Selamat datang di sumber belajar terlengkap untuk menguasai materi termodinamika dalam fisika! Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari hubungan antara kalor, usaha, dan energi. Konsep-konsepnya sangat fundamental dan sering muncul dalam berbagai ujian, mulai dari ujian sekolah hingga seleksi masuk perguruan tinggi. Memahami termodinamika tidak hanya penting untuk akademik, tetapi juga relevan dalam kehidupan sehari-hari, seperti cara kerja mesin pendingin, mesin kendaraan, hingga pembangkit listrik. Dalam halaman ini, kami menyajikan kumpulan latihan soal fisika termodinamika yang komprehensif, dirancang untuk menguji pemahaman Anda secara mendalam. Anda akan menemukan berbagai jenis soal, mulai dari pilihan ganda yang menguji konsep dasar dan perhitungan cepat, isian singkat untuk recall definisi, soal uraian yang menantang analisis Anda, hingga soal menjodohkan untuk mengaitkan istilah dan konsep penting. Latihan ini akan membantu Anda memperkuat pemahaman tentang Hukum Termodinamika I, II, dan III, berbagai proses termodinamika (isotermik, isobarik, isokorik, adiabatik), serta konsep efisiensi mesin kalor dan koefisien kinerja mesin pendingin. Mari berlatih dan tingkatkan penguasaan Anda di bidang termodinamika!
Contoh Soal soal fisika materi termodinamika
A. Pilihan Ganda
1. Sebuah gas menerima kalor sebesar 150 J dan melakukan usaha sebesar 70 J. Perubahan energi dalam gas tersebut adalah…
- 220 J
- 80 J
- -80 J
- -220 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 80 J
Pembahasan: Menurut Hukum I Termodinamika, ΔU = Q – W. Diketahui Q = +150 J (menerima kalor) dan W = +70 J (melakukan usaha). Maka, ΔU = 150 J – 70 J = 80 J.
2. Pada proses termodinamika isotermik, besaran yang dijaga konstan adalah…
- Tekanan
- Volume
- Suhu
- Kalor
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Suhu
Pembahasan: Proses isotermik adalah proses termodinamika di mana suhu sistem dijaga konstan (ΔT = 0). Akibatnya, untuk gas ideal, perubahan energi dalamnya juga nol (ΔU = 0).
3. Usaha yang dilakukan oleh sistem pada proses isokorik adalah…
- Positif
- Negatif
- Nol
- Bergantung pada tekanan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Nol
Pembahasan: Pada proses isokorik, volume sistem dijaga konstan (ΔV = 0). Karena usaha (W) didefinisikan sebagai W = PΔV, maka jika ΔV = 0, usaha yang dilakukan juga nol.
4. Sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 500 K dan 300 K. Efisiensi mesin Carnot tersebut adalah…
- 20%
- 30%
- 40%
- 50%
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 40%
Pembahasan: Efisiensi mesin Carnot (η) dihitung dengan rumus η = 1 – (T_rendah / T_tinggi). Diketahui T_tinggi = 500 K dan T_rendah = 300 K. Maka, η = 1 – (300/500) = 1 – 0.6 = 0.4 atau 40%.
5. Pernyataan yang paling tepat mengenai Hukum Pertama Termodinamika adalah…
- Arah aliran kalor
- Hukum kekekalan energi
- Hubungan antara tekanan dan volume
- Ukuran ketidakteraturan sistem
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Hukum kekekalan energi
Pembahasan: Hukum Pertama Termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya dapat berubah bentuk. Ini adalah prinsip kekekalan energi.
6. Menurut Hukum Kedua Termodinamika, aliran kalor secara spontan selalu terjadi dari…
- Suhu rendah ke suhu tinggi
- Suhu tinggi ke suhu rendah
- Tekanan tinggi ke tekanan rendah
- Volume besar ke volume kecil
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Suhu tinggi ke suhu rendah
Pembahasan: Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa kalor secara alami mengalir dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah, bukan sebaliknya, kecuali ada usaha dari luar.
7. Energi dalam gas ideal monoatomik pada suhu T adalah…
- U = nRT
- U = 3/2 nRT
- U = 5/2 nRT
- U = 1/2 nRT
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: U = 3/2 nRT
Pembahasan: Untuk gas ideal monoatomik, energi dalam (U) diberikan oleh rumus U = 3/2 nRT, di mana n adalah jumlah mol, R adalah konstanta gas ideal, dan T adalah suhu mutlak.
