetap. Bila gaya kita lepaskan, tutup akanbergeser sehingga volumenya berubah menjadi V2, atau gasmelakukan usaha. Tekanannya juga berubah menjadi P2.Usaha yang dilakukan gas adalah luas daerah di bawah kurvaPV atau kita dapat menghitungnya.Besarnya usaha yang dilakukan gas adalah: W = P'V .... (4)W adalah luasan yang diarsir pada Gambar (9.3a). Jikaselama proses volumenya membesar maka usahanya positif,artinya gas melakukan usaha. Jika selama proses volume gasmengecil maka usaha dilakukan pada gas.Contoh Soal 14 liter gas ideal pada tekanan 2 atm dipanaskan sehingga volumenyamengembang dengan tekanan konstan sampai mencapai 6 l. Berapa usahayang dilakukan oleh gas?Penyelesaian :Diketahui :V = 4 l, P1 = 2 atm, V2 = 6 lJawab :Usaha pada tekanan konstanW = P' V = (20 (6-4) = 4 atm.l
281Fisika SMA/MA XI.... (5) .... (6)Gambar diagram PV dan usaha yang dilakukan gasditunjukan pada Gambar (9.3c).3. Proses dengan Volume TetapProses dengan volume tetap dinamakan proses isokorik.Persamaan keadaan pada proses ini: atau .... (7)Diagram PV dan usaha yang dilakukan ditunjukkan olehGambar (9.3c)Pada proses isokorik volume konstan. Jadi tidak ada kerjayang dilakukan oleh gas. Jika suhu ditambah denganpemanasan, maka tekanan akan bertambah, gaya yang bekerjapada dinding bertambah tetapi karena volume tetap makausaha yang dilakukan adalah nol.4.Proses AdiabatikProses selain isotermik, isobarik, dan isokorik terdapatproses adiabatik. Pada proses adiabatik adalah suatu prosesperubahan keadaan gas tanpa ada tenaga yang masuk atautenaga yang keluar. Bentuk tenaga yang kita pakai adalahkalor,sehingga kita bisa mengatakan pada proses adiabatiktidak ada kalor yang mengalir keluar ataupun mengalir masuk.Perhatikan tabung pada gambar (9.1) bila sejumlah gasberada pada tabung tersebut, pada volume tertentu kemudiandipanaskan agar memiliki suhu tertentu. Setelah itu tabung
Fisika SMA/MA XI282diisolasi sehingga tidak ada tenaga yang keluar. Gas akanmemuai secara adiabatik. Volume akan mengembang dansuhu akan berubah. Diagram PV untuk proses adiabatik agakmirip dengan proses isotermik tetapi terpotong karena adaperubahan suhu.Persamaan yang menyatakan grafik pada diagram PVproses adiabatik dari keadaan awal (P1,V1) menjadi keadaanakhir (P2,V2) adalahPVJ = konstan atau P1V1J= P2V2J .... (8)Gambar 9.4 Diagram PV proses adiabatik. Usahayang dilakukan adalah luasan yang diarsir.VPT2T1(P2, V2)(P1, V1)kJ adalah perbandingan antarakapasitas panas pada tekanan konstandengan kapasitas panas pada volumekonstan. Berikut ini kita akan mem-pelajari lebih lanjut tentang kapasitaspanas.Untuk gas ideal berlaku persamaan sehinggaPersamaan (8) menjadi: .... (9) .... (10)B. Hukum Pertama TermodinamikaHukum pertama termodinamika sebenarnya adalahkekekalan tenaga yang menghubungkan antara usaha yangdilakukan pada sistem,panas yang ditambahkan ataudikurangkan, dan tenaga dalam sistem. Jika usaha dilakukanoleh sistem pada lingkungan misalkan gas mengembangsehingga volume tabung membesar maka usaha W bertanda
283Fisika SMA/MA XIpositif (+). Jika usaha dilakukan pada sistem, misalkanvolume mengecil maka dilakukan usaha pada sistem atau Wbertanda negatif (-). Jika positif artinya panas diberikan kepadasistem, Q bertanda negatif jika panas keluar dari sistem.Hukum pertama termodinamika menyatakan:Panas yang ditambahkan pada suatu sistem samadengan perubahan energi internal sistem ditambahusaha yang dilakukan oleh sistem. .... (11)Kita telah mempelajari berbagai proses dan usaha tiapproses.Untuk proses isobarik usaha yang dilakukan gas adalahmaka hukum termodinamika pertama menjadi: .... (12)Pada proses isotermik usaha yang diakukan gas adalah karena suhu konstan maka energi dalamsistem juga konstan atau 'U = 0. Hukum termodinamikapertama menjadi: .... (13)Pada proses isokorik,usaha yang dilakukan gas adalahnol, maka Q ='U. Dengan demikian semua kalor yang masukdigunakan untuk menaikkan tenaga dalam sistem.Contoh Soal 2Sebuah sistem terdiri atas 4 kg air pada suhu 73 °C, 30 kJ usaha dilakukanpada sistem dengan cara mengaduk, dan 10 kkal panas dibuang.(a) Berapakah perubahan tenaga internal sistem? (b) Berapa temperaturakhir sistem?
Fisika SMA/MA XI284Penyelesaian :Diketahui :m = 4 kg, T1 = 73° C = 273 + 73 = 346 KJawab :Usaha yang dilakukan W = -30 kJ, kalor yang keluar Q = -10 kkal =10 u 4,18 kJ = 41,8 kJ.Tenaga internal sistem adalah :'U = Q - W= -41,8 kJ + 30 kJ = -11,8 kJKalian masih ingat tentang kalor yang diperlukan untuk mengubah suhusistem bukan?Q = mc'TKarena Q bernilai negatif maka suhu menjadi turun.'T = 11,8 kJ/((4,18kJ/kg°C)(1,5)) = 1,88°Jadi, suhu akhir sistem adalah 73 - 1,88 = 71,12 °CKeingintahuan : Mencari InformasiSetelah mempelajari hukum pertama termodinamika, kalian tidak bolehpuas sebelum mengetahui penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.Sebutkanlah alat-alat yang menggunakan prinsip hukum termodinamikapertama ini.C. Kapasitas Kalor GasKapasitas panas adalah panas yang diperlukan untukmenaikkan suhu suatu zat sebesar 1 kelvin, sehingga dapatdituliskan sebagai:.... (14)
285Fisika SMA/MA XIatau Q = C'Tsatuan Q adalah Joule , satuan T adalah Kelvinsehingga satuan C adalah J/K.Kita mengetahui proses perubahan suhu pada gas dapatterjadi pada tekanan tetap atau volume tetap. Sehinggakapasitas panas pada gas berupa kapasitas pada tekanan tetapdan kapasitas panas pada volume tetap.Kapasitas panas pada tekanan tetap Cpdidefinisikansebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhunya padatekanan tetap. .... (15)Kapasitas panas pada volume tetap C didefinisikansebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhunya padavolume tetap..... (16)Pada proses isokorik usaha yang dilakukan sistem adalah0 karena tidak ada perubahan volume, maka menurut hukumtermodinamika pertama Q = 'U sedang pada proses isobarikQp= 'U +W sehingga kita dapatkan: .... (17)atau.... (18)Kita dapatkan .... (19)Kita dapatkan selisih kapasitas panas pada tekanan tetapdengan kapasitas panas pada volume tetap bernilai nR ataukonstan.
