Kumpulan Contoh Soal Bongkar Rahasia Fisika Gas Ideal: 32 Soal Latihan Dijamin Bikin Paham!
Pilihan Ganda
1. 1. Pada suhu konstan, volume sejumlah gas berbanding terbalik dengan tekanannya. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum…
2. 2. Sebuah gas ideal berada dalam wadah tertutup pada suhu 27°C. Jika suhu gas dinaikkan menjadi 127°C dan volume dijaga konstan, perbandingan tekanan awal dan akhir gas adalah…
3. 3. Persamaan umum gas ideal adalah PV = nRT. Apa arti simbol ‘R’ dalam persamaan tersebut?
4. 4. Jika suatu gas mengalami proses isobarik, maka…
5. 5. Suatu gas ideal bervolume 10 L pada tekanan 1 atm dan suhu 27°C. Jika tekanan diubah menjadi 2 atm dan suhu menjadi 127°C, volume gas sekarang adalah…
6. 6. Energi kinetik rata-rata partikel gas ideal berbanding lurus dengan…
7. 7. Sebuah tabung berisi 0,5 mol gas oksigen (O₂) pada suhu 300 K dan tekanan 2 atm. Volume tabung adalah (R = 0,082 L·atm/mol·K)…
8. 8. Manakah dari pernyataan berikut yang BUKAN merupakan asumsi dasar teori kinetik gas ideal?
9. 9. Jika suhu gas ideal dinaikkan dua kali lipat pada volume konstan, maka tekanan gas akan…
10. 10. Usaha yang dilakukan oleh gas saat berekspansi pada tekanan konstan (proses isobarik) dapat dihitung dengan rumus…
11. 11. Sebuah gas ideal mengalami proses adiabatik. Pernyataan yang benar mengenai proses ini adalah…
12. 12. Perubahan energi dalam (ΔU) gas ideal monoatomik diberikan oleh rumus…
13. 13. Suatu gas ideal memiliki volume 2 L pada tekanan 1,5 atm. Jika gas ditekan secara isotermal hingga volumenya menjadi 1 L, tekanan akhir gas adalah…
14. 14. Konstanta Boltzmann (k) adalah rasio antara konstanta gas umum (R) dan…
15. 15. Jika sejumlah gas ideal memiliki suhu mutlak T dan volume V, serta jumlah mol n, maka tekanan P dapat dihitung dengan rumus…
16. 16. Sebuah bejana tertutup berisi gas ideal. Jika gas dipanaskan sehingga energi kinetik rata-rata partikelnya meningkat, maka…
17. 17. Gas ideal diatomik pada suhu rendah (sekitar 300 K) memiliki derajat kebebasan sebanyak…
18. 18. Kecepatan rms (root mean square) partikel gas ideal berbanding lurus dengan akar kuadrat dari…
19. 19. Proses termodinamika di mana volume gas dijaga konstan disebut proses…
20. 20. Berapa joule usaha yang dilakukan oleh 2 mol gas ideal yang berekspansi secara isotermal pada suhu 300 K dari volume 1 L menjadi 2 L? (ln 2 ≈ 0,693; R = 8,314 J/mol·K)
Isian Singkat
1. 1. Pada suhu dan jumlah mol gas yang sama, gas-gas yang berbeda akan memiliki volume yang sama jika tekanannya sama. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum ______________.
2. 2. Tekanan gas ideal diakibatkan oleh ______________ partikel gas dengan dinding wadah.
3. 3. Jika gas menyerap kalor dan melakukan usaha, maka perubahan energi dalamnya dapat dihitung dengan Hukum Termodinamika I, yaitu ΔU = Q – W. Dalam proses isokorik, usaha (W) yang dilakukan gas adalah ______________.
4. 4. Nilai konstanta gas umum (R) dalam satuan SI adalah ______________ J/mol·K.
5. 5. Suhu 0°C dalam skala Kelvin adalah ______________ K.
Uraian
1. 1. Jelaskan tiga asumsi utama dalam teori kinetik gas ideal dan bagaimana asumsi tersebut menyederhanakan perilaku gas.
2. 2. Sebuah gas ideal monoatomik sebanyak 3 mol dipanaskan dari suhu 27°C menjadi 127°C pada tekanan konstan (isobarik). Hitunglah:
a. Perubahan energi dalam gas.
b. Usaha yang dilakukan oleh gas.
c. Kalor yang diserap gas.
(R = 8,314 J/mol·K)
3. 3. Jelaskan perbedaan antara gas ideal dan gas nyata. Kapan gas nyata dapat mendekati perilaku gas ideal?
4. 4. Sebuah bejana tertutup bervolume 5 L berisi 0,2 mol gas nitrogen pada tekanan 2 atm. Hitunglah suhu gas tersebut dalam Kelvin dan Celsius. (R = 0,082 L·atm/mol·K)
5. 5. Bagaimana cara kerja lemari es (kulkas) berdasarkan prinsip termodinamika gas? Jelaskan secara singkat.