8. Sebuah gas mengalami proses isobarik pada tekanan 4 × 10⁵ Pa. Volume gas berubah dari 2 L menjadi 6 L. Usaha yang dilakukan gas adalah…
- 800 J
- 1200 J
- 1600 J
- 2400 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 1600 J
Pembahasan: Usaha pada proses isobarik dihitung dengan W = PΔV. Diketahui P = 4 × 10⁵ Pa. ΔV = (6 – 2) L = 4 L = 4 × 10⁻³ m³. Maka, W = (4 × 10⁵ Pa) × (4 × 10⁻³ m³) = 1600 J.
9. Pada proses adiabatik, besarnya kalor yang masuk atau keluar dari sistem adalah…
- Positif
- Negatif
- Nol
- Bergantung pada usaha
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Nol
Pembahasan: Proses adiabatik adalah proses termodinamika di mana tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungannya (Q = 0).
10. Dalam satu siklus termodinamika lengkap, perubahan energi dalam gas ideal adalah…
- Positif
- Negatif
- Nol
- Bergantung pada kalor neto
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Nol
Pembahasan: Energi dalam adalah fungsi keadaan. Dalam satu siklus lengkap, sistem kembali ke keadaan awal, sehingga perubahan energi dalamnya adalah nol (ΔU = 0).
11. Entropi adalah ukuran dari…
- Suhu sistem
- Tekanan sistem
- Ketidakteraturan atau keacakan sistem
- Jumlah energi kinetik molekul
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Ketidakteraturan atau keacakan sistem
Pembahasan: Entropi adalah besaran termodinamika yang mengukur tingkat ketidakteraturan, keacakan, atau dispersi energi dalam suatu sistem.
12. Manakah pernyataan yang benar mengenai mesin pendingin?
- Mengubah seluruh kalor menjadi usaha
- Memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas secara spontan
- Memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas dengan bantuan usaha dari luar
- Memiliki efisiensi 100%
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas dengan bantuan usaha dari luar
Pembahasan: Mesin pendingin bekerja dengan memindahkan kalor dari tempat bersuhu rendah (reservoir dingin) ke tempat bersuhu tinggi (reservoir panas), yang mana proses ini membutuhkan usaha dari luar.
13. Sebuah mesin pendingin menyerap kalor 1000 J dari reservoir dingin dan membuang 1300 J ke reservoir panas. Koefisien kinerja (COP) mesin tersebut adalah…
- 0,77
- 1,3
- 3,33
- 4,33
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 3,33
Pembahasan: Usaha yang dilakukan mesin pendingin (W) = Q_panas – Q_dingin = 1300 J – 1000 J = 300 J. Koefisien kinerja (K) = Q_dingin / W = 1000 J / 300 J = 3,33.
14. Gas ideal melakukan proses isobarik pada tekanan 2 × 10⁵ Pa. Volume berubah dari 0,5 m³ menjadi 1,5 m³. Jika kalor yang diserap adalah 4 × 10⁵ J, berapakah perubahan energi dalamnya?
- 1 × 10⁵ J
- 2 × 10⁵ J
- 3 × 10⁵ J
- 6 × 10⁵ J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: 2 × 10⁵ J
Pembahasan: Usaha (W) = PΔV = (2 × 10⁵ Pa) × (1,5 m³ – 0,5 m³) = (2 × 10⁵ Pa) × (1 m³) = 2 × 10⁵ J. Kalor (Q) = 4 × 10⁵ J. Menurut Hukum I Termodinamika, ΔU = Q – W = (4 × 10⁵ J) – (2 × 10⁵ J) = 2 × 10⁵ J.
15. Pada diagram P-V, luas daerah di bawah kurva yang menghubungkan dua keadaan termodinamika menyatakan…
- Kalor yang diserap sistem
- Perubahan energi dalam sistem
- Usaha yang dilakukan atau diterima sistem
- Perubahan suhu sistem
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Usaha yang dilakukan atau diterima sistem
Pembahasan: Luas di bawah kurva pada diagram P-V secara grafis merepresentasikan usaha (W) yang dilakukan oleh sistem (jika ekspansi) atau diterima oleh sistem (jika kompresi).
16. Perbedaan mendasar antara mesin kalor dan mesin pendingin terletak pada…
- Jenis fluida kerjanya
- Arah aliran kalor neto dan tujuan proses
- Hukum Termodinamika yang berlaku
- Bentuk energi yang dihasilkan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Arah aliran kalor neto dan tujuan proses
Pembahasan: Mesin kalor mengubah kalor menjadi usaha dengan memindahkan kalor dari panas ke dingin. Mesin pendingin memindahkan kalor dari dingin ke panas untuk mendinginkan, membutuhkan usaha.