Fisika SMA/MA XI286Selain kapasitas panas kita mengenal kalor jenis. Kalorjenis c didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan 1 kg zatuntuk menaikkan suhunya 1 K. Kaitan antarkalor jenis dengankapasitas panas adalah:.... (20)Kapasitas panas ada dua macam, maka kalor jenis jugaada 2 macam kalor jenis pada tekanan tetap dan kalor jenispada volume tetap..... (21)D. Hukum Termodinamika Kedua dan Siklus Carnot1. Mesin KalorMesin kalor adalah suatu alat yang mengubah tenagapanas menjadi tenaga mekanik. Misalnya dalam mobil energipanas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energigerak mobil. Kalian tahu ada gas yang dibuang dari knalpotmobil disertai panas. Tidak semua energi panas dapat diubahmenjadi energi mekanik, ada energi yang timbul selain energimekanik. Contoh lain adalah mesin pembangkit tenaga listriktenaga panas bumi yang digunakan untuk mengubah airmenjadi uap. Uap dialirkan melalui sebuah turbin sehinggaturbin bergerak dan memutar generator sehingga timbultenaga listrik.Secara sistematik usaha mesin kalor adalah usaha yangdilakukan empat tahap secara siklis. Sebuah silinder berisigas pada tekanan P1 dilengkapi dengan piston. Tahap-tahapyang dilakukan kemudian adalah:a. Piston dijaga pada volume konstan V1 kemudian tekananP1 dinaikkan dengan cara melakukan pemanasansehingga dicapai tekanan P2. Tekanan akan bertambahdengan volume konstan. Usaha dari luar dikerjakan agarmengimbangi gaya pada piston yang bertambah karenapenambahan tekanan.b. Pemanasan masih dilakukan. Semakin banyak panasyang ditambahkan, gas kemudian dibiarkan memuai
287Fisika SMA/MA XIpada tekanan konstan, P3=P2.Volume bertambah dari V2menjadi V3 sehingga mesin melakukan kerja.c. Piston kemudian dijaga agar volumenya konstan sehinggatekanan turun kembali menjadi P1. Tekanan akanberkurang dengan volume konstan sehingga tidak adakerja yang dilakukan pada gas.d. Gas kemudian ditekan dengan tekanan konstan, danpanas dikeluarkan sampai volumenya kembali ke vo-lume semula. Hasil total kerja adalah total kerja tiap prosesa,b,c, dan d. Atau luas segiempat pada gambar .Panas yang masuk : Q masuk = Q1 + Q2Panas yang keluar: Q keluar = Q3 + Q4Usaha yang dilakukan: W = Qmasuk - Qkeluar.... (23)Tiap mesin kalor selalu ada zat atausistem yang menyerap sejumlah panasQp pada suatu suhu yang tinggi,kemudian melakukan usaha sehinggatenaga kalor dirubah menjadi tenagamekanik, dan membuang panas Qd kesuhu rendah sehingga suhu turun dankembali ke keadaan awalnya. Zat yangmenyerap atau melepas panas disebutsebagai zat kerja. Tandon panas adalahsistem ideal dengan kapasitas panas yangbesar sehingga dapat menyerap atau memberikan panas tanpaperubahan suhu yang besar. Tandon panas biasanya berupaatmosfer atau keadaan luar.Keadaan awal dan keadaan akhir mesin sama pada zatkerja yang sama, maka tenaga dalam akhir harus sama dengantenaga dalam awalnya. Dengan demikian berdasarkan hukumtermodinamik pertama kerja yang dilakukan sama denganpanas total yang diserap. Pada mesin panas kita mengharapkandapat mengubah panas masukan Qp menjadi kerja sebanyakmungkin. W = Qp - Qd .... (24)PV(P2, V2 = V1)(P3, V2 = V3)(P4, V4 = V3)(P1, V1)ab
Fisika SMA/MA XI288Hukum termodinamika kedua untuk mesin panasMesin panas yang bekerja secara siklis tidak mungkintidak menghasilkan efek lain selain menyerap panasdari tandon dan melakukan sejumlah usaha yangekivalen.Hukum termodinamika kedua menyatakan jika kitaingin menyerap energi dari suatu tandon panas untukmelakukan usaha maka kita harus menyiapkan tandon yanglebih dingin sebagai tempat untuk membuang tenaga. Karenamesin tidak mungkin membuat semua panas yang diserapmenjadi tenaga tetapi pasti ada pembuangan. Hukum inidirumuskan secara eksperimen oleh Kelvin dan Planck ataudisebut juga rumusan panas untuk mesin panas.2. EfisiensiEfisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara usahayang dilakukan terhadap panas yang diserap pada tandonpanas..... (25)Efisiensi 100 % akan dicapai jika Qd = 0 atau tidak adakalor yang dibuang pada tandon dingin. Seluruh kalor yangdiserap diubah menjadi tenaga. Sedangkan menurut hukumtermodinamika kedua hal ini tidak mungkin terjadi.Gambar 9.5 Mesin pemanas: (a) mesin pemanas yang mungkin, (b) mesin pemanas ideal yangtidak mungkin terjadi menurut hukum termodinamika kedua.(a)(b)QpQp
289Fisika SMA/MA XIContoh Soal 3Sebuah mesin panas menyerap panas 250 J dari tandon panas, kemudianmelakukan usaha dan membuang 150 J panas ke tandon dingin. Berapaefesiensi mesin?Penyelesaian :Diketahui :Qp =200 J,Qd =150 JJawab :Efesiensi mesinJadi, efesiensi mesin adalah 25%Wawasan Produktivitas : Inovatif/KreatifKalian sudah pernah mempelajari efisiensi. Dalam contoh disebutkanbahwa efisiensi merupakan perbandingan antara usaha yang dilakukanterhadap panas yang diserap pada tandon panas. Nah, setelah kalianmemahami hal itu, apa yang akan kalian lakukan? Buatlah langkah kerjayang sesuai dengan pengetahuan ini, yang bermanfaat bagi kehidupanmanusia.Hasilnya dikumpulkan kepada bapak/ibu guru kalian.3. RefrigeratorRefrigerator adalah mesin panas yang kerjanyaberlawanan dengan sistem panas di atas. Pada refrigeratorusaha diberikan pada mesin untuk menyerap panas daritandon dingin dan memberikan pada tandon panas. Skemakerja mesin pendingin atau refrigertor ditunjukkan padaGambar (9.6). Kita mengusahakan sebanyak mungkin kalorQd yang dipindahkan dengan melakukan kerja sekecilmungkin.
Fisika SMA/MA XI290Hukum termodinamika kedua untuk mesin pendinginSebuah refrigerator tidak mungkin bekerja secara siklistanpa menghasilkan efek lain di luar serapan panas daribenda dingin ke benda panas.Gambar 9.6 Prinsip kerja refrigerator untukmenyerap panas dari tandon dngin diperlukanusaha dari luarSkema sebuah refrigerator di-tunjukkan Gambar (9.6). Hukum keduauntuk refrigerator merupakan hasilperumusan Clausius. Berdasarkanhukum ini kita tidak mungkin men-dinginkan rumah kita tanpa ada usahayang dilakukan. Usaha dapat berasal darilistrik atau tenaga yang lain. .... (26)Bila digunakan gas ideal sebagai zat kerja, kita bisamenyatakan koefisien performansi dengan suhu sebagai.... (27)Semakin besar nilai Cp semakin baik refrigeratornya.Hukum kedua termodinamika untuk refrigerator menyatakankoefisien performasi tidak mungkin tak berhingga, karena Wtidak mungkin nol.Peralatan yang merupakan refrigerator misalnya lemaries dan pendingin ruangan. Pada lemari es, bagian dalam lemaries berlaku sebagai tandon dingin dan udara luar berlakusebagai tandon panas. Lemari es mengambil kalor dari lemaries dan mengalirkan kalor ke udara sekitar lemari es. Agarlemari es dapat mengambil kalor diperlukan usaha, usahapada lemari es berasal dari listrik. Tenaga listrik melakukanusaha sehingga kalor dapat mengalir dari tandon dingin ketandon panas.Contoh lain adalah pendingin ruangan. Bagian dalamruangan berlaku sebagai tandon dingin dan bagian luarruangan berlaku sebagai tandon panas. Mesin panasQpTandon panas
291Fisika SMA/MA XImengalirkan panas dari tandon dingin ke tandon panas, ataudari dalam ruangan ke luar ruangan dengan melakukan usahapada sistem. Usaha berasal dari tenaga listrik.Hukum termodinamika kedua menunjukkan sifat alamkalor mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah. Andaikanmesin mengalirkan panas dari suhu tinggi ke suhu rendahmaka mesin kita akan melakukan usaha. Jika mesinmelakukan sistem yang siklis maka selalu ada kalor yang tidakmenjadi usaha. Apabila mesin kita adalah mengalirkan kalordari suhu rendah ke suhu tinggi maka kita harus melakukanusaha pada sistem agar kalor bisa mengalir.4. Siklus CarnotKita telah mempelajari mesin panas dan mesin pendingin(refrigerator). Pada mesin panas kita tidak mungkindidapatkan efesiensi 100 %. Berapa efesiensi maksimum yangmungkin dicapai? Sadi Carnot (1796-1832) menyatakan:Mesin CarnotTidak ada mesin yang bekerja di antara dua tandonpanas yang tersedia yang dapat lebih efesien daripadamesin reversible yang bekerja di antara kedua tandontersebutUntuk mengalirkan kalor dari tandon panas ke tandondingin dikerahkan usaha. Carnot mengusulkan mesin kaloryang dapat bekerja secara siklis dan dapat balik atau reversibel.Suatu proses dikatakan dapat balik bila dapat kembali kekeadaan semula dengan lintasan yang sama, proses ini terjadidengan tidak ada energi mekanik yang hilang karena gesekan,tidak ada hantaran panas karena beda suhu dan sistem selalupada keadaan setimbang.Siklus kerja mesin Carnot ditunjukkan pada Gambar(9.8). Proses yang terjadi berupa siklus yang disebut siklusCarnot.
