Soal-Soal Fisika/Termodinamika

Mudah

4 mol gas ideal mempunyai suhu 100°C. Agar tercapai volume empat kali lipat volume awal, tentukan besar usaha (dalam Joule) yang dilakukan gas yang memuai secara isotermal!
Dalam mesin terjadi pemampatan adiabatik dengan rasio pemampatan 10:1. Anggaplah bahan bakar bercampur dengan udara pada suhu 47°C, tekanan 1 atm, dan γ= 1,4. Tentukan suhu dan tekanan pada keadaan akhir!
Suatu sistem menyerap energi 2500 Joule dari lingkungan dan sistem melakukan usaha sebesar 2000 Joule. Berapakah energi dalam sistem?
Suatu sumber panas pada mesin Carnot bersuhu 127°C mempunyai efisiensi ideal 50%. Supaya efisiensi mesin menjadi 75%, berapa suhu sumber panasnya?

Soal Tantangan

Siklus Carnot dari sebuah gas ideal

Dalam problem ini, tekanan awal P dan volume awal V diketahui yaitu a. Rasio RV =V /V >1 dari volume pada keadaan c dan a juga diketahui. Konstanta γ diketahui sebesar 5/3. Anda tidak mengetahui berapa banyak mol gas yang ada.

Bacalah tahapan (1)- (4) berikut ini dan buatlah sketsa gambar untuk tiap tahapan siklusnya dalam grafik P-V. Berilah tanda pada titik-titik yang penting!

(1). Pada tahapan pertama dari keempat tahapan, anggaplah dari a ke b, sebuah gas ideal dikompresi dari V_a menjadi V_b dan tidak boleh ada panas yang masuk atau keluar dari sistem. Pengompresian gas ini menyebabkan suhu gas naik dari suhu awal T₁ menjadi suhu akhir T₂. Selama proses ini, nilai dari PV^γ= konstan, sedangkan nilai γ adalah= 5/3.

Berapakah tekanan P_b dan volume V_b gas pada keadaan b setelah proses pengompresian selesai?
Berapakah perubahan energi dalam gas selama proses pengompresian ini?
Berapakah usaha yang dilakukan oleh gas dalam proses pengompresian ini?

(2). Gas ini sekarang memuai secara isotermik dari b ke c, volumenya pun berubah dari V_b menjadi V_c.

Hitunglah usaha yang dilakukan oleh gas selama proses W_cb ini dan jumlah panas yang dihasilkan (Qcb) yang harus ditambahkan dari sumber panas pada suhu T₂ dalam P_a , V_a , T₁ , T₂ , dan V_c.
- Apakah panas ini bernilai negatif atau positif? Jelaskan apakah panas ini ditambahkan atau dikeluarkan dari sistem.

Berapakah tekanan gas saat ini (P_c) ketika pengembangan pada tahap ini selesai?

(3). Ketika gas sekarang mencapai titik c maka sekarang gas memuai dari V_c menjadi V_d, dan tidak ada panas yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Pemuaian gas ini menyebabkan suhu dan tekanan turun dari temperatur awal T₂ menjadi suhu akhir T₁ . Selama proses ini, nilai dari PV^γ= konstan.

Berapakah tekanan gas saat ini (P_d) dan volume gas sekarang (V_d) setelah gas memuai?

Berapakah perubahan energi dalam gas selama proses ini?
Berapakah usaha yang dilakukan gas selama proses pemuaian ini?

(4). Sekarang gas dikompresi secara isotermik dari posisi d ke a pada suhu konstan T₁ dari volume V_d kembali menjadi V_a.

Berapakah usaha yang dilakukan oleh sistem ke lingkungan (W_d) dan panas yang mengalir antara sistem dan lingkungan (Q_ad)? Apakah besaran ini bernilai positif atau negatif? Jelaskan apakah ada panas yang masuk atau keluar dari sistem awal pada saat keadaan T₁.

Siklus total:

Berapakah total usaha (W_siklus) yang dilakukan oleh gas selama siklus ini?
Berapakah total panas (Q_siklus) (dari T₂) dari sumber panas yang suhunya lebih tinggi selama siklus ini?
Berapakah efisiensi siklus ini? (ε_max = W_siklus / Q_siklus ( dari T₂)?

Sumber

http://ocw.mit.edu/high-school/physics/kinetic-theory-thermodynamics/laws-of-thermodynamics/8_01t_fall_2004_final_exam_pract.pdf