Bab 8 kls xi

179

Termodinamika

A. Usaha padaBerbagai ProsesTermodinamika

B. Hukum ITermodinamika

C. Kapasitas Kalor Gasdan SiklusTermodinamika

D. Hukum IITermodinamika

Kereta uap dapat berjalan dengan memanfaatkan energi uapyang diubah menjadi energi kinetik.

menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukumtermodinamika.

Setelah mempelajari bab ini, Anda harus mampu:

menerapkan konsep termodinamika dalam mesin kalor.

Hasil yang harus Anda capai:

Bab

8Sumber: Physics for Scientists and Engineers, 2000

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI180

A. Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika1. Usaha yang Dilakukan Gas

Gambar 8.1Sistem melakukan usaha

terhadap lingkungannya.

Gambar 8.2(a) Usaha yang dilakukan

oleh sistem adalahpositif (W = p V ).

(b) Usaha yang dilakukanoleh sistem adalah

negatif (W = –p V ).

ekspansi W > 0luas = W

V

p

V1 V2

2

1

pemampatan W < 0luas = W

V1 V2V

p

2

1

ds

F = pA

p(kPa)

BA

E V(L)

C50

250

25 75D

Tes Kompetensi Awal

Contoh 8.1

Termodinamika 181

2. Usaha pada Proses yang Dialami Gas

a. Proses Isotermal

Gambar 8.3Kurva p–V dengan T konstanpada proses isotermal.

p

VV1 V2

p2

p1

Contoh 8.2

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI182

b. Proses Isokhorik

Gambar 8.5Grafik p–T pada V konstan.

p

T

Gambar 8.6Grafik p–V pada tekanan (p) konstan.

p(Pa)

V(L)V1 V2

600 K

c. Proses Isobarik

Gambar 8.7Grafik V–T pada tekanan (p) konstan.

Gambar 8.4Proses isokhorik pada grafik p–V.

p

p1

p2

VV1 = V2

Contoh 8.3

Tantanganuntuk Anda

Menurut Anda, benarkah angin itutidak mendinginkan suhu,melainkan menaikkan suhu disekitarnya?

T (suhu)

V (volume)

Termodinamika 183

d. Proses Adiabatik

Gambar 8.8Grafik p–V pada proses adiabatiklebih curam daripada prosesisotermal.

V

p

prosesadiabatik

prosesisotermik

p2

p1

V1 V2

Contoh 8.4

Contoh 8.5

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI184

Tes Kompetensi Subbab A

p(Pa)

V (dm3)

7060

10

0 200 600 800

A

Bp(Pa)

14

10

0

A

B

V (dm3)

200 500

p(Pa)

V(dm3)

A

B50

20

0 200 400 600

B. Hukum I Termodinamika

1. Pengertian Hukum I Termodinamika

Termodinamika 185

Gambar 8.9Hubungan sistem dan lingkungan.(a) Sistem menerima kalor sambil

melakukan usaha.(b) Sistem melepaskan kalor dan

pada sistem dilakukan usaha.(c) Sistem menerima kalor, tetapi

tidak melakukan kerja.(d) Sistem melakukan kerja, tetapi

tidak ada kalor yang masukataupun keluar (adiabatik).

Q+ W

+

lingkungan

sistem

lingkungan

sistem

lingkungan

lingkungan

Q W

Q W = 0

Q = 0 W

+

+

–

sistem

sistem

–

Contoh 8.6

2. Aplikasi Hukum I Termodinamika pada Proses-ProsesTermodinamika

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI186

Pembahasan Soal

Suatu sistem mengalami prosesadiabatik. Pada sistem dilakukan usaha100 J. Jika perubahan energi dalamsistem adalah U dan kalor yangdiserap sistem adalah Q, akan berlaku ....a. U = –1.000 Jb. U = 100 Jc. U = 10 Jd. Q = 0e. U + Q = – 100 J

Soal UMPTN Tahun 1994

Pembahasan:Hukum I Termodinamika:Q = U + WPada proses adiabatik, tidak ada kaloryang diterima atau diserap sistem. Jadi,Q = 0.Pada sistem dilakukan usaha W = –100 JJadi, Q = U + W 0 = U – 100 J

U =100 J

Jawaban: b

Kata Kunci• adiabatik• isobarik• isokhorik• isotermal

Tugas Anda 8.1Diskusikanlah bersama teman Anda,apakah ada proses adiabatik di alam ini?

