Asah pemahaman Anda tentang Hukum Termodinamika 1 dengan kumpulan latihan soal komprehensif ini! Materi termodinamika adalah salah satu pilar penting dalam fisika, yang menjelaskan tentang hubungan antara kalor, kerja, dan energi internal suatu sistem. Dalam seri soal ini, Anda akan menemukan berbagai jenis pertanyaan mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga menjodohkan yang dirancang untuk menguji penguasaan konsep dasar termodinamika. Topik yang dicakup meliputi konsep kalor, kerja yang dilakukan oleh/pada sistem, perubahan energi internal, serta karakteristik proses-proses termodinamika seperti isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik. Persiapkan diri Anda untuk menghadapi ujian atau sekadar memperdalam pengetahuan dengan mengerjakan soal-soal fisika termodinamika 1 ini. Setiap soal pilihan ganda dilengkapi dengan kunci jawaban dan penjelasan singkat untuk membantu Anda memahami konsep dengan lebih baik. Mari taklukkan termodinamika!
Contoh Soal soal fisika materi termodinamika 1
A. Pilihan Ganda
1. Hukum Termodinamika 1 menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya berubah bentuk. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum…
- A. Kekekalan energi
- B. Kekekalan massa
- C. Kekekalan momentum
- D. Kekekalan muatan
- E. Kekekalan daya
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Hukum Termodinamika 1 adalah prinsip konservasi energi yang diterapkan pada sistem termodinamika.
2. Sebuah sistem menerima kalor sebesar 800 J dan melakukan kerja sebesar 300 J. Perubahan energi internal sistem adalah…
- A. 1100 J
- B. -500 J
- C. 500 J
- D. -1100 J
- E. 0 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Menggunakan rumus Hukum Termodinamika 1: ΔU = Q – W. Jika sistem menerima kalor, Q positif. Jika sistem melakukan kerja, W positif. Jadi, ΔU = 800 J – 300 J = 500 J.
3. Jika suatu sistem melepaskan kalor 400 J dan kerja dilakukan pada sistem sebesar 150 J, maka perubahan energi internal sistem adalah…
- A. -250 J
- B. 250 J
- C. -550 J
- D. 550 J
- E. 0 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Menggunakan rumus Hukum Termodinamika 1: ΔU = Q – W. Jika sistem melepaskan kalor, Q negatif (-400 J). Jika kerja dilakukan pada sistem, W negatif (-150 J). Jadi, ΔU = -400 J – (-150 J) = -400 J + 150 J = -250 J.
4. Proses termodinamika di mana volume sistem dijaga konstan disebut proses…
- A. Isobarik
- B. Isokhorik
- C. Isotermal
- D. Adiabatik
- E. Isentropik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Dalam proses isokhorik, volume (V) konstan, sehingga tidak ada kerja yang dilakukan (W = PΔV = 0).
5. Pada proses isokhorik, kerja yang dilakukan oleh sistem adalah…
- A. Nol
- B. Positif
- C. Negatif
- D. Bergantung pada tekanan
- E. Bergantung pada suhu
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Karena volume konstan (ΔV = 0), maka kerja yang dilakukan (W = PΔV) adalah nol.
6. Dalam proses isotermal, suhu sistem dijaga konstan. Ini berarti perubahan energi internal (ΔU) adalah…
- A. Nol
- B. Positif
- C. Negatif
- D. Bergantung pada tekanan
- E. Bergantung pada volume
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Untuk gas ideal, energi internal hanya bergantung pada suhu. Jika suhu konstan, maka perubahan energi internal (ΔU) adalah nol.
7. Sistem yang tidak memungkinkan pertukaran kalor dengan lingkungannya disebut…
- A. Isobarik
- B. Isokhorik
- C. Isotermal
- D. Adiabatik
- E. Isentropik
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada pertukaran kalor (Q = 0) antara sistem dan lingkungan.
8. Manakah pernyataan yang benar mengenai proses isobarik?
- A. Volume sistem konstan
- B. Tekanan sistem konstan
- C. Suhu sistem konstan
- D. Tidak ada kalor yang masuk atau keluar
- E. Energi internal sistem konstan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Proses isobarik adalah proses di mana tekanan sistem dijaga konstan.
9. Jika suatu gas memuai secara isobarik dari volume 2 m³ menjadi 5 m³ pada tekanan 10⁵ Pa, kerja yang dilakukan oleh gas adalah…
- A. 3 × 10⁵ J
- B. 2 × 10⁵ J
- C. 5 × 10⁵ J
- D. 10 × 10⁵ J
- E. 15 × 10⁵ J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Kerja (W) pada proses isobarik adalah W = PΔV. ΔV = 5 m³ – 2 m³ = 3 m³. W = 10⁵ Pa × 3 m³ = 3 × 10⁵ J.