17. Hukum Termodinamika ke Nol berhubungan dengan konsep…
- Kekekalan energi
- Arah aliran kalor
- Kesetimbangan termal
- Perubahan entropi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Kesetimbangan termal
Pembahasan: Hukum ke Nol Termodinamika menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka ketiganya berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Ini mendefinisikan konsep suhu dan kesetimbangan termal.
18. Menurut Hukum Kedua Termodinamika, entropi alam semesta secara keseluruhan cenderung…
- Menurun
- Meningkat
- Tetap konstan
- Tidak dapat diprediksi
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Meningkat
Pembahasan: Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa dalam setiap proses spontan, entropi total alam semesta (sistem + lingkungan) selalu meningkat atau tetap konstan (untuk proses reversibel ideal).
19. Kapasitas kalor gas pada volume konstan (Cv) mengukur…
- Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 mol gas sebesar 1 K pada tekanan konstan
- Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 mol gas sebesar 1 K pada volume konstan
- Usaha yang dilakukan gas pada volume konstan
- Perubahan energi dalam gas pada tekanan konstan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 mol gas sebesar 1 K pada volume konstan
Pembahasan: Kapasitas kalor pada volume konstan (Cv) adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sejumlah gas sebesar satu derajat (atau satu Kelvin) ketika volumenya dijaga konstan.
20. Proses termodinamika yang tidak dapat kembali ke keadaan semula tanpa meninggalkan jejak di lingkungan disebut proses…
- Reversibel
- Isotermik
- Adiabatik
- Ireversibel
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: Ireversibel
Pembahasan: Proses ireversibel adalah proses yang tidak dapat dibalikkan arahnya untuk kembali ke keadaan semula tanpa menyebabkan perubahan permanen pada lingkungan.
B. Isian Singkat
1. Satuan internasional untuk usaha dalam termodinamika adalah __________.
Jawaban: Joule
2. Pada proses __________, volume sistem dijaga konstan.
Jawaban: Isokorik
3. Jika gas melakukan usaha terhadap lingkungan, maka nilai usaha (W) bertanda __________.
Jawaban: Positif
4. Efisiensi termal maksimum yang dapat dicapai oleh mesin kalor ideal disebut efisiensi __________.
Jawaban: Carnot
5. Hukum Termodinamika Pertama adalah pernyataan tentang kekekalan __________.
Jawaban: Energi
C. Menjodohkan
1. Jodohkan konsep termodinamika berikut dengan definisinya yang paling tepat.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Hukum I Termodinamika | Kekekalan Energi |
| Proses Isokorik | Volume Konstan |
| Mesin Carnot | Efisiensi Maksimum |
| Entropi | Ukuran Ketidakteraturan |
2. Jodohkan variabel atau kondisi termodinamika berikut dengan karakteristik atau rumus yang sesuai.
| Premis | Respon |
|---|---|
| Usaha pada Isobarik | W = PΔV |
| Perubahan Energi Dalam Isotermik | ΔU = 0 |
| Kalor pada Adiabatik | Q = 0 |
| Efisiensi Mesin Kalor | η = W/Q_panas |
D. Uraian
1. Jelaskan perbedaan mendasar antara proses isotermik dan adiabatik, serta bagaimana pengaruhnya terhadap perubahan energi dalam sistem.
Proses isotermik adalah proses di mana suhu sistem dijaga konstan (ΔT = 0). Untuk gas ideal, ini berarti perubahan energi dalamnya (ΔU) juga nol, karena energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu. Kalor yang masuk atau keluar sistem sepenuhnya diubah menjadi usaha atau sebaliknya (Q = W).
Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan (Q = 0). Dalam proses ini, perubahan energi dalam sistem sepenuhnya disebabkan oleh usaha yang dilakukan atau diterima oleh sistem (ΔU = -W). Jika gas melakukan usaha (ekspansi), energi dalamnya akan berkurang dan suhunya turun. Jika lingkungan melakukan usaha pada gas (kompresi), energi dalamnya akan bertambah dan suhunya naik.
2. Sebuah mesin Carnot menyerap kalor 1200 J dari reservoir panas pada suhu 600 K dan membuang sebagian kalor ke reservoir dingin pada suhu 400 K. Hitunglah: a) Efisiensi mesin Carnot tersebut, b) Kalor yang dibuang ke reservoir dingin, dan c) Usaha yang dilakukan mesin.