a. Proses Isotermal

b. Proses Isokhorik

c. Proses Isobarik

d. Proses Adiabatik

Termodinamika 187

Tes Kompetensi Subbab B

p (atm)

2,0

1,5 N

0,3 0,8

U

JD

V (liter)

C. Kapasitas Kalor Gas dan Siklus Termodinamika

1. Kapasitas Kalor untuk Proses Isokhorik (V = tetap)

2. Kapasitas Kalor untuk Proses Isobarik (p = tetap)

U V T T T

Tantanganuntuk Anda

Anda pasti tahu apa termos itu.Dapatkah Anda menjelaskan carakerja termos sehingga air panasdapat tetap panas? Jelaskan haltersebut dengan konseptermodinamika.

Kata Kunci• kapasitas kalor tekanan tetap• kapasitas kalor volume tetap• konstanta Laplace

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI188

Contoh 8.7

Tantanganuntuk Anda

Anda pasti pernah mendengaristilah mesin 4 tak dan mesin 2tak. Selidikilah dan diskusikanlah,apa perbedaan di antarakeduanya? Mengapa mesin 2 takmemiliki akselerasi lebih cepatdaripada mesin 4 tak?

p

V

A

Q1

T1

B

CT2Q2

DW

Gambar 8.10Satu siklus suatu mesin Carnotmenggunakan suatu gas ideal

sebagai fluida kerja. Grafik AB danCD menampilkan proses isotermal,

grafik BC dan DA menampilkanproses adiabatik.

Sumber: Fundamental of Physics, 2001

Termodinamika 189

3. Efisiensi Mesin

a. Mesin Carnot

Gambar 8.11Siklus mesin ideal Q1 dan suhufungsi reservoir diubah seluruhnyamenjadi usaha W dengan efisiensi100%.

T1

Q1

W (= Q1)

Q2 = 0

Kata Kunci• efisiensi mesin

Gambar 8.12Perubahan kalor menjadi kerja:Q1 = kalor masuk;Q2 = kalor dilepaskan;W = usaha yang dilakukan;T1 = suhu reservoir tinggi; danT2 = suhu reservoir rendah.

T1

Q1

Q2

W

T2

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI190

b. Mesin Otto

c. Mesin Diesel

p

V

A

Q1B

C

Q2

D

Gambar 8.13Dua proses adiabatik dan dua proses

isokhorik pada siklus Otto.

Gambar 8.14Siklus diesel

p

V

A

Q1

B

C

Q2

D

Contoh 8.8

Pembahasan Soal

Sebuah mesin Carnot yangmenggunakan reservoir suhu tinggi800 K, memiliki efisiensi 40%. Agarefisiensinya naik menjadi 50%, suhureservoir suhu tinggi dinaikkanmenjadi ....a. 900 K d. 1.180 Kb. 960 K e. 1.600 Kc. 1.000 K

Soal UMPTN Tahun 1990

Pembahasan:Keadaan 1:

= 40%T

1= 800 K

= 1 – 2

1

T

T 40%

= 1 – 2

800 K

T

T2

= 480 K

Keadaan 2:= 50%

T2

= 480 K

= 1 – 2

1

T

T 50%

= 1 – 1

480 K

T

T1

= 960 K

Jawaban b

Termodinamika 191

Tes Kompetensi Subbab C

D. Hukum II TermodinamikaTokoh

Nikolaus Otto

Pada 1876, seorang warga negaraJerman, Nikolaus Otto menjadi orangpertama yang membuat dan menjualmesin 4 tak yang kemudian menjadidasar pembuatan kebanyakan mesin.Ia menamakan mesinnya Silent Ottokarena mesin tersebut mampubekerja tanpa menimbulkankebisingan. Salah satu ciri mesin 4 takadalah tekanan kompresinya. Jikabahan bakar berupa gas yangdimampatkan, akan lebih banyakenergi yang dilepaskan. Gagasan inipertama kali dikembangkan olehAlphone Beau de Rochas (1815–1891) yang berkewarganegaraanPrancis, tetapi justru Otto yangmenyukseskan ide tersebut.

Sumber: Jendela Iptek: Energi, 1997

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI192

1. Proses Reversibel dan Irreversibel

2. Mesin Pendingin (Refrigerator)

W

Q1

T1

Q2

T2

Gambar 8.15Perubahan kerja menjadi kalor.

