Rumus termodinamika, pahami konsep, hukum, proses dan latihan soal

Penerapan rumus termodinamika.

foto: freepik.com

Termodinamika memiliki banyak aplikasi dalam bidang ilmu pengetahuan, teknologi, dan kehidupan sehari-hari. Beberapa contoh aplikasi termodinamika adalah:

1. Mesin panas: adalah alat yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Contoh mesin panas adalah mesin uap, mesin mobil, dan turbin gas.

2. Mesin dingin: adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi panas. Contoh mesin dingin adalah kulkas, AC, dan pompa panas.

3. Siklus Carnot: adalah siklus termodinamika ideal yang memiliki efisiensi maksimum. Siklus Carnot terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.

4. Hukum Joule: adalah hukum yang menyatakan bahwa kalor yang dilepaskan oleh suatu sistem yang melakukan usaha adiabatik sama dengan usaha yang dilakukan oleh sistem tersebut.

5. Efek Seebeck: adalah efek yang menyebabkan timbulnya beda potensial listrik akibat adanya perbedaan suhu antara dua ujung konduktor atau rangkaian konduktor.

Contoh soal rumus termodinamika dan pembahasannya. 

foto: freepik.com

Soal 1

Suatu gas ideal memiliki tekanan awal 2 atm, volume awal 4 L, dan suhu awal 300 K. Gas tersebut mengalami proses isotermal, yaitu proses yang suhunya tetap, hingga volume akhirnya menjadi 8 L. Berapakah tekanan akhir gas tersebut?

Jawaban:

Karena gas tersebut mengalami proses isotermal, maka kita dapat menggunakan persamaan keadaan gas ideal yang berbunyi:

pV = nRT

Di mana:
- p: tekanan gas (atm)
- V: volume gas (L)
- n: jumlah mol gas (mol)
- R: konstanta gas ideal (0,082 atm.L/mol.K)
- T: suhu gas (K)

Karena suhu gas tetap, maka bisa ditulis:

p1V1 = p2V2

Di mana:
- p1: tekanan awal gas (atm)
- V1: volume awal gas (L)
- p2: tekanan akhir gas (atm)
- V2: volume akhir gas (L)

Dengan mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita dapat menyelesaikan persamaan tersebut untuk mencari tekanan akhir gas:

p2 = p1V1 / V2 = 2 × 4 / 8 = 1 atm

Jadi, tekanan akhir gas tersebut adalah 1 atm.

Soal 2

Suatu mesin panas beroperasi dengan siklus Carnot, yaitu siklus termodinamika ideal yang memiliki efisiensi maksimum. Mesin tersebut menerima kalor sebesar 500 J dari sumber panas dengan suhu 400 K dan melepaskan kalor sebesar 300 J ke sumber dingin. Berapakah suhu sumber dingin dan usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut?

Jawaban:

Karena mesin tersebut beroperasi dengan siklus Carnot, maka kita dapat menggunakan rumus efisiensi mesin Carnot yang berbunyi:

η = 1 − TC / TH

Di mana:
- η: efisiensi mesin Carnot
- TC: suhu sumber dingin (K)
- TH: suhu sumber panas (K)

Efisiensi mesin Carnot juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan antara usaha yang dilakukan oleh mesin (W) dengan kalor yang diterima dari sumber panas (QH):

η = W / QH

Dengan mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita dapat menyelesaikan persamaan tersebut untuk mencari suhu sumber dingin:

W/QH = 1 − TC/TH

W/500 = 1 − TC/400

TC = 400 − W/500 × 400

Untuk mencari usaha yang dilakukan oleh mesin, kita dapat menggunakan hukum pertama termodinamika yang berbunyi:

QH = QC + W

Di mana:
- QH: kalor yang diterima dari sumber panas (J)
- QC: kalor yang dilepaskan ke sumber dingin (J)
- W: usaha yang dilakukan oleh mesin (J)

Dengan mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita dapat menyelesaikan persamaan tersebut untuk mencari usaha yang dilakukan oleh mesin:

W = QH − QC = 500 − 300 = 200 J

Jadi, usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut adalah 200 J. Dengan mengganti nilai usaha tersebut ke dalam persamaan suhu sumber dingin, kita dapat menemukan suhu sumber dingin:

TC = 400 − 200/500 × 400 =240 K

Jadi, suhu sumber dingin adalah 240 K.