Fisika SMA/MA XI292Keadaan 1 :Siklus dimulai pada dari titik A.Proses dari titik A ke titik B denganpemuaian isotermal pada suhu Tptertentu, terjadi serapan panas. Panasdiserap dengan proses isotermalsehingga proses dapat dibalik tanpamelanggar hukum kedua termo-dinamika. Tenaga dalam sistem tidakberubah. Sistem melakukan usahaketika menuju ke titik B. Kalor yangdiserap semua menjadi tenaga..... (28)Gambar 9.8 Skema proses siklus CarnotKeadaan 2Proses dari titik B ke titik C adalah proses adiabatik, atautidak terjadi pertukaran panas. Apabila prosesnya perlahan-lahan sehingga selalu setimbang proses ini juga reversibel.Suhu akan turun menjadi Td.Keadaan 3Dari titik C ke titik D terjadi proses pemampatanisotermal. Usaha dilakukan pada gas dan panas Qd dilepas ketandon dingin pada temperatur Td. Usaha yang dilakukanadalah:.... (29)Keadaan 4Dari titik D kembali ke titik A terjadi proses pemampatanadiabatik, tidak ada kalor yang dilepas maupun diserap. Usahadikerjakan pada sistem.Usaha total adalah luasan di antara siklus tertutup (daerah yangdiarsir). Efesiensi siklus ini adalah
293Fisika SMA/MA XIPada keadaan 2 dan 4 proses yang terjadi adalah prosesadiabatik sehingga kita mendapatkan Sehingga .... (30)Efesiensi maksimum sebuah mesin panas adalah efesiensimesin Carnot. Mesin yang memiliki efesiensi yang lebih besardari mesin ini akan melanggar hukum termodinamika yangkedua.Contoh Soal 4Sebuah mesin uap bekerja di antara tandon panas 127 °C dan tandondingin O°C. Berapa efesiensi maksimum mesin ini?Penyelesaian :Diketahui :Tp = 123°C = 273°+127 = 400 K, Td = 0° = 273 KJawab :Perhatikan satuan suhu dalam SI adalah K, jadi ubahlah selalu satuan dalamsuhu menjadi Kelvin.Efesiensi mesin CarnotJadi, efesiensi maksimum mesin adalah 32%Bagaimana cara kerja mesin bensin 4 takMari kita bahas mesin bensin 4 tak. Proses siklus mesinbensin 4 tak meliputi 4 tahap, tiap-tiap tahap adalah:
Fisika SMA/MA XI294Tahap satu :Gerak masuk : piston ditarik ke bawah dari suatu posisidekat bagian atas silinder. Gerakan ini biasanya dilakukan saatsedang dinyalakan dengan tenaga dari baterai yangmengerakkan stater. Saat piston bergerak ke bawah, makakatup masuk membuka. Tekanan udara dalam silindermenjadi berkurang sehingga bensin dan campuran udarayang berasal dari karburator melewati semprotan penghisapmasuk ke silinder. Selama gerakan ini katup buang menutupdan poros engkol membuat gerakan setengah putaran.Tahap kedua:Gerak menekan atau kompresi: Starter terus menerusmemutar mesin. Katup masuk menutup dan piston bergerakke atas. Kedua katup tertutup rapat selama gerak ini sehinggabahan campuran yang meledak ditekan menjadi 1/6 sampai1/8 volumenya semula. Tekanan dalam silinder naik sampaikira-kira 7 kg per cm2. Sekarang piston telah kembali keposisinya semula yaitu dekat bagian atas silinder. Dengandemikian poros engkol membuat putaran secara sempurna.Tahap ketiga:Gerak tenaga: Sesaat sebelum piston mencapai bagian atasgerak kompresi, bahan bakar campuran menyala olehpercikan api yang berada di antara elektroda-elektroda busipencetus. Sewaktu bahan bakar campuran meledak, makadorongan gas itu ke bagian dasar silinder. Pada saat ledakanterjadi tekanan dalam silider dapat melebihi 35 kg per cm.Gerak tenaga ini benar-benar menyebabkan mesin berjalan.Perhatikan bahwa kedua katup itu tetap tertutup sehinggapiston mendapatkan tekanan penuh gas yang mengembangitu. Poros engkol telah membuat 1,5 putaran.Tahap 4:Gerak pembuangan: Saat piston bergerak ke atas padapermulaan gerak ini, katup pembuangan membuka dan gasyang telah dipakai dikeluarkan melalui semprotan-semprotanbuang, silinder bersih dari gas yang terbakar. Piston berada diposisi atas dan siap untuk memulai gerakan masuk. Pada akhir
295Fisika SMA/MA XIE. EntropiBusiKatuppembuanganKatupmasukGambar 9.9 GerakmasukGambar 9.10 GerakkompresiGambar 9.11 GeraktenagaGambar 9.12 GerakpembuanganSeputar TokohJames Prescott Joule (1818-1889)Joule melakukan eksperimen yang untuk menentukanjumlah usaha yang diperlukan untuk menghasilkankenaikan suhu tertentu pada sejumlah air tertentu.Joule juga melakukan ekperimen yang menunjukkanpada energi dalam gas ideal hanya berupa tenagakinetik translasi.Sumber: WikipediaHukum kedua termodinamika menyatakan adanyaproses ireversible atau tidak dapat balik. Proses reversibelsebenarnya menunjukkan adanya tenaga mekanis yang hilang.Semua proses reversibel menuju ke ketidakteraturan.Misalkan sebuah kotak berisi gas kemudian kotak menumbukdinding secara tidak elastis. Gerak gas dalam kotak menjaditidak teratur, sehingga suhu gas naik. Gas menjadi kurangteratur dan kehilangan kemampuan untuk melakukan usaha.gerakan buangan poros engkol berputar 2 kali. Pada tiapputaran, terdapat 1 gerak tenaga pada setiap putaran porosengkol. Sebuah gaya roda logam yang besar ditempatkan padaujung poros engkol. Inersia roda ini cenderung untuk menjagaagar mesin tetap berjalan terus.
Fisika SMA/MA XI296Besaran yang menunjukkan ukuran ketidakteraturanadalah entropi S. Entropi merupakan suatu fungsi yangtergantung pada keadan sistem. Entropi suatu sistem berubahdari satu keadaan ke keadaan yang lain dengan definisi: .... (31)dQre adalah panas yang harus ditambahkan pada sistemdalam suatu proses reversibel untuk membawa dari keadanawal ke keadaaan akhirnya, dQre bernilai positif (+) jika panasditambahkan pada sistem dan bernilai negatif (-) jika panasdiambil dari sistem.Mari kita melihat entropi sistem pada berbagai keadaan.Mari kita tinjau zat yang dipanaskan pada tekanan tetap daritemperatur T1 menjadi temperatur T2. Untuk menaikkansuhunya panas yang diserap adalah dQ. Kaitan antara dQdengan perubahan suhunya adalah: .... (32)Hantaran panas antara dua sistem yang memiliki bedatemperatur tertentu bersifat tak dapat balik atau irreversibel.Entropi merupakan fungsi keadaan jadi tidak tergantung padaproses. Maka perubahan entropi pada sistem adalah:atau .... (33)Bila T2>T1 maka perubahan entropi positif, dan sebaliknyajika T2<T1 maka perubahan entropinya negatif.Sekarang kita tinjau pemuaian reversibel pada suhu tetapsuatu gas yang memiliki suhu T dari volume V1 sampai V2.Karena suhu tetap maka tenaga internalnya nol dan Q = W.Usaha dilakukan gas dan panas diserap sistem dari tandonpada temperatur T. Perubahan entropi gas adalah:
297Fisika SMA/MA XI.... (34)Jika V2 lebih besar daripada V1 maka perubahan entropigas bernilai positif. Pada proses ini sejumlah panas Qmeninggalkan tandon dan memasuki gas. Jumlah panas inisama dengan usaha yang dilakukan oleh gas. Perubahanentropi gas adalah positif, karena Q=W positif, tetapiperubahan entropi tandon negatif karena Q negatif atau Qkeluar dari tandon. Jadi total perubahan entropi gas dan tandonadalah nol. Sistem gas dan tandon kita katakan sebagai semesta.Semesta adalah sistem dan lingkungannya. Dengan demikiankita bisa mengambil kesimpulanPada proses reversibel, perubahan entropi semestaadalah nolBagaimana jika prosesnya tidak reversibel? Misalkan sajagas pada suhu T dan gas memuai secara bebas dari volume V1menjadi V2. Pada pemuaian bebas tidak ada usaha yangdilakukan dan tidak ada panas yang dipindah. Jadi kita biarkangas memuai sendiri. Prosesnya tidak reversibel, maka kitatidak bisa mengunakan³dQ/T untuk mencari perubahanentropi gas. Akan tetapi karena keadaan awal sama dengankeadaan akhir pada proses isotermal maka perubahan entropiuntuk pemuaian bebas sama dengan perubahan entropi padapemuaian isotermal. Maka perubahan entropi pada pemuaianbebas: .... (35)V2 lebih besar dari V1 karena terjadi pemuaian bebas,maka perubahan entropi semesta untuk proses irreversibelbernilai positif, atau entropinya naik, maka kita bisamengatakan pada proses irreversibel entropi semesta naik.Bagaimana jika volume akhir lebih kecil dari volumemula-mula? Bila ini terjadi maka entropi semesta akan turun,akan tetapi hal ini tak mungkin terjadi karena gas tidak bisasecara bebas menyusut dengan sendirinya menjadi volumeyang lebih kecil. Maka kita sekarang bisa menyatakan hukumtermodinamika kedua menjadiuntuk sembarang proses,entropi semesta tak pernah berkurang.