Tantanganuntuk Anda

Mengapa AC menggunakanfreon? Apakah freon dapatdigantikan oleh gas lain?

Contoh 8.9

Termodinamika 193

Tes Kompetensi Subbab D

Rangkuman

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI194

Peta Konsep

Setelah mempelajari bab ini, Anda tentu telahmemahami Hukum I Termodinamika dan proses-prosesyang dapat terjadi di dalamnya. Adapun Hukum IITermodinamika mempelajari tentang perlunya usahaluar dan konsep kapasitas kalor pada proses-prosestermodinamika. Dari keseluruhan materi bab ini, bagian

Refleksi

manakah yang menurut Anda sulit? Coba diskusikandengan teman atau guru Fisika Anda.

Dari pemahaman yang Anda peroleh, cobasebutkan beberapa manfaat yang dapat diterapkandalam kehidupan sehari-hari.

Termodinamika 195

Tes Kompetensi Bab 8

B

p (N/m2)

A

D

2

C

4V (m3)

5

2

p (N/m2)

2

V (m3)1 2

p (N/m2)

V (m3)210

1

3

A

BC

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI196

p

V

A

Q1

B

CQ2

D

V(m3)

4 × 105

1 × 105c

a b

d

1 3

p (N/m2)

Termodinamika 197

A

B

1 4

4 × 105

p (N/m2)

V(m3)

C

D1 × 105

5

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI198

Proyek Semester 2

Viskositas

Proyek Semester 2 199

gelang satu

gelang dua

± 5 cm

y

Tabung Stokes

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI200

3

Tes Kompetensi FisikaSemester 2

60° 30°

T1

T2

T3

O

w

F1

= 8 NF

2 = 12 N

y

x (m)– 1 0 1 2 3

37°

m2 m

1

m3

53°

60°

60°

T1

T2

w

T1

T1

T3m

1

m2

60°

T2

T1

T2

45°

w = 300 N

T3

A BC D

w1 w

2

2 m 3 m1m

A

C

T

B

w = 30 N

Tes Kompetensi Fisika Semester 2 201

2

1

5 m

1 2

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI202

Tes Kompetensi Fisika Semester 2 203

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI204

k1

k2

k3

k4

M

M

Tes Kompetensi Akhir

205Tes Kompetensi Akhir

4

F (N)

s (m) pelurubalok

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI206

sumbuputar

piringan

r

30 N

4 kg

T

207Tes Kompetensi Akhir

100

25

10 60

E

B

A

C

Fm

1m

2v

2 = 20 m/s

v1 = 10 m/s

p (N/m2)

V(m3)

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI208

Bab 1 Analisis GerakTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Bab 1A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Bab 2 GayaTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Subbab D

Tes Kompetensi Bab 2A. Pilihan Ganda

Kunci Jawaban

Kunci Jawaban 209

B. Soal Uraian

Bab 3 Usaha, Energi, dan DayaTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Subbab D

Tes Kompetensi Bab 3A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Bab 4 Momentum, Impuls, dan TumbukanTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Subbab D

Tes Kompetensi Subbab E

Tes Kompetensi Subbab F

Tes Kompetensi Bab 4A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI210

Tes Kompetensi Fisika Semester 1A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Bab 5 Gerak Rotasi dan KesetimbanganBenda Tegar

Tes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Bab 5A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Bab 6 FluidaTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Bab 6A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Bab 7 Teori Kinetik GasTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Kunci Jawaban 211

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Bab 7A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Bab 8 TermodinamikaTes Kompetensi Awal

Tes Kompetensi Subbab A

Tes Kompetensi Subbab B

Tes Kompetensi Subbab C

Tes Kompetensi Subbab D

Tes Kompetensi Bab 8A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Tes Kompetensi Fisika Semester 2A. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Tes Kompetensi AkhirA. Pilihan Ganda

B. Soal Uraian

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI212

ApendiksSimbol-Simbol Matematika

Rumus Trigonometri

Turunan Fungsi-Fungsi Tertentu

Rumus-Rumus Integrasi

213Apendiks

Satuan-Satuan Dasar

Satuan-Satuan Turunan

Data Terestrial

Data Astronomi

Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI214

Konstanta Fisika

Faktor-Faktor Konversi