10. Satuan SI untuk kalor dan kerja dalam termodinamika adalah…
- A. Kalori
- B. Joule
- C. Watt
- D. Pascal
- E. Kelvin
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Kalor dan kerja keduanya merupakan bentuk energi, sehingga satuan SI-nya adalah Joule (J).
11. Sebuah mesin menerima kalor 1000 J dari reservoir panas dan membuang 600 J ke reservoir dingin. Efisiensi mesin tersebut adalah…
- A. 10%
- B. 25%
- C. 30%
- D. 40%
- E. 60%
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Efisiensi (η) = (Q_masuk – Q_keluar) / Q_masuk = (1000 J – 600 J) / 1000 J = 400 J / 1000 J = 0,4 atau 40%.
12. Pada proses adiabatik, jika kerja dilakukan oleh sistem, maka energi internal sistem akan…
- A. Meningkat
- B. Menurun
- C. Tetap
- D. Tergantung pada tekanan
- E. Tergantung pada volume
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Pada proses adiabatik, Q = 0. Dari Hukum Termodinamika 1 (ΔU = Q – W), jika Q = 0, maka ΔU = -W. Jika kerja dilakukan oleh sistem (W positif), maka ΔU akan negatif, yang berarti energi internal berkurang.
13. Gas ideal berada dalam wadah tertutup. Jika gas dipanaskan sehingga suhunya meningkat, maka…
- A. Tekanan gas menurun
- B. Volume gas meningkat
- C. Kerja dilakukan oleh gas
- D. Energi internal gas tetap
- E. Energi internal gas meningkat
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: E
Pembahasan: Pada wadah tertutup, volume konstan (proses isokhorik). Jika gas dipanaskan, Q positif. Karena W = 0, maka ΔU = Q. Jadi, energi internal meningkat. Karena energi internal gas ideal bergantung pada suhu, peningkatan energi internal berarti suhu juga meningkat.
14. Sebuah sistem gas ideal mengalami proses isotermal. Jika gas melakukan kerja sebesar 200 J, berapa kalor yang diserap oleh gas?
- A. 0 J
- B. -200 J
- C. 200 J
- D. 400 J
- E. -400 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Pada proses isotermal untuk gas ideal, ΔU = 0. Dari Hukum Termodinamika 1 (ΔU = Q – W), jika ΔU = 0, maka Q = W. Jika gas melakukan kerja (W = 200 J), maka kalor yang diserap (Q) juga 200 J.
15. Pernyataan yang paling tepat mengenai energi internal suatu sistem adalah…
- A. Merupakan fungsi keadaan
- B. Hanya bergantung pada kalor yang masuk
- C. Hanya bergantung pada kerja yang dilakukan
- D. Selalu nol pada proses isotermal
- E. Selalu positif
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Energi internal adalah fungsi keadaan, artinya nilainya hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem, bukan pada lintasan proses yang dilalui.
16. Sebuah piston berisi gas dimampatkan secara isobarik pada tekanan 2 × 10⁵ Pa. Volume gas berubah dari 0,5 m³ menjadi 0,2 m³. Berapa kerja yang dilakukan pada gas?
- A. -60.000 J
- B. -30.000 J
- C. 60.000 J
- D. 30.000 J
- E. 100.000 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Kerja (W) = PΔV. ΔV = V_akhir – V_awal = 0,2 m³ – 0,5 m³ = -0,3 m³. W = 2 × 10⁵ Pa × (-0,3 m³) = -0,6 × 10⁵ J = -60.000 J. Karena kerja dilakukan pada gas, nilai W ini adalah kerja yang dilakukan oleh gas. Kerja yang dilakukan pada gas adalah +60.000 J.
17. Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 °C adalah…
- A. 1 kalori
- B. 1 Joule
- C. 1 Watt
- D. 1 BTU
- E. 1 Kelvin
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Ini adalah definisi dari 1 kalori. 1 kalori ≈ 4,184 J.
18. Jika suatu sistem melakukan kerja W dan energi internalnya berkurang sebesar ΔU, maka kalor yang dilepaskan atau diserap oleh sistem adalah…
- A. Q = ΔU + W
- B. Q = ΔU – W
- C. Q = W – ΔU
- D. Q = -ΔU – W
- E. Q = W / ΔU
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Dari Hukum Termodinamika 1: ΔU = Q – W. Maka Q = ΔU + W. Jika energi internal berkurang, ΔU negatif. Jika kerja dilakukan oleh sistem, W positif. Jadi, Q = (-ΔU) + W.