Fisika SMA/MA XI298Contoh Soal 5Soal Ebtanas 1999Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut ini.(1) Pada proses adiabatik, gas selalu melakukan usaha(2) Pada proses isotermik, energi dalam gas berubah(3) Pada proses isokorik, gas tidak melakukan usaha(4) Pada proses isobarik, gas melakukan/menerima usahaPernyataan yang sesuai dengan proses termodinamika adalah ....a. (1) dan (2)b. (1), (2), dan (3)c. (1) dan (4)d. (2), (3), dan (4)e. (3) dan (4)Penyelesaian :Mari kita tinjau pernyataan di atas satu persatu.(1) Pada proses adiabatik, gas selalu melakukan usaha, pernyataan inisalah, pada proses adiabatik gas bisa melakukan usaha atau dilakukanusaha pada gas, jadi tidak selalu melakukan usaha.(2) Pada proses isotermik, energi dalam gas berubah, pernyataan ini salah,energi dalam tergantung pada suhunya, jika suhu konstan atau prosesyang terjadi adalah proses isotermik, maka energi dalam juga tidakberubah.(3) Pada proses isokorik, gas tidak melakukan usaha, pernyataan ini benar,pada proses isokorik volume gas tetap sehingga gas tidak melakukanatau dilakukan usaha.(4) Pada proses isobarik, gas melakukan/menerima usaha, pernyataanini benar, pada proses isobarik tekanan tetap, jika suhunya berubahmaka volumenya akan berubah sehingga gas melakukan ataumenerima usaha.Jadi jawaban yang benar E
299Fisika SMA/MA XISoal SPMB 2002Untuk gas ideal yang menjalani proses isotermal, jika Q = kalor, 'U = pe-rubahan energi dalam dan W = usaha maka:A. Q = WB. Q > wC. C < WD. Q ='UE. W ='UPenyelesaian :Pada proses isotermal, suhu konstan maka 'U=0,Hukum termodinamika pertama Q = 'U + WJika 'U = 0 maka Q = W, jawaban yang benar A.Contoh Soal 6Ringkasan1. Usaha yang dilakukan gasUsaha yang dilakukan gas adalahUsaha yang dilakukan gas tergan-tung pada proses yang terjadi.Proses isobarik adalah proses de-ngan tekanan tetap.Kerja yang dilakukan gas W = P'VProses isotermik adalah prosesdengan suhu tetap. Kerja yangdilakukan gas adalah Proses isokorik adalah prosesdengan volume tetap.Usaha yang dikerjakan adalah nolkarena volumenya konstan. Semuakalor yang masuk menjadi tenagainternal.Proses adiabatik adalah prosesperubahan keadaan gas tanpadisertai kalor yang masuk ataupunkalor yang keluar. Pada prosesadiabatik berlaku PVJ = konstanatau 2. Hukum termodinamika pertamaHukum termodinamika pertamamenyatakan:Panas yang ditambahkan pada suatusistem sama dengan perubahan energiinternal (energi dalam) sistemditambah usaha yang dilakukan olehsistem.Q ='U + W
Fisika SMA/MA XI3003. Kapasitas kalor gasKapasitas panas pada tekanan tetapCp didefinisikan sebagai kalor yangdiperlukan untuk menaikkan suhu-nya pada tekanan tetap.Kapasitas panas pada volume tetapCv didefinisikan sebagai kalor yangdiperlukan untuk menaikkansuhunya pada volume tetap.Kalor jenis c didefinisikan sebagaikalor yang diperlukan 1 kg zatuntuk menaikan suhunya 1 K.Kaitan antar kalor jenis dengankapasitas panas adalah:4. Hukum termodinamika keduaMesin kalor adalah suatu alat yangmengubah tenaga panas menjaditenaga mekanik.Mesin dingin adalah mesin kaloryang kerjanya berlawanan denganmesin kalor.Hukum termodinamika keduauntuk mesin panas menyatakanMesin panas yang bekerja secarasiklis tidak mungkin tidak meng-hasilkan efek lain selain menyerappanas dari tandon dan melakukansejumlah usaha yang ekivalen.Efisiensi mesin panas:Hukum termodinamika keduauntuk mesin dingin menyatakanSebuah refrigerator tidak mungkinbekerja secara siklis tanpa meng-hasilkan efek lain di luar serapanpanas dari benda dingin ke bendapanas.Koefisien performasi mesin dingin:5. Siklus CarnotSiklus Carnot meliputi siklus darikeadaan PV tertentu kemudianmengalami perubahan keadaandengan proses pemuaian isotermikreversibel diikuti proses adiabatikdan proses pemampatan isotermikreversibel dan kembali ke keadaansemula dengan proses adiabatik.Efesiensi mesin Carnot:Tidak ada mesin panas yang lebihefesien dari mesin Carnot tanpamelanggar hukum termodinamikakedua.
301Fisika SMA/MA XIUji KompetensiKerjakan di buku tugas kalian!A. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat denganmemberi tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E!1. Sejumlah gas ideal dipanaskan pada tekanan tetap2 u 104 N/m2, sehingga volumenya berubah dari 20 m3menjadi 30 m3. Usaha yang dilakukan gas selamapemuaian adalah ....A. 105 JB. 2 u 105 JC. 106 JD. 2 u 106 JE. 107 J2. Suatu mesin pendingin memiliki efisiensi 50%. Jika suhutandon tinggi 27°C , maka tandon suhu rendah memilikisuhu ....A. -13°CB. -43°CC. -53°CD. -73°CE. -200°C3. Sebuah mesin memiliki siklusseperti pada gambar. Usaha yangdilakukan adalah ....A. 0,5 u 104 JB. 104 JC. 1,5 u 104 JD. 2 u 104 JE. 4 u 104 J
Fisika SMA/MA XI3024. Gas ideal mengalami proses ABseperti gambar di samping. Jumlahkalor yang diserap selama proses ABadalah ....A. 0,5 JB. 1,5 JC. 3 JD. 4,5 JE. 6 J5. Jika tandon suhu tinggi bersuhu 800 K, maka efisiensimaksimum mesin adalah 40%. Agar efisiensi maksimumnaik menjadi 50%, suhu tandon suhu tingginya harusmenjadi ....A. 960 KB. 900 KC. 1.000 KD. 1.180 KE. 1.600 K6. Suatu mesin Carnot beroperasi dengan tandon yangsuhunya T1 dan T2 dengan T1>T2. Efisiensi mesin Carnotadalah ....A.B.C.D.E.
