soal fisika termodinamika

Kumpulan soal fisika termodinamika ini dirancang khusus untuk membantu siswa SMA/SMK atau mahasiswa dalam memahami konsep-konsep dasar hingga lanjutan dalam termodinamika. Materi ini mencakup Hukum Termodinamika I, II, dan III, proses-proses termodinamika seperti isotermal, isobarik, isokorik, dan adiabatik, serta konsep entalpi, entropi, dan energi bebas Gibbs. Anda akan menemukan berbagai tipe soal, mulai dari pilihan ganda yang menguji pemahaman konseptual, isian singkat untuk menguji daya ingat, soal uraian yang melatih kemampuan analisis dan penyelesaian masalah, hingga soal menjodohkan untuk mengaitkan konsep dengan definisinya. Dengan total 32 soal yang bervariasi, set ini menjadi sumber belajar yang komprehensif. Setiap soal dilengkapi dengan kunci jawaban dan pembahasan singkat yang jelas, menjadikannya sumber belajar yang efektif untuk persiapan ujian, ulangan harian, atau sekadar mengulang pelajaran. Tingkatkan penguasaan Anda terhadap termodinamika dan raih nilai terbaik di bidang fisika!

Pilihan Ganda

1. Bunyi Hukum Termodinamika I adalah…

   1. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat diubah bentuknya.
   2. Kalor mengalir secara spontan dari benda panas ke benda dingin.
   3. Pada suhu nol mutlak, entropi kristal sempurna adalah nol.
   4. Perubahan entropi sistem terisolasi selalu lebih besar atau sama dengan nol.
   5. Efisiensi mesin kalor tidak mungkin 100%.

2. Proses termodinamika di mana suhu sistem dijaga konstan disebut proses…

   1. Isokorik
   2. Isobarik
   3. Isotermal
   4. Adiabatik
   5. Isentropik

3. Pada proses isobarik, besaran yang dijaga konstan adalah…

   1. Suhu
   2. Volume
   3. Tekanan
   4. Energi dalam
   5. Entropi

4. Jika suatu gas mengalami proses isokorik, maka…

   1. Usaha yang dilakukan gas adalah nol.
   2. Perubahan energi dalamnya nol.
   3. Tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem.
   4. Tekanan gas konstan.
   5. Suhu gas konstan.

5. Sebuah sistem melakukan usaha 200 J dan menerima kalor sebesar 300 J. Perubahan energi dalam sistem adalah…

   1. -500 J
   2. -100 J
   3. 100 J
   4. 200 J
   5. 500 J

6. Dalam proses adiabatik, tidak ada pertukaran…

   1. Usaha
   2. Tekanan
   3. Volume
   4. Kalor
   5. Suhu

7. Usaha yang dilakukan oleh gas pada tekanan konstan (isobarik) dapat dihitung dengan rumus…

   1. W = PΔV
   2. W = Q – ΔU
   3. W = nRT ln(V₂/V₁)
   4. W = -PΔV
   5. W = ΔU – Q

8. Entropi adalah ukuran dari…

   1. Energi kinetik rata-rata molekul.
   2. Keteraturan atau ketidakteraturan sistem.
   3. Jumlah kalor yang diterima sistem.
   4. Energi potensial sistem.
   5. Usaha yang dilakukan sistem.

9. Sebuah mesin Carnot bekerja antara reservoir panas 400 K dan reservoir dingin 300 K. Efisiensi mesin tersebut adalah…

   1. 20%
   2. 25%
   3. 30%
   4. 75%
   5. 100%

10. Pernyataan yang benar mengenai Hukum Termodinamika II adalah…

    1. Energi selalu kekal.
    2. Tidak mungkin membuat mesin kalor dengan efisiensi 100%.
    3. Entropi alam semesta selalu meningkat atau tetap.
    4. Suhu absolut tidak dapat dicapai.
    5. Kalor dapat mengalir dari dingin ke panas tanpa usaha luar.

11. Jika volume gas ideal diperbesar pada suhu konstan, maka…

    1. Tekanan gas akan meningkat.
    2. Energi dalam gas akan meningkat.
    3. Usaha dilakukan oleh gas.
    4. Usaha dilakukan pada gas.
    5. Kalor keluar dari sistem.