Diketahui:
Q_panas = 1200 J
T_tinggi = 600 K
T_rendah = 400 K
a) Efisiensi mesin Carnot (η):
η = 1 – (T_rendah / T_tinggi)
η = 1 – (400 K / 600 K)
η = 1 – (2/3)
η = 1/3 atau sekitar 33,33%
b) Kalor yang dibuang ke reservoir dingin (Q_dingin):
Untuk mesin Carnot, berlaku Q_dingin / Q_panas = T_rendah / T_tinggi
Q_dingin = Q_panas × (T_rendah / T_tinggi)
Q_dingin = 1200 J × (400 K / 600 K)
Q_dingin = 1200 J × (2/3)
Q_dingin = 800 J
c) Usaha yang dilakukan mesin (W):
W = Q_panas – Q_dingin
W = 1200 J – 800 J
W = 400 J
3. Bagaimana Hukum Termodinamika Kedua menjelaskan mengapa mustahil untuk membuat mesin kalor yang memiliki efisiensi 100%?
Hukum Termodinamika Kedua menyatakan bahwa tidak mungkin untuk membangun mesin kalor yang bekerja dalam siklus, yang satu-satunya efeknya adalah menyerap kalor dari reservoir panas dan mengubahnya seluruhnya menjadi usaha (pernyataan Kelvin-Planck). Ini berarti bahwa selalu ada sejumlah kalor yang harus dibuang ke reservoir dingin. Jika efisiensi mesin adalah 100%, itu berarti seluruh kalor yang diserap dari reservoir panas akan diubah menjadi usaha, dan tidak ada kalor yang dibuang ke reservoir dingin. Hal ini akan melanggar Hukum Kedua Termodinamika karena tidak ada mesin yang dapat beroperasi tanpa adanya perbedaan suhu dan pembuangan kalor, yang merupakan syarat untuk proses siklus yang berkelanjutan.
4. Gambarkan siklus termodinamika yang terdiri dari proses isobarik, isokorik, dan isotermik pada diagram P-V. Jelaskan secara singkat apa yang terjadi pada setiap tahap.
Untuk menggambar, bayangkan diagram P-V dengan sumbu vertikal P (Tekanan) dan sumbu horizontal V (Volume).
1. **Proses Isobarik (misal, ekspansi):** Sebuah garis horizontal lurus dari kiri ke kanan (V₁ ke V₂) pada nilai P konstan. Pada tahap ini, tekanan tetap, volume bertambah, dan suhu meningkat. Sistem melakukan usaha positif.
2. **Proses Isokorik (misal, pendinginan):** Sebuah garis vertikal lurus dari atas ke bawah (P₁ ke P₂) pada nilai V konstan. Pada tahap ini, volume tetap, tekanan berkurang, dan suhu menurun. Usaha yang dilakukan nol.
3. **Proses Isotermik (misal, kompresi):** Sebuah kurva hiperbolik menurun dari kanan atas ke kiri bawah (V₂ ke V₁) yang menghubungkan titik akhir isokorik dengan titik awal isobarik, menjaga T konstan. Pada tahap ini, tekanan meningkat saat volume berkurang. Lingkungan melakukan usaha pada sistem, dan kalor dibuang untuk menjaga suhu konstan.
Siklus ini akan membentuk area tertutup pada diagram P-V, dengan luas area tersebut menyatakan usaha neto yang dilakukan dalam satu siklus.
5. Jelaskan konsep entropi dan bagaimana perubahannya dalam proses ireversibel. Berikan satu contoh proses ireversibel dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan peningkatan entropi.
Entropi adalah ukuran ketidakteraturan atau keacakan suatu sistem. Semakin tinggi entropi, semakin tidak teratur atau semakin tersebar energi dalam sistem tersebut.
Dalam proses ireversibel (proses yang terjadi secara spontan dan tidak dapat kembali ke keadaan semula tanpa meninggalkan jejak di lingkungan), entropi total alam semesta (sistem + lingkungan) selalu meningkat. Ini berarti bahwa tingkat ketidakteraturan atau keacakan alam semesta selalu bertambah.
Contoh proses ireversibel dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan peningkatan entropi adalah **melelehnya es batu di suhu ruangan**. Ketika es batu meleleh, molekul air dari bentuk padat yang teratur (es) menjadi bentuk cair yang kurang teratur (air). Energi panas dari ruangan (lingkungan) diserap oleh es, menyebabkan molekul air bergerak lebih bebas, sehingga entropi sistem (es/air) meningkat. Sementara itu, entropi lingkungan (ruangan) sedikit menurun karena kehilangan kalor, tetapi peningkatan entropi air jauh lebih besar daripada penurunan entropi ruangan, sehingga entropi total alam semesta meningkat.