303Fisika SMA/MA XI7. Mesin Carnot mengambil 1.000 kkal dari tandonbersuhu 627°C, maka kalor yang dikeluarkan ke tandonrendah yang bersuhu 27°C adalah ....A. 43,1 kkalB. 333,3 kkalC. 600 kkalD. 666,7 kkalE. 956,9 kkal8. Berikut ini adalah diagram bebe-rapa mesin panas.Jika kalor Q1>Q2 dan W = usaha,maka yang sesuai dengan mesinCarnot adalah ....A. (1)B. (2)C. (3)D. (4)E. (5)9. Usaha yang dilakukan sejumlah gaspada proses yang digambarkanpada grafik adalah ....A. 103 JB. 2 u 103 JC. 104 JD. 2 u 104 JE. 105 J10. Proses perubahan wujud adalah proses (SPMB 2002) ....A. adiabatik dan isotermalB. adiabatik dan isobarikC. isobarik dan isotermalD. isokorik dan isotermalE. isokorik dan isobarik11. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut!(1) Pada proses adiabatik, gas selalu melakukan usaha(2) Pada proses isotermik, energi dalam gas berubah(3) Pada proses isokhorik, gas tidak melakukan usaha(4) Pada proses isobarik, gas melakukan/menerima usaha
Fisika SMA/MA XI304Pernyataan yang sesuai dengan proses termodinamikaadalah ....A. (1) dan (2)B. (1), (2), dan (3)C. (1) dan (4)D. (2), (3) dan (4)E. (3) dan (4)B. Kerjakan soal di bawah ini!1. 400 kkal ditambahkan pada gas yang memuai dangas melakukan usaha 800 kJ. Berapakah perubahanenergi internal gas?2. Di air terjun Grojogan Sewu air jatuh dari ketinggian50 m. Jika energi potensial berubah menjadi energiinternal air. (a) Hitunglah kenaikan temperaturnya!(b) Lakukan hal yang sama untuk air terjun denganketinggian 740 m!3. Gas dibiarkan memuai pada tekanan konstan sampaivolumenya 3 l, kemudian gas didinginkan pada vo-lume konstan sampai tekanannya 2 atm. (a)Tunjukkan proses ini dengan diagram PV! (b) Hitungusaha yang dilakukan oleh gas! (c) Hitung panas yangditambahkan selama proses ini!4. Gas dibiarkan memuai pada suhu konstan sampaivolumenya 3 l dan tekanannya 1 atm. Kemudian gasdipanaskan pada volume konstan sampai tekanannya2 atm. (a) Buatlah diagram PV untuk tiap proses.(b) Hitung usaha yang dilakukan gas. (c) Hitung panasyang ditambahkan selama proses.5. Satu mol gas ideal monoatomik mula-mula beradapada 273 K dan 1 atm.(a) Berapa tenaga internalnyamula-mula? Hitung energi internal akhir dan usahayang dilakukan oleh gas bila 500 J panas ditambahkan(b) Pada tekanan konstan (c). Pada volume konstan.
305Fisika SMA/MA XISetelah mempelajari bab ini, diharapkan kalian mampu memahamitentang :1. usaha,2. hukum pertama termodinamika,3. kapasitas kalor gas,4. hukum termodinamika kedua dan siklus Carnot, dan5. entropi.Apabila kalian belum memahami isi materi pada bab ini, pelajari kembaliuntuk persiapan ulangan akhir semester.Refleksi
Fisika SMA/MA XI306Kerjakan di buku tugas kalian!A. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat denganmemberi tanda silang (X) pada huruf A, B, C, D, atau E!1. Sebuah benda bergerak dengan percepatan konstan yaitua m/det2, maka pernyataan di bawah ini yang tidak benaradalah ....A. kecepatan rata-rata benda sama dengan rata-ratakecepatan bendaB. kecepatan sesaat benda sama dengan kelajuan rata-rata bendaC. percepatan benda sama dengan percepatan rata-ratabendaD. percepatan benda sama dengan kecepatan akhirdikurangi kecepatan awal dibagi waktu totalE. setiap detik kecepatan benda berubah sebesar a m/det.2. Pada gerak melingkar dengan kelajuan konstan dan jari-hari konstan percepatan tangensial selalu ....A. menuju pusat lingkaranB. tegak lurus dengan kecepatan tangensialC. merubah besar kecepatanD. merubah arah kecepatanE. besar percepatan tangensial konstan3. Sebuah planet bermassa M dikelilingi oleh satelitbermassa Ma, Mb, dan Mc. Satelit A berjari-jari Ra, satelitB berjari-jari Rb, dan satelit C berjari-jari Rc. Jika 3 Ma =2mb= mc dan ra = 2rb=3rcmaka medan gravitasi yangdialami oleh kedua satelit tersebut ....A. medan gravitasi yang dialami satelit A lebih besar darisatelit BB. medan gravitasi yang dialami satelit A lebih kecil darisatelit BC. medan gravitasi yang dialami satelit A sama dengansatelit BD. medan gravitasi yang dialami satelit A lebih besar darisatelit CE. medan gravitasi yang dialami satelit B lebih besar darisatelit CUji Kompetensi Akhir Semester 2
307Fisika SMA/MA XI4. Dua buah pegas masing-masing memiliki konstanta pegas30 N/m dan 50 N/m. Jika kedua pegas tersebut disusunsecara seri maka susunan tersebut menghasilkankonstanta pegas sebesar ....A. 0,014 N/mB. 0,053 N/mC. 18,75 N/mD. 30 N/mE. 70 N/m5. Energi potensial yang dimiliki oleh kedua buah planetyang bermassa Ma dan Mb yang dipisahkan oleh jaraksebesar R adalah ....A. berbanding terbalik dengan MaB. berbanding terbalik dengan MbC. sebanding dengan RD. berbanding terbalik dengan RE. berbanding terbalik dengan R26. Sebuah mobil bertubrukan dengan sebuah truk. Bilakecepatan mula-mula kedua kendaraan tersebut samadan berlawanan arah. Setelah tubrukan keduanya diam.Pada tubrukan tersebut berlaku ....A. hukum kekekalan momentumB. hukum kekekalan tenaga kinetikC. hukum kekekalan momentum dan kekekalan tenagakinetikD. hukum kekekalan tenaga mekanikE. hukum kekekalan momentum dan kekekalan tenagamekanik7. Koordinat titik berat bidang padagambar di samping adalah ....A. (1,2)B. (1,5)C. (3,1)D. (5,1)E. (5,0)xY
Fisika SMA/MA XI3088. Koordinat titik berat bidang disamping adalah ....A. (15,11)B. (17,15)C. (17,11)D. (15,7)E. (11,7)9. Berapa tegangan pada keadaansetimbang ....A. 3 NB. 9 NC. 12 ND. 15 NE. 21 N10. Seseorang naik tangga homogenyang disandarkan pada dindingvertikal yang licin. Berat tangga300 N dan berat orang 700 N. Bilaorang tersebut dapat naik sejauh 3 msesaat sebelum tangga itu meng-gelincir, maka koefisien gesek antaralantai dan tangga adalah ....A. 0,38B. 0,48C. 0,85D. 0,43E. 0,5611. Balok ABCD terletak pada lantai kasar yang koefisien gesekstatisnya 0,4. AB=4 m dan BC=10 m. Massa balok 100 kgdan g=10 m/det2. Besar gaya F maksimum dan letak titiktangkap gaya agar balok cepat menggeser dan menggulingadalah ....A. 200 N di CB. 200 N di tengah-tengah BCC. 400 N di tengah-tengah BCD. 400 N di CE. 400 N di BxYTDA
309Fisika SMA/MA XI12. Sebuah benda dengan berat 150 Ndigantungkan pada kawat AB danbatang OA yang massanya diabai-kan. Jika antara kawat dan batangmembentuk sudut 30° , maka besartegangan tali T agar batang setim-bang adalah ....A. 50 NB. 75 NC. 30 ND. 60 NE. 1.180 N13. Di dalam ruangan yang bervolume 3 liter terdapat400 miligram gas dengan tekanan 1 atmosfer. Jika1 atmosfer sama dengan 105 N/m2, maka kelajuan rata-rata partikel gas tersebut adalah ....A. 1,5 u 102 m/detB. 1,5u 103 m/detC. 2,25u 103 m/detD. 3u 103 m/detE. 9u 103 m/det14. Sebuah balon dengan diameter 10 m berisi udara panas.Kerapatan udara di dalam balon 75 % kerapatan udaraluar (kerapatan udara luar 1,3 kg/m3). Besar massa totalpenumpang dan beban yang masih dapat diangkut balontersebut (g=10 m/det2) ....A. nolD. 510 kgB. 1,3 kgE. 680 kgC 170 kg15. Tekanan gas dalam ruang tertutup(1) sebanding dengan kecepatan rata-rata partikel gas(2) sebanding dengan energi kinetik rata-rata partikel gas(3) tidak bergantung pada banyaknya partikel gas(4) berbanding terbalik dengan volume gas.Pernyataan yang benar adalah ....A. (1),(2),(3)B. (1),(2),(3),(4)C. (1),(3)D. (2),(4)E. (4)A