12. Perhatikan pernyataan berikut:

    1. Proses reversible adalah proses yang dapat dibalikkan tanpa meninggalkan jejak pada lingkungan.
    2. Proses irreversible adalah proses yang tidak dapat dibalikkan sepenuhnya.

    Pernyataan yang benar adalah…

    1. Hanya 1
    2. Hanya 2
    3. 1 dan 2 benar
    4. 1 dan 2 salah
    5. Tidak ada yang relevan

13. Dalam suatu proses termodinamika, jika sistem menerima kalor dan melakukan usaha, bagaimana perubahan energi dalamnya?

    1. Menurun
    2. Meningkat
    3. Tetap
    4. Bisa meningkat atau menurun, tergantung besarnya kalor dan usaha.
    5. Tidak dapat ditentukan.

14. Konsep yang menyatakan bahwa pada suhu nol mutlak, entropi kristal sempurna adalah nol adalah bunyi dari…

    1. Hukum Termodinamika I
    2. Hukum Termodinamika II
    3. Hukum Termodinamika III
    4. Hukum Boyle
    5. Hukum Charles

15. Perubahan entalpi (ΔH) pada tekanan konstan menunjukkan…

    1. Perubahan energi dalam.
    2. Jumlah usaha yang dilakukan.
    3. Jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan.
    4. Perubahan entropi.
    5. Perubahan energi bebas Gibbs.

16. Koefisien performansi (COP) untuk mesin pendingin ideal dinyatakan sebagai…

    1. COP = Qₕ / W
    2. COP = Qₗ / W
    3. COP = W / Qₗ
    4. COP = W / Qₕ
    5. COP = 1 – Tₗ / Tₕ

17. Apa yang terjadi pada energi dalam gas ideal jika suhu gas tersebut meningkat?

    1. Menurun
    2. Meningkat
    3. Tetap
    4. Bisa naik atau turun
    5. Tidak dapat ditentukan

18. Pada proses ekspansi bebas (free expansion) gas ideal, besaran yang bernilai nol adalah…

    1. Perubahan suhu (ΔT)
    2. Perubahan volume (ΔV)
    3. Perubahan energi dalam (ΔU)
    4. Usaha (W) dan Kalor (Q)
    5. Perubahan tekanan (ΔP)

19. Pernyataan mana yang paling tepat menggambarkan siklus Carnot?

    1. Siklus yang terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses isokorik.
    2. Siklus yang memiliki efisiensi tertinggi yang mungkin antara dua suhu reservoir.
    3. Siklus yang hanya dapat bekerja pada suhu sangat rendah.
    4. Siklus yang tidak melibatkan pertukaran kalor.
    5. Siklus yang selalu menghasilkan usaha nol.

20. Jika suatu sistem menyerap kalor 500 J dan energi dalamnya bertambah 200 J, maka usaha yang dilakukan sistem adalah…

    1. -700 J
    2. -300 J
    3. 300 J
    4. 500 J
    5. 700 J

Isian Singkat

1. Sistem yang tidak dapat melakukan pertukaran materi maupun energi dengan lingkungannya disebut sistem __________.

2. Rumus untuk menghitung efisiensi mesin kalor adalah η = 1 – (Qₗ / Qₕ) atau η = 1 – (Tₗ / Tₕ). Huruf η melambangkan __________.

3. Satuan SI untuk kalor adalah __________.

4. Proses di mana volume sistem dijaga konstan disebut proses __________.

5. Jika gas ideal mengalami proses isotermal, maka perubahan energi dalamnya adalah __________.

Uraian

1. Jelaskan bunyi Hukum Termodinamika I dan berikan dua contoh penerapannya dalam kehidupan sehari-hari!

2. Apa perbedaan mendasar antara mesin kalor dan mesin pendingin dalam konteks arah aliran kalor dan tujuan utamanya?

3. Sebuah gas ideal monoatomik memiliki 2 mol pada suhu 300 K dan tekanan 1 atm. Gas tersebut dipanaskan pada volume konstan hingga suhunya menjadi 400 K. Kemudian, gas diekspansi secara isotermal hingga volumenya dua kali semula. Hitunglah perubahan energi dalam total dan usaha total yang dilakukan gas selama proses tersebut! (R = 8.314 J/mol·K)

4. Jelaskan konsep entropi dan bagaimana kaitannya dengan Hukum Termodinamika II. Berikan contoh proses yang menunjukkan peningkatan entropi!