Mencocokkan
1. Cocokkan konsep-konsep berikut dengan definisi atau rumus yang tepat:
1. Hukum Charles
2. Proses Isobarik
2. Cocokkan konsep-konsep berikut dengan definisi atau rumus yang tepat:
1. Konstanta Boltzmann
2. Energi Kinetik Rata-rata Gas Ideal
Kunci Jawaban dan Pembahasan
Pilihan Ganda
1. A
Pembahasan: Hukum Boyle menyatakan bahwa pada suhu konstan (isotermal), tekanan (P) gas berbanding terbalik dengan volumenya (V), atau PV = konstan.
2. C
Pembahasan: Menggunakan Hukum Gay-Lussac (volume konstan): P₁/T₁ = P₂/T₂. Ubah suhu ke Kelvin: T₁ = 27 + 273 = 300 K, T₂ = 127 + 273 = 400 K. Maka P₁/300 = P₂/400 → P₁/P₂ = 300/400 = 3/4.
3. B
Pembahasan: R adalah konstanta gas umum (universal gas constant) yang nilainya sekitar 8,314 J/(mol·K) atau 0,082 L·atm/(mol·K).
4. D
Pembahasan: Proses isobarik adalah proses termodinamika di mana tekanan sistem dijaga konstan (ΔP = 0).
5. B
Pembahasan: Gunakan Hukum Gabungan Gas: (P₁V₁)/T₁ = (P₂V₂)/T₂. T₁ = 27 + 273 = 300 K, T₂ = 127 + 273 = 400 K. (1 atm × 10 L)/300 K = (2 atm × V₂)/400 K. 10/300 = 2V₂/400 → 1/30 = 2V₂/400 → V₂ = (400 × 1)/(30 × 2) = 400/60 = 20/3 L ≈ 6,67 L.
6. A
Pembahasan: Energi kinetik rata-rata translasi partikel gas ideal (Ek) dirumuskan sebagai Ek = 3/2 kT, di mana k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu mutlak. Jadi, Ek berbanding lurus dengan suhu mutlak.
7. A
Pembahasan: Gunakan PV = nRT. V = nRT/P = (0,5 mol × 0,082 L·atm/mol·K × 300 K) / 2 atm = (0,5 × 0,082 × 300) / 2 = 12,3 / 2 = 6,15 L.
8. D
Pembahasan: Asumsi dasar teori kinetik gas ideal meliputi: partikel sangat kecil, bergerak acak, tumbukan lenting sempurna, tidak ada gaya antarpartikel, dan waktu tumbukan sangat singkat. Adanya gaya tarik-menarik antarpartikel adalah karakteristik gas nyata.
9. B
Pembahasan: Berdasarkan Hukum Gay-Lussac (P/T = konstan), jika T naik 2 kali lipat dan V konstan, maka P juga akan naik 2 kali lipat.
10. C
Pembahasan: Dalam proses isobarik, usaha (W) yang dilakukan oleh gas adalah W = PΔV, di mana P adalah tekanan konstan dan ΔV adalah perubahan volume.
11. D
Pembahasan: Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Oleh karena itu, gas tidak menyerap maupun melepaskan kalor.
12. A
Pembahasan: Untuk gas ideal monoatomik, energi dalam (U) adalah U = 3/2 nRT, sehingga perubahan energi dalamnya adalah ΔU = 3/2 nRΔT.
13. D
Pembahasan: Menggunakan Hukum Boyle (isotermal): P₁V₁ = P₂V₂. (1,5 atm × 2 L) = (P₂ × 1 L) → 3 = P₂ → P₂ = 3 atm.
14. B
Pembahasan: Konstanta Boltzmann (k) adalah konstanta gas umum (R) dibagi dengan bilangan Avogadro (Nₐ), yaitu k = R/Nₐ.
15. C
Pembahasan: Ini adalah persamaan gas ideal, PV = nRT, yang dapat diubah menjadi P = nRT/V.
16. A
Pembahasan: Energi kinetik rata-rata partikel gas ideal berbanding lurus dengan suhu mutlaknya (Ek = 3/2 kT). Jika Ek meningkat, berarti suhu gas juga meningkat.
17. B
Pembahasan: Pada suhu rendah, gas diatomik hanya memiliki derajat kebebasan translasi (3) dan rotasi (2), sehingga totalnya 3 + 2 = 5.
18. D
Pembahasan: Kecepatan rms (v_rms) = √(3RT/M) atau √(3kT/m). Jadi, v_rms berbanding lurus dengan akar kuadrat dari suhu mutlak (T).
19. A
Pembahasan: Proses isokorik (atau isovolumetrik) adalah proses di mana volume sistem dijaga konstan (ΔV = 0).