Fisika SMA/MA XI31016. Air mengalir pada suatu pipa yang diameternya berbedadengan perbandingan 1:2. Jika kecepatan pada bagianpipa yang besar sebesar 40 m/det, maka besarnyakecepatan air pada bagian pipa yang kecil sebesar ....A. 20 m/detB. 40 m/detC. 80 m/detD. 120 m/detE. 160 m/det17. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut!(1) Pada proses adiabatik, gas selalu melakukan usaha(2) Pada proses isotermik, energi dalam gas berubah(3) Pada proses isokhorik, gas tidak melakukan usaha(4) Pada proses isobarik, gas melakukan/menerima usahaPernyataan yang sesuai dengan proses termodinamikaadalah ....A. (1) dan (2)B. (1), (2), dan (3)C. (1) dan (4)D. (2), (3) dan (4)E. (3) dan (4)18. Suatu mesin kalor Carnot dengan efisiensi 60%,dioperasikan antara 2 reservoir kalor, resevoir bersuhurendah 27°C. Agar mesin carnot tersebut daya gunanyamenjadi 80% maka diperlukan kenaikan suhu resevoirkalor tinggi sebesar ....A. 50 KB. 150 KC. 250 KD. 500 KE. 750 K19. Usaha yang dilakukan sejumlah gaspada proses yang digambarkan padagrafik di samping adalah ....A. 103 JB. 2u 103 JC. 104 JD. 2u 104 JE. 105 J
311Fisika SMA/MA XI20. Sejumlah n mol gas ideal monokromatik mula-mulatekanan dan volumenya P dan V1, lalu dinaikkan padatekanan tetap hingga volumenya menjadi V2 = 2V,maka(1)T2 = 2T1(2) Energi kinetik rata-rata partikelnya menjadi dua kalisemula(3) Energi dalam sistem menjadi dua kali semula(4)T1V1 = T2V2B. Kerjakan soal di bawah ini!1. Sebuah bola mengelinding tanpa selip menuruni sebuahbidang miring dengan sudut T. Carilah:(a) Percepatan bola,(b) Gaya gesekan,(c) Sudut maksimum bidang miring agar bolamengelinding tanpa selip dan nyatakan dalamkoefisien gesekan Ms.2. Sebuah cakram uniform memiliki jari-jari 12 cm danmemiliki massa 5 kg diputar sedemikian sehinggaberputar secara bebas mengelilingi sumbunya. Sebuahtali yang dililitkan mengelilingi cakram ditarik dengangaya 20 N.(a) Berapakah torsi yang dikerjakan pada cakram?(b) Berapakah percepatan sudut cakram?(c) Jika cakram mula-mula diam,berapakah kecepatansudutnya setelah 3 detik?(d) Berapakah energi kinetiknya setelah 3 detik?(e) Carilah sudut total yang ditempuh cakram selama3 detik!3. Sebuah roda yang dipasang pada suatu sumbu yang tidaklicin mula-mula dalam keadaan diam. Sebuah torsieksternal konstan 50 N/m diberikan pada roda selama20 detik. Pada akhir detik ke 20 roda memiliki kecepatansudut 600 putaran tiap detik. Torsi eksternal kemudiandipindahkan dan roda berhenti setelah lebih dari 120 det.(a) Berapakah momen inersia roda?(b) Berapakah torsi gesekan yang diasumsikan konstan?
Fisika SMA/MA XI3124. Sistem pada gambar 8.61 dilepaskan dari keadaan diam.Balok bermassa 30 kg berada 2 m di atas lantai. Katroladalah cakram uniform dengan jari-jari 10 cm danmassanya 5 kg. Carilah:(a) kelajuan balok 30 kg itu tepat sebelum menyentuhlantai,(b) kelajuan sudut katrol pada saat itu,(c) tegangan tali, dan(d) waktu yang dibutuhkan balok 30 kg itu untukmencapai lantai. Asumsikan tali tidak selip.5. Sebuah tiang uniform yang panjangnya 5 m danmempunyai massa total 150 kg dihubungkan ke tanaholeh sebuah engsel di dasarnya dan ditopang oleh kopelhorisontal seperti yang ditunjukkan pada gambar disamping.(a) Berapakah tegangan kabel?(b) Bila kabel putus, berapakah percepatan sudut tiangpada saat kabel diputus?(c) Berapakah kelajuan sudut tiang ketika dalam posisihorisontal?6. Sebuah mesin atwod memiliki dua benda bermassam1 =500 g dan m2=510 g, yang dihubungkan oleh taliyang massanya dapat diabaikan dan melewati katrol yanglicin. Katrol adalah cakram uniform dengan massa 50 gdan berjari-jari 4 cm. Tali tidak selip pada katrol.(a) Carilah percepatan benda-benda!(b) Berapa tegangan tali yang menahan m1, berapategangan tali yang menaham m2?7. Air mengalir dengan laju 3 m/det dalam pipa horizontalpada tekanan 200 kPa. Pipa mengecil menjadi separo dia-meter semula.(a) Berapa kelajuan aliran di bagian yang sempit?(b) Berapakah tekanan di bagian yang sempit?(c) Bagaimana perbandingan laju aliran volume di keduabagian tersebut?
313Fisika SMA/MA XI8. Sebuah tanki air yang besar dilubangi sejauh h di bawahpermukaan air oleh pipa kecil seperti yang ditunjukkanpada gambar (11.29). Carilah jarak x yang dicapai olehair yang mengalir keluar pipa!9. Hidrometer adalah alat untuk mengukur kerapatancairan. Bola berisi butiran-butiran timah. Volume bola20 mL, batang panjangnya 15 cm dan memiliki diameter5,00 mm dan massa gelas 6 gram. (a) Berapa massa butiran timah yang harus ditambahkanagar kerapatan cairan terkecil yang dapat diukuradalah 0,9 kg/L?(b) Berapakah kerapatan cairan maksimum yang dapatdiukur?10. Sebuah tabung yang dilengkapi dengan sebuah pistonberisi 1 mol gas. Tekanan dan temperatur mula-mulaadalah 2 atm dan 300 K. Gas dibiarkan memuai padatemperatur konstan sampai tekanan 1 atm. Gas kemudianditekan dan pada saat yang sama dipanaskan sampaikembali ke volume semula, dan pada saat itu tekanannyaadalah 2,5 atm. Berapakah temperatur akhir?11. Oksigen (O2) ditempatkan dalam wadah kubus, yangsisinya 15 cm, pada temperatur 300 K. Bandingkanlahenergi kinetik rata-rata molekul gas terhadap perubahanenergi potensial gravitasi jika jatuh dari bagian atas wadahkedasarnya.12. Satu mol gas ideal monoatomik mula-mula berada pada273 K dan 1 atm.(a) Berapa tenaga internalnya mula-mula?Hitung energiinternal akhir dan usaha yang dilakukan oleh gas bila500 J panas ditambahkan,(b) Pada tekanan konstan, dan(c) Pada volume konstan.13. Gas Helium sebanyak 1,5 mol memuai secara adiabatikdari tekanan awal 5 atm dan temperatur 500 K sampaitekanan akhir 1 atm. Carilah:(a) Temperatur akhir,(b) Volume akhir,(c) Usaha yang dilakukan gas, dan(d) Perubahan tenaga internal gas.
315Fisika SMA/MA XIDaftar PustakaAbdul Muis, ST,2006. Perang Siasat Fisika Praktis, Jakarta : Kreasi Wacana.Grolier International, 2004. Ilmu Pengetahuan Populer, Jakarta : Widyadara.Halliday. D, Resnick.R, Walker. J, 1997. Fundamental of Physics Extended, edisi 5,John Willet and Sons, Inc.Hewit.G.P,1993. Conceptual Physics, edisi 7. Harper Collins College Publisher.Nordling C. dan Osterman J. 1987, Physics Handbook, Student Edition, Hartwell BrattLtd., Lud: Sweden.Tipler.P, Fisika untuk Sains dan Teknik,Edisi ketiga. Jakarta : Erlangga.Frederick J. Bueche, Ph.D.1999. Teori dan Soal-soal Fisika. TerjemahanDrs. B. Darmawan, M.Sc. Jakarta : Erlangga.