5. Mengapa siklus Carnot dianggap sebagai siklus ideal dan bagaimana efisiensi termalnya dapat ditingkatkan?

Menjodohkan

1. Jodohkan konsep di kolom kiri dengan definisi/rumus yang tepat di kolom kanan:

   Kolom Kiri:

   • 1. Hukum Termodinamika I
   • 2. Proses Isotermal
   • 3. Entropi
   • 4. Usaha (W) pada proses isobarik

   Kolom Kanan:

   • A. Ukuran ketidakteraturan sistem
   • B. W = PΔV
   • C. Kekekalan energi
   • D. Suhu konstan

2. Jodohkan jenis proses termodinamika dengan karakteristik utamanya:

   Kolom Kiri:

   • 1. Adiabatik
   • 2. Isokorik
   • 3. Isobarik
   • 4. Isotermal

   Kolom Kanan:

   • A. Tekanan konstan
   • B. Volume konstan
   • C. Tidak ada pertukaran kalor
   • D. Suhu konstan

Kunci Jawaban

Pilihan Ganda

1. A – Hukum Termodinamika I menyatakan kekekalan energi, bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.
2. C – Proses isotermal adalah proses di mana suhu sistem dijaga konstan (ΔT = 0).
3. C – Pada proses isobarik, tekanan sistem dijaga konstan (ΔP = 0).
4. A – Pada proses isokorik, volume sistem konstan (ΔV = 0), sehingga usaha W = PΔV = 0.
5. C – Menggunakan rumus Hukum Termodinamika I: ΔU = Q – W. Diketahui Q = 300 J (menerima kalor) dan W = 200 J (melakukan usaha). Maka ΔU = 300 J – 200 J = 100 J.
6. D – Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan (Q = 0).
7. A – Usaha pada tekanan konstan (isobarik) dihitung dengan W = PΔV.
8. B – Entropi adalah ukuran ketidakteraturan atau keacakan suatu sistem.
9. B – Efisiensi mesin Carnot η = 1 – (Tₗ / Tₕ) = 1 – (300 K / 400 K) = 1 – 0.75 = 0.25 atau 25%.
10. C – Salah satu formulasi Hukum Termodinamika II adalah bahwa entropi alam semesta cenderung meningkat dalam proses spontan.
11. C – Jika volume gas ideal diperbesar pada suhu konstan (isotermal), gas melakukan usaha pada lingkungan, sehingga usaha dilakukan oleh gas.
12. C – Kedua pernyataan tersebut benar dan merupakan definisi dasar dari proses reversibel dan irreversibel.
13. D – Menggunakan ΔU = Q – W. Jika Q positif (menerima kalor) dan W positif (melakukan usaha), maka perubahan energi dalam bisa meningkat, menurun, atau tetap, tergantung pada perbandingan nilai Q dan W.
14. C – Hukum Termodinamika III menyatakan bahwa entropi kristal sempurna adalah nol pada suhu nol mutlak.
15. C – Pada tekanan konstan, perubahan entalpi (ΔH) sama dengan kalor yang diserap atau dilepaskan oleh sistem.
16. B – Koefisien performansi (COP) mesin pendingin ideal adalah perbandingan kalor yang diserap dari reservoir dingin (Qₗ) dengan usaha yang dilakukan (W).
17. B – Untuk gas ideal, energi dalam hanya bergantung pada suhu. Jadi, jika suhu meningkat, energi dalam juga meningkat.
18. D – Pada ekspansi bebas, gas berekspansi ke ruang hampa, sehingga tidak ada usaha yang dilakukan (W = 0) dan tidak ada pertukaran kalor (Q = 0). Akibatnya, perubahan energi dalam (ΔU = Q – W = 0) dan suhu juga tidak berubah (ΔT = 0).
19. B – Siklus Carnot adalah siklus reversibel ideal yang memiliki efisiensi termal maksimum yang mungkin antara dua suhu reservoir.
20. C – Menggunakan rumus Hukum Termodinamika I: ΔU = Q – W. Diketahui Q = 500 J (menyerap kalor) dan ΔU = 200 J. Maka 200 J = 500 J – W, sehingga W = 500 J – 200 J = 300 J.