20. C
Pembahasan: Usaha isotermal: W = nRT ln(V₂/V₁). W = 2 mol × 8,314 J/mol·K × 300 K × ln(2 L / 1 L) = 2 × 8,314 × 300 × ln(2) = 4988,4 × 0,693 ≈ 3456 J.
Isian Singkat
1. Avogadro
2. tumbukan
3. nol
4. 8,314
5. 273
Uraian
1. Tiga asumsi utama teori kinetik gas ideal adalah:
1. Gas terdiri dari partikel-partikel (molekul atau atom) yang sangat kecil dan diskrit, yang jumlahnya sangat banyak. Volume masing-masing partikel diabaikan dibandingkan volume wadah.
2. Partikel-partikel gas bergerak secara acak, cepat, dan lurus ke segala arah. Tumbukan antarpartikel atau antara partikel dengan dinding wadah adalah lenting sempurna.
3. Tidak ada gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antarpartikel gas, kecuali saat terjadi tumbukan. Energi kinetik rata-rata partikel hanya bergantung pada suhu mutlak gas.
Asumsi-asumsi ini menyederhanakan analisis perilaku gas dengan mengabaikan interaksi kompleks antarmolekul dan volume molekul itu sendiri, sehingga memungkinkan penggunaan persamaan gas ideal yang sederhana.
2. Diketahui: n = 3 mol, T₁ = 27°C = 300 K, T₂ = 127°C = 400 K.
a. Perubahan energi dalam (ΔU) untuk gas monoatomik: ΔU = 3/2 nRΔT = 3/2 × 3 mol × 8,314 J/mol·K × (400 K – 300 K) = 3/2 × 3 × 8,314 × 100 = 4,5 × 8,314 × 100 = 3741,3 J.
b. Usaha (W) yang dilakukan gas pada proses isobarik: W = PΔV = nRΔT (dari PV = nRT, jika P konstan, PΔV = nRΔT). W = 3 mol × 8,314 J/mol·K × (400 K – 300 K) = 3 × 8,314 × 100 = 2494,2 J.
c. Kalor yang diserap (Q) gas menggunakan Hukum Termodinamika I: Q = ΔU + W = 3741,3 J + 2494,2 J = 6235,5 J.
3. Gas ideal adalah model teoretis yang mengabaikan volume partikel dan gaya interaksi antarpartikel. Sedangkan gas nyata memiliki volume partikel yang tidak nol dan terdapat gaya tarik-menarik antarpartikel (gaya van der Waals). Gas nyata akan mendekati perilaku gas ideal pada kondisi suhu tinggi dan tekanan rendah. Pada suhu tinggi, energi kinetik partikel sangat besar sehingga gaya interaksi antarpartikel menjadi tidak signifikan. Pada tekanan rendah, jarak antarpartikel sangat jauh, sehingga volume partikel diabaikan dibandingkan volume wadah dan interaksi antarpartikel minimal.
4. Diketahui: V = 5 L, n = 0,2 mol, P = 2 atm, R = 0,082 L·atm/mol·K.
Menggunakan persamaan gas ideal: PV = nRT.
T = PV / (nR) = (2 atm × 5 L) / (0,2 mol × 0,082 L·atm/mol·K) = 10 / 0,0164 = 609,76 K.
Untuk mengubah ke Celsius: T_celsius = T_kelvin – 273 = 609,76 – 273 = 336,76°C.
Jadi, suhu gas adalah 609,76 K atau 336,76°C.
5. Lemari es bekerja berdasarkan siklus termodinamika, khususnya dengan memanfaatkan sifat gas (refrigeran) yang dapat menyerap dan melepaskan kalor saat mengalami perubahan fase dan tekanan.
1. Kompresor: Refrigeran (gas) dikompresi, meningkatkan tekanan dan suhunya.
2. Kondensor: Gas panas bertekanan tinggi mengalir melalui kumparan di bagian belakang kulkas (kondensor), melepaskan kalor ke lingkungan luar dan mendingin hingga mengembun menjadi cairan.
3. Katup Ekspansi: Cairan bertekanan tinggi ini melewati katup ekspansi, yang menurunkan tekanan secara drastis, menyebabkannya menguap sebagian dan menjadi sangat dingin.
4. Evaporator: Campuran cairan-gas dingin ini mengalir melalui kumparan di dalam kulkas (evaporator), menyerap kalor dari isi kulkas dan berubah sepenuhnya menjadi gas.
Siklus ini berulang, secara terus-menerus memindahkan kalor dari dalam kulkas ke lingkungan luar, sehingga mendinginkan isi kulkas.
Mencocokkan
1. 1. Pada tekanan konstan, volume gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya.
2. Proses termodinamika di mana tekanan sistem dijaga konstan.
2. 1. Konstanta gas umum dibagi bilangan Avogadro.
2. Berbanding lurus dengan suhu mutlak gas (Ek = 3/2 kT).