317Fisika SMA/MA XIAdiabatik: Suatu proses perubahan keadaan gas tanpa adatenaga yang masuk atau yang keluar.Amplitudo: Simpangan terbesar dari ukuran yang ditinjau.Daya: Laju usaha atau kecepatan perubahan usaha,dirumuskan Elastisitas: Substansi yang teratur memenuhi HukumHooke, ini berarti bila benda dikenai gaya akanberubah bentuk dan bila gaya dihilangkan makaakan kembali ke bentuk semula (lentur).Energi: Kemampuan untuk melakukan usaha.Energi Internal (energi dalam): Jumlah energi (energi kinetik translasi, rotasi danvibrasi serta energi potensial listrik) yang dimilikioleh seluruh molekul gas dalam wadah tertentu.Entropi: Besaran yang menunjukkan ketidakteraturangerak suatu gas (s).Frekuensi: Jumlah siklus gerakan periodik dalam satuanwaktu, satuannya Hertz (Hz).Gerak: Suatu benda dikatakan bergerak apabilakedudukannya senantiasa berubah terhadapsuatu titik acuan tertentu.Gaya: Massa dikalikan percepatan benda.Gravitasi: Gaya tarik menarik antara massa.Gravitasi Newton: Teori yang menghubungkan gerakan benda dibumi (seperti peristiwa apel jatuh) dan gerakanbenda di langit.Gas ideal: Adalah gas yang memenuhi asumsi-asumsisebagai berikut :1. terdiri dari partikel-partikel yang disebutmolekul-molekul yang identik,2. molekul gas bergerak secara acak memenuhiHk. Gerak Newton,3. jumlah molekul gas sangat banyak tetapi tidakterjadi interaksi antarmolekul,4. ukuran molekul gas sangat kecil sehinggadapat diabaikan terhadap wadah,GlosariumLampiran:
Fisika SMA/MA XI3185. molekul gas terdistribusi merata pada seluruhruangan, dan6. setiap tumbukan yang terjadi adalah elastissempurna.Hukum Keppler: Mempelajari tentang gerak planet. Hukum Keplerada 3 :1. semua planet bergerak dalam orbit elipsdengan matahari di salah satu fokusnya.2. garis yang menghubungkan tiap planet kematahari menyapu luasan yang sama denganwaktu yang sama.3. kuadrat periode tiap planet sebanding denganpangkat tiga jarak rata-rata planet darimatahari.Hukum Hooke: Hooke mengatakan : Jika benda lentur sepertikaret ditarik atau ditekan, perubahan bentuknyasebanding dengan gaya yang bekerja selamamasih berada dalam batas kelenturan.Hukum Kekekalan Energi : Energi total sebuah sistem dan lingkungannyatidak akan berubah, tetapi hanya terjadi peru-bahan bentuk.Hukum KekekalanMomentum Sudut: Apabila tidak ada gaya dari luar sistem makamomentum sudut total sistem adalah kekal, atautidak berubah.Hukum KekekalanMomentum: Bila gaya total yang bekerja pada suatu sistemadalah nol, maka momentum total sistem tersebutadalah kekal.Impuls: Hasil kali antara gaya konstan F dengan intervalwaktu AtInersia: Kecenderungan suatu benda untuk memperta-hankan keadaannya.Isokorik: Suatu proses perubahan keadaan gas di mananilai volumenya tetap.Isobarik: Suatu proses perubahan keadaan gas di mananilai tekanannya tetap.Isothermal: Suatu proses perubahan keadaan gas di mananilai suhunya dibuat tetap.
319Fisika SMA/MA XIJoule: Satuan energi jika gaya 1 Newton berpindah1 meter, perpindahan energi (usaha) yang terjadiadalah 1 joule. (diambil dari nama James Joule(1818-1899)).Jarak: Panjang lintasan yang ditempuh suatu bendatanpa memerhatikan arah gerak benda.Kelajuan: Jarak yang ditempuh (s) dibagi waktu yangdiperlukan selama gerakan (t).Kecepatan: Besaran yang menyatakan nilai kelajuan danarahnya.Kecepatan linear: Gerak suatu benda dengan percepatan konstan.Kecepatan sesaat: Kecepatan suatu benda pada waktu t tertentu.Kecepatan rata-rata: Perpindahan dibagi selang waktu : Konstanta pegas: Menunjukkan perbandingan antara gaya (F)dengan renggangan (x) pada suatu pegas;menunjukkan nilai batas renggangan suatu pegas.Koefisien Restitusi: Ukuran keelastisan suatu benda, simbol e, rumus:e = Kesetimbangan: Suatu keadaan di mana benda tidak mengalamigerak ataupun rotasi.Konetika Gas: Gas ideal bergerak secara acak mematuhi hukumNewton dan bertumbukan dengan molekul lainmaupun dinding bejana tempat gas berada secaraelastis sempurna.Kapasitas Kalor: Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhusuatu zat sebesar 1 Kelvin.C = kapasitas porus (J/K)Q = kalor (J)AT = perubahan suhu (K)Linear: Konstan, tetapMedan gravitasi: Gaya gravitasi tiap satuan massa; Daerah atauruangan di sekitar benda yang masih dipengaruhigaya tarik (gravitasi) benda tersebut.Momentum: Hasil kali massa (m) dan kecepatan ()Momen inersia: Ukuran inersia suatu benda pada gerak rotasi.Momentum sudut: Hasil perkalian silang antara vektor T (geraksumbu) dan momentum linear (D);L = r x p = r x m
Fisika SMA/MA XI320Menggelinding: Gerak gabungan antara gerak rotasi dan geraktranslasi.Massa molar: Massa 1 mol zat, simbol MMassa kalor: Alat yang merubah tenaga panas menjadi tenagamekanik.Modulus: Perbandingan antara tegangan dan regangan.Osilasi: Gerak bolak-balik benda di sekitar titik kesetim-bangan.Perpindahan: Perubahan kedudukan suatu benda ditinjau darikeadaan awal dan keadaan akhir denganmemperhatikan arah gerak benda.Periode: Waktu yang diperlukan dalam satu kali melaku-kan getaran.Regangan: Perubahan panjang per panjang benda ()Sistem konservatif: Suatu sistem yang mempunyai energi mekanikyang selalu kekal. (tidak tergantung pada panjanglintasan) misalnya : pegas.Tegangan: Perbandingan antara gaya F yang dikenakanterhadap luasan penampang A.Teorema Usaha Energi: Menyatakan usaha total yang dilakukan sebuahpartikel sama dengan perubahan energi kinetikpartikel.Tumbukan: Terjadi bila dua buah benda saling mendekati danberinteraksi dengan kuat kemudian salingmenjauh.Torsi: Kemampuan gaya untuk membuat bendamelakukan gerak rotasi.Teorema Elispartisi: Tiap derajat kebebasan memiliki energi rata-ratasebesar kT untuk tiap molekul atau RT tiapmole gas, bila zat benda dalam kesetimbangan.Usaha: Hasil kali antara komponen gaya yang sejenisdengan besarnya perpindahan.