Isian Singkat

1. Terisolasi
2. Efisiensi termal
3. Joule (J)
4. Isokorik
5. Nol (ΔU = 0)

Uraian

1. Hukum Termodinamika I menyatakan prinsip kekekalan energi: energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Dalam konteks termodinamika, ini dirumuskan sebagai ΔU = Q – W, di mana ΔU adalah perubahan energi dalam, Q adalah kalor yang masuk/keluar sistem, dan W adalah usaha yang dilakukan oleh/pada sistem. Contoh penerapannya: (1) Mesin uap yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. (2) Proses metabolisme dalam tubuh makhluk hidup yang mengubah energi kimia dari makanan menjadi energi panas dan kerja.

2. Perbedaan mendasar antara mesin kalor dan mesin pendingin terletak pada arah aliran kalor dan tujuan utamanya. Mesin kalor bertujuan mengubah sebagian kalor dari reservoir panas menjadi usaha mekanik, dengan sisa kalor dibuang ke reservoir dingin. Arah aliran kalornya adalah dari panas ke dingin, menghasilkan usaha. Sebaliknya, mesin pendingin (atau pompa kalor) bertujuan memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas, memerlukan input usaha dari luar. Arah aliran kalornya adalah dari dingin ke panas, memerlukan usaha.

3. Proses 1: Pemanasan pada volume konstan (Isokorik)
   n = 2 mol, T₁ = 300 K, T₂ = 400 K
   Untuk gas monoatomik, ΔU = (3/2)nRΔT
   ΔU₁ = (3/2) * 2 mol * 8.314 J/mol·K * (400 K – 300 K)
   ΔU₁ = 3 * 8.314 J/K * 100 K = 2494.2 J
   Pada proses isokorik, W₁ = 0.
   Proses 2: Ekspansi isotermal
   T = 400 K (konstan), V₂ = 2V₁ (volume dua kali semula)
   ΔU₂ = 0 (karena suhu konstan untuk gas ideal)
   Usaha W₂ = nRT ln(V₂/V₁)
   W₂ = 2 mol * 8.314 J/mol·K * 400 K * ln(2V₁/V₁)
   W₂ = 2 * 8.314 * 400 * 0.693 J ≈ 4600.3 J

   Perubahan energi dalam total: ΔU_total = ΔU₁ + ΔU₂ = 2494.2 J + 0 J = 2494.2 J
   Usaha total: W_total = W₁ + W₂ = 0 J + 4600.3 J = 4600.3 J

4. Entropi (S) adalah ukuran ketidakteraturan atau keacakan suatu sistem. Semakin tinggi ketidakteraturan, semakin tinggi entropinya. Hukum Termodinamika II menyatakan bahwa dalam setiap proses spontan, entropi total alam semesta (sistem + lingkungan) selalu meningkat atau tetap, tidak pernah berkurang (ΔS_universe ≥ 0). Ini berarti alam semesta cenderung bergerak ke arah keadaan yang lebih tidak teratur. Contoh proses peningkatan entropi: (1) Es mencair menjadi air: molekul air dalam cairan lebih tidak teratur daripada dalam es. (2) Gas berekspansi mengisi seluruh volume wadah: molekul gas menyebar lebih acak. (3) Pembakaran kayu: molekul padat berubah menjadi gas CO₂ dan uap air yang lebih acak.

5. Siklus Carnot dianggap sebagai siklus ideal karena ia merupakan siklus reversibel yang memiliki efisiensi termal maksimum yang mungkin untuk setiap mesin kalor yang beroperasi antara dua suhu reservoir tertentu. Tidak ada mesin kalor nyata yang dapat melebihi efisiensi Carnot. Efisiensi termalnya dapat ditingkatkan dengan: (1) Meningkatkan suhu reservoir panas (Tₕ). Semakin tinggi Tₕ, semakin besar efisiensi. (2) Menurunkan suhu reservoir dingin (Tₗ). Semakin rendah Tₗ, semakin besar efisiensi. Secara matematis, η = 1 – (Tₗ / Tₕ).

Menjodohkan

1. 1-C, 2-D, 3-A, 4-B

2. 1-C, 2-B, 3-A, 4-D