19. Pada grafik P-V (tekanan-volume), kerja yang dilakukan oleh gas selama proses termodinamika diwakili oleh…
- A. Gradien kurva
- B. Titik awal proses
- C. Luas di bawah kurva
- D. Titik akhir proses
- E. Perubahan tekanan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Kerja (W) yang dilakukan oleh gas pada grafik P-V adalah luas di bawah kurva proses.
20. Ketika es melebur menjadi air pada titik leburnya (0 °C), proses ini melibatkan…
- A. Penurunan energi internal
- B. Penyerapan kalor
- C. Pelepasan kalor
- D. Peningkatan suhu
- E. Tidak ada perubahan energi internal
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Melebur adalah proses endotermik (membutuhkan kalor) dan suhu tetap konstan selama perubahan fasa. Jadi, kalor diserap tanpa perubahan suhu, sehingga energi internal berubah (karena ada perubahan energi potensial antar molekul) dan kerja bisa terjadi jika ada perubahan volume.
B. Isian Singkat
1. Hukum Termodinamika 1 pada dasarnya adalah pernyataan dari hukum kekekalan…
Jawaban: Energi
2. Dalam persamaan Hukum Termodinamika 1 (ΔU = Q – W), jika Q bernilai positif, ini berarti sistem…
Jawaban: Menerima kalor
3. Proses termodinamika di mana tekanan dijaga konstan disebut proses…
Jawaban: Isobarik
4. Jika suatu gas ideal mengalami proses isotermal, maka perubahan energi internalnya adalah…
Jawaban: Nol (0)
5. Satuan standar internasional (SI) untuk energi internal adalah…
Jawaban: Joule
C. Menjodohkan
1. Jodohkan istilah-istilah termodinamika berikut dengan definisinya yang tepat.
| Premis | Respon |
|---|---|
| A. Proses Isobarik | 3. Proses dengan tekanan konstan |
| B. Proses Isokhorik | 1. Proses dengan volume konstan |
| C. Proses Isotermal | 4. Proses dengan suhu konstan |
| D. Proses Adiabatik | 2. Proses tanpa pertukaran kalor |
2. Jodohkan besaran-besaran termodinamika berikut dengan satuan SI yang benar.
| Premis | Respon |
|---|---|
| A. Energi Internal | 2. Joule (J) |
| B. Tekanan | 1. Pascal (Pa) |
| C. Volume | 3. Meter kubik (m³) |
| D. Suhu | 4. Kelvin (K) |
D. Uraian
1. Jelaskan dengan kata-kata Anda sendiri mengenai Hukum Termodinamika 1 dan berikan satu contoh penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.
Hukum Termodinamika 1 menyatakan prinsip kekekalan energi, bahwa energi di alam semesta tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lain. Dalam konteks sistem termodinamika, hukum ini menjelaskan hubungan antara perubahan energi internal sistem (ΔU), kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q), dan kerja yang dilakukan oleh atau pada sistem (W), yang dirumuskan sebagai ΔU = Q – W.
Contoh penerapannya: Saat Anda memompa ban sepeda, pompa akan terasa panas. Ini karena Anda melakukan kerja (W) pada udara di dalam pompa, yang meningkatkan energi internal (ΔU) udara tersebut, sehingga suhunya naik dan pompa terasa panas (kalor Q dilepaskan ke lingkungan, namun efek kerja lebih dominan meningkatkan energi internal dan suhu udara).
2. Sebuah gas mengalami ekspansi isobarik pada tekanan 3 × 10⁵ Pa. Volume gas berubah dari 1 m³ menjadi 3 m³. Selama proses ini, gas menyerap kalor sebesar 8 × 10⁵ J. Hitunglah perubahan energi internal gas tersebut!
1. Hitung kerja yang dilakukan oleh gas (W) pada proses isobarik:
W = P × ΔV
W = P × (V_akhir – V_awal)
W = 3 × 10⁵ Pa × (3 m³ – 1 m³)
W = 3 × 10⁵ Pa × 2 m³
W = 6 × 10⁵ J
2. Gunakan Hukum Termodinamika 1 untuk mencari perubahan energi internal (ΔU):
ΔU = Q – W
Gas menyerap kalor, jadi Q positif: Q = 8 × 10⁵ J
ΔU = 8 × 10⁵ J – 6 × 10⁵ J
ΔU = 2 × 10⁵ J
Jadi, perubahan energi internal gas adalah 2 × 10⁵ J.
3. Jelaskan perbedaan mendasar antara proses isotermal dan proses adiabatik, terutama dalam kaitannya dengan Hukum Termodinamika 1.