321Fisika SMA/MA XIIndeks SubjekAadiabatik 268,273,310,314amplitudo 107,151Ddaya 83,104,105,109,110,177,225,232,debit 109,222,224,225Eenergi9,81,82,83,88,91,97,98,103,104,105,106,107, 108,109,110,114,138,139,140,144,145,146,147,190, 251,253,254,255,256,257,258,260,261,262, 266,227,269,274,277,279,282,287,288,289,292,293, 300,301,302,304, 310,311,313,314,315energi internal 256,260,269,274,289,292,293,304energi kinetik 82,83,91,97,104,106,138,190,252,253,255,256,257,300,304,310,313energi mekanik 82,83, 105,144,277,282,313energi potensial 49,83,97,98,105,107,109,144,146,147,255,256,257,292,304,310entropi 268,285,310,314Ffrekuensi 145,151,189gaya 36,39,40,41,42,43,44,45,46,49,50,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,97,99,100,101,102,103,104,106,107,108,109,117,118,119,120,121,122,126,134,136,137,138,139,145,146,150,152,153,155,156,157,158,159,160,161,162,170,171,173,174,175,176,177,181,182,183,184,185,186,190,191,200,201,202,204,207,208,210,211,212,214,209,215,216,217,218,219,220,221,226,227,237,238,239,249,250,251,257, 272,273,277,284,299,302,307,310,311,312,313gaya gravitasi 36,39,40,45,43,45,85,86,90,91,95,97,99,101,102,145,177,181,199,250gaya sentripetal 43,45,46,145gerak jatuh bebas 132gerak parabola 161gravitasi 35,36,37,39,40,41,42,43,45,46,49,50,85,86,90,91,95,97,98,99,101,102,104,105,120,144,145,147,150,162,177,179,181,186, 199,210,219,236,250,297,304,312,314Hhukum Archimedes 208,209,213hukum kekekalan energi 105hukum kekekalan momentum sudut 129,177,196hukum Kepler 37hukum Pascal 198,207,238Iimpuls 115,116,117,118,120,121,134,250isobarik 269,271,273,274,276,287,288,289,292,301isokorik 269,272,273,274,276,287,288,289,292isotermik 269,271,273,287,288,289,290,292,301Kkapasitas kalor 269,296kapilaritas 198,218kecepatan linear 155,164,175,177,180kecepatan rata-rata 148,243,251,252,253,254,255,259kecepatan sesaat 103,148kecepatan sudut 144,150,155,164,170,175,176,178,181,182,188,189,190,302kelajuan 43,51,108,109,115,120,121,122,124,125,127,129,130,131,133,138,139,147,148,149,150,152,162,167179,180,224,228,229,230,231,251,253,254,258,262,263,297,300,302,303,312kerapatan 199,200,202,203,206,208,211,212,213,214,214,215,216,222,226,235,237,243,246,250,253,256,258,266,300,303kesetimbangan 100,151,152,154,182,183,184,256,257,259koefisien restitusi 117,132,133,135,139,140konstanta pegas 91,94,146,151,238Mmassa jenis 199,200,214,234,237,238,,240medan gravitasi 36,45melayang 145,208,209,211,212,215,216,238menggelinding 147,155,178,179,180,181mesin kalor 269,277,278,282,290,301modulus Bulk 201,momen inersia 154,164,169momentum 43,45,115,116,118,119,120,122,123,134,154,155,174,175,176,177,178,182,187,188,189,190,191,196,243,250,251,258momentum sudut 43,45,129,154,174,176
Fisika SMA/MA XI322Oosilasi 151Ppercepatan rata-rata 147percepatan sudut 144,150,157,170,171,172,173,181,188,190,302percepatan tangensial 150,171perubahan momentum 117,118,119,120,121,122,134,176,243,250Ssiklus Carnot 269,282,284sistem konservatif 99sistem massa pegas 92,97,315Ttegangan geser 199,200tegangan permukaan 216,315tekanan 197,200,201,202,203,204,205,206,207,207,209,215,222,225,226,227,228,229,231,232,235,236,237,238,239,240,242,243,245,246,249,250,251,252,259,268,269,270,271,272,273,276,277,284,285,288,289,290,292,293,300,302,303,304tekanan gauge 205,238,263tekanan hidrostatik 215tenggelam 208,209,210,212,213,214,215,216,218,238,240teorema usaha energi 104terapung 211,213,214,215,216,218,torsi 43,45,153,154,155,156,157,158,159,160,161,170,171,172,173,176,177,181,182,183,184,186,187,189,190,196tumbukan 116,117,119,120,126,127,128,129,130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,140,143,243,249,250tumbukan elastik 126,130,132,138tumbukan lenting sempurna 127,128,135,139tumbukan tidak lenting sempurna 128,135Uusaha 81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,94,95,97,99,100,101,102,104,105,106,108,109,114,146,189,256,257,269,270,271,272,273,274,275,276,277,278,279,280,281,282,285,286,287,288,289,290,291,292,293,296,301,304,310,311,313,315
323Fisika SMA/MA XIIndeks PengarangAArchimedes 145,198,208,209,213,238BBernoulli 198,225,227,228,229,230,231,234,235,236Boyle 245,249,260JJames Prescott Joule 287Joule 84,108,257,258,270,276,287,311KKelvin 246,275Kepler 36,37,38,43,44,45,52NNewton 36,39,43,45,52,83,84,119,134,154,160,170,172,174,187,196,200,209,237,250PPascal 198,201,207,208,238RRobert Boyle 245,249TTipler 83,113,164,247,269,305
Fisika SMA/MA XI324Konstanta Tetapan AlamKonstanta gravitasiG6,672 u 10-11 Nm2/kg2Bilangan AvogadroNA6,022 137 u 1023 partikel/molKonstanta Coulombk=¼ SH08,987 551 788 u 109 Nm2/C2Konstanta gasR8,314 51 J/mol.K1.987 22 kal/mol.K8.205 78 u 10-2 L.atm/mol.KKecepatan cahayac2,997 924 58 u 108 m/sMuatan elektrone1,602 177 u 10-19 CKonstanta Boltzmank=R/NA1,380 658 u 10-23 J/K8,617 177 u 10-5 eV/KUnit massa terpaduu1,660 540 c 10-24 gKonstanta Planckh6,626 176 u 10-34 J.s4,135 669 u 10-15 eV.sPermitivitas ruang hampaH08,854 187 817 u 10-12 C2/NmPermeabilitas ruang hampaP04Su 10-7 N/A2Massa elektronme9,109 390 u 10-31 kgMassa protonmp1,672 623 u 10-27 kgMassa neutronmn1,674 929 u 10-27 kgMagneton BohrmB=eh/me9,274 015 u 10-24 J/KMagneton nuklirmN=eh/mp5,050 786 u 10-27 J/TKonstanta RydbergRH1,097 373 153 u 107 m-1
325Fisika SMA/MA XIBab I Kinematika1. C 9. C3. A11. E5. B13. E7. C15. AJawaban soal uraian1. a) 2 < 1,b) 2 < 1,c) 2 < 1,d) 2 > 13. a) luas persegi panjang 0,25 m/detb) t =1; = 3,5 m/s; t = 2, = 11,5 m/s5. a) 24 km/jam, b) -12 km/jamc) 0 km/jamd) 16 km/jam7. 66,67 km/jam9. a) 1 m/sb) 0,7 m/sBab II Gravitasi1. E 7. C3. B 9. B5. BJawaban soal uraian1. 2,92 Au (2,92 satuan astronomi)3. 2,63 u 106 m/s5. 935 kmBab III Elastisitas1. A 9. C3. E11. B5. C13. E7. B15. EKunci Jawaban
Fisika SMA/MA XI326Jawaban soal uraian1. 0,488 mm3. a) 7,96 Hz,b) 0,126 s,c) 0,1 m,d) 5 m/se) 250 m/s2f) t = 0,031, x = 05. a) 1,49 kmb) 5,84 Hzc) 0,171 sBab IV Energi dan Usaha1. C3. E5. A7. D9. CJawaban soal uraian1. a) 7200 Jb) 1800 Jc) 28.800 J3. a) 9 Jb) 12 Jc) 4,58 m/s5. a) 0,858 mb) bila semua gaya konservatif maka benda akan berosilasi7. a) 7,67 m/sb) 88,2 Jc) 1/39. 1,37 u 106 kWBab V Momentum1. C3. C5. A7. D9. E
327Fisika SMA/MA XIJawaban soal uraian1. 560 kg m/s5. a) 6 kg m/sb) 4,62 u 103 N7. 0,625 m/s11. 450 m/sUji Kompetensi Akhir Semester Gasal1. B3. B5. B7. C9. E11. A13. D15. EJawaban soal uraian1. -2 m/s25. 4,59 km7. a) 34,7 sb) 1,21 km11. = 15 m/s ke arah horisontal, a = 9,81 m/s2 ke bawah13. jarak horisontal proyektif 408 m15. 45 m/s217. 29,9 putaran per menit27. 2,62 s29. a) 4,8 kg m/sb) 1.600 Nc) 2,4 kg m/sd) 19,2 NBab VI Dinamika Rotasi1. B3. D5. D7. B9. B
Fisika SMA/MA XI328Jawaban soal uraian1. a) W = 1,5 Nm, D = 100 rad/s2b) 400 rad/s3. (6 2/3, 62/3)5. a) 56 kgm2b) 28 kgm2c) 112 J7. ¼ MR29. a) L dua kalinya,b) L dua kalinya11. a) gsinTb) mgsinTc) Tan T =PsBab VII Mekanika Fluida1. A3. A5. D7. C9. CJawaban soal uraian1. 1060 kg/m33. 11,1 u 103 kg/m35. 0,233 N/mBab VIII Kinetika Gas1. C3. C5. E7. B9. A
329Fisika SMA/MA XIJawaban soal uraian1. 1,15 kali volume semula3. 152 J5.rms = 4,99 u 105 m/s, Krata = 2,07 u 10-10 JBab IX Termodinamika1. A3. C5. A7. B9. B11. EJawaban soal uraian1. 874 kH3. a) 608 Jb) 254 kJ5. a) Uawal = 3,4 kJb) Uakhir = 3,7 kJ, W = 200 Jc) Uakhir = 3,9 kJ, W = 0Uji Kompetensi Akhir Semester Genap1. D3. A5. D7. D9. C11. C13. B15. B17. E19. BJawaban soal uraian1. a) gsinTb) mgsinT
Fisika SMA/MA XI330c) Tan T =Ps3. a) 13,6 kgm2b) 7,14 N.m5. a) 552 Nb) 1,77 rad/s2c) 2,17 rad/s7. a) 12 m/sb) 133 kPac) rata-rata aliran identik di kedua bagian9. a) 14,7 gb) 1,03 u 103 kg/m3
ISBN 978-979-068-802-5 (nomor jilid lengkap)ISBN 978-979-068-809-4Harga Eceran Tertinggi (HET) Rp16.855,-