Perbedaan mendasar antara proses isotermal dan adiabatik terletak pada bagaimana suhu dan pertukaran kalor dikelola:
1. **Proses Isotermal:**
* **Definisi:** Proses di mana suhu sistem dijaga konstan (ΔT = 0).
* **Kaitannya dengan Hukum Termodinamika 1 (ΔU = Q – W):** Untuk gas ideal, energi internal (ΔU) hanya bergantung pada suhu. Karena ΔT = 0, maka ΔU = 0. Oleh karena itu, pada proses isotermal untuk gas ideal, Q = W. Artinya, semua kalor yang diserap oleh sistem diubah menjadi kerja yang dilakukan oleh sistem, atau sebaliknya.
* **Contoh:** Piston yang bergerak sangat lambat sehingga ada cukup waktu bagi sistem untuk bertukar kalor dengan lingkungan dan menjaga suhu tetap.
2. **Proses Adiabatik:**
* **Definisi:** Proses di mana tidak ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan (Q = 0).
* **Kaitannya dengan Hukum Termodinamika 1 (ΔU = Q – W):** Karena Q = 0, maka Hukum Termodinamika 1 menjadi ΔU = -W. Ini berarti setiap kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif) akan mengurangi energi internal sistem (ΔU negatif, sehingga suhu turun), dan setiap kerja yang dilakukan pada sistem (W negatif) akan meningkatkan energi internal sistem (ΔU positif, sehingga suhu naik).
* **Contoh:** Piston yang bergerak sangat cepat sehingga tidak ada waktu bagi sistem untuk bertukar kalor dengan lingkungan, atau sistem yang diisolasi sempurna.
4. Sebuah sistem gas menerima kalor 600 J. Setelah itu, sistem melakukan kerja sebesar 250 J. Selanjutnya, sistem didinginkan sehingga melepaskan kalor 400 J tanpa melakukan kerja. Tentukan perubahan energi internal total sistem dari awal hingga akhir proses.
Ini adalah proses dua tahap:
**Tahap 1:**
Q₁ = +600 J (menerima kalor)
W₁ = +250 J (melakukan kerja)
ΔU₁ = Q₁ – W₁ = 600 J – 250 J = 350 J
**Tahap 2:**
Q₂ = -400 J (melepaskan kalor)
W₂ = 0 J (tanpa melakukan kerja)
ΔU₂ = Q₂ – W₂ = -400 J – 0 J = -400 J
**Perubahan Energi Internal Total:**
ΔU_total = ΔU₁ + ΔU₂
ΔU_total = 350 J + (-400 J)
ΔU_total = -50 J
Jadi, perubahan energi internal total sistem adalah -50 J.
5. Bagaimana Hukum Termodinamika 1 relevan dalam konteks pendingin ruangan (AC)?
Dalam konteks pendingin ruangan (AC), Hukum Termodinamika 1 sangat relevan dalam menjelaskan bagaimana AC bekerja untuk mendinginkan suatu ruangan.
AC adalah sebuah mesin kalor yang beroperasi secara terbalik, yaitu memindahkan kalor dari daerah bersuhu rendah (ruangan yang ingin didinginkan) ke daerah bersuhu tinggi (lingkungan luar). Proses ini tidak dapat terjadi secara spontan, sehingga memerlukan input kerja dari luar.
Berdasarkan Hukum Termodinamika 1 (ΔU = Q – W), untuk siklus pendingin ruangan:
1. **Kalor (Q) diambil dari ruangan:** Refrigeran dalam AC menyerap kalor (Q_rendah) dari udara di dalam ruangan, sehingga udara di ruangan menjadi dingin. Q_rendah ini bernilai positif bagi refrigeran.
2. **Kerja (W) dilakukan pada sistem:** Kompresor AC melakukan kerja (W) pada refrigeran. Kerja ini meningkatkan energi internal dan suhu refrigeran.
3. **Kalor (Q) dibuang ke luar:** Refrigeran kemudian melepaskan kalor (Q_tinggi) ke lingkungan luar yang lebih panas. Q_tinggi ini bernilai negatif bagi refrigeran.
Secara keseluruhan, kerja yang dilakukan pada refrigeran (W negatif dari sudut pandang refrigeran) dan kalor yang diserap dari ruangan (Q_rendah positif) menyebabkan kalor total yang lebih besar (Q_tinggi negatif) dibuang ke lingkungan. Dengan kata lain, W + Q_rendah = Q_tinggi (jika ΔU = 0 untuk satu siklus lengkap). Jadi, energi (berupa kerja) digunakan untuk memindahkan kalor dari tempat dingin ke tempat panas, sesuai dengan prinsip kekekalan energi.
