Kumpulan Contoh Soal Taklukkan Siklus Carnot! Kumpulan 32+ Soal Fisika Paling Lengkap & Jawaban Auto Paham
Pilihan Ganda
1. 1. Mesin Carnot bekerja antara dua reservoir suhu 400 K dan 300 K. Berapakah efisiensi maksimum mesin ini?
A. 20%
B. 25%
C. 30%
D. 33.3%
2. 2. Pernyataan yang benar tentang proses isotermal dalam siklus Carnot adalah…
A. Tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem.
B. Suhu sistem tetap konstan.
C. Volume sistem tetap konstan.
D. Tekanan sistem tetap konstan.
3. 3. Jika sebuah mesin Carnot menyerap kalor 1000 J dari reservoir panas dan membuang 700 J ke reservoir dingin, berapakah usaha yang dilakukan oleh mesin?
A. 300 J
B. 700 J
C. 1000 J
D. 1700 J
4. 4. Dalam siklus Carnot, proses mana yang terjadi tanpa pertukaran kalor dengan lingkungan?
A. Isotermal
B. Isobarik
C. Isokorik
D. Adiabatik
5. 5. Sebuah mesin Carnot memiliki efisiensi 40%. Jika suhu reservoir dingin adalah 300 K, berapakah suhu reservoir panasnya?
A. 400 K
B. 450 K
C. 500 K
D. 550 K
6. 6. Apa yang menjadi tujuan utama dari siklus Carnot?
A. Menghasilkan usaha sebanyak mungkin.
B. Memindahkan kalor dari suhu rendah ke suhu tinggi.
C. Menentukan batas atas efisiensi mesin kalor.
D. Mengubah seluruh energi panas menjadi energi mekanik.
7. 7. Pada diagram P-V, proses adiabatik ditunjukkan oleh kurva yang…
A. Lebih landai dari isotermal.
B. Lebih curam dari isotermal.
C. Berbentuk garis lurus horizontal.
D. Berbentuk garis lurus vertikal.
8. 8. Manakah yang BUKAN merupakan karakteristik dari siklus Carnot ideal?
A. Reversibel.
B. Menggunakan gas ideal sebagai fluida kerja.
C. Tidak ada kehilangan energi akibat gesekan.
D. Efisiensinya bergantung pada jenis fluida kerja.
9. 9. Sebuah kulkas Carnot membuang kalor 1200 J ke dapur (300 K) dan mengambil kalor dari dalam kulkas (270 K). Berapakah kalor yang diambil dari dalam kulkas?
A. 1000 J
B. 1080 J
C. 1100 J
D. 1333 J
10. 10. Hukum Termodinamika Kedua menyatakan bahwa…
A. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.
B. Kalor secara spontan mengalir dari benda panas ke benda dingin.
C. Tidak mungkin membuat mesin kalor yang efisiensinya 100%.
D. Semua pilihan di atas benar.
11. 11. Jika efisiensi mesin Carnot adalah 100%, maka…
A. Suhu reservoir dingin adalah 0 K.
B. Suhu reservoir panas adalah tak hingga.
C. Tidak ada kalor yang dibuang ke reservoir dingin.
D. Semua pilihan di atas benar.
12. 12. Dalam siklus Carnot, perubahan entropi total sistem dan lingkungan adalah…
A. Positif
B. Negatif
C. Nol
D. Tidak dapat ditentukan
13. 13. Sebuah mesin kalor beroperasi dengan suhu reservoir panas 800 K dan membuang kalor ke reservoir dingin 400 K. Jika mesin tersebut melakukan usaha 1000 J, berapakah kalor yang diserap dari reservoir panas?
A. 2000 J
B. 1500 J
C. 1333.3 J
D. 1200 J
14. 14. Koefisien kinerja (COP) untuk mesin pendingin Carnot ideal adalah…
A. T_h / (T_h – T_c)
B. T_c / (T_h – T_c)
C. (T_h – T_c) / T_c
D. (T_h – T_c) / T_h
15. 15. Proses ekspansi isotermal dalam siklus Carnot melibatkan…
A. Penyerapan kalor dan peningkatan suhu.
B. Penyerapan kalor dan suhu konstan.
C. Pelepasan kalor dan penurunan suhu.
D. Pelepasan kalor dan suhu konstan.
16. 16. Mengapa siklus Carnot disebut siklus ideal?
A. Karena efisiensinya selalu 100%.
B. Karena dapat dibuat dengan mudah di laboratorium.
C. Karena tidak ada proses yang reversibel di dalamnya.
D. Karena semua prosesnya reversibel dan tidak ada kehilangan energi.
17. 17. Berapa nilai efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh mesin kalor yang beroperasi antara 127 °C dan 27 °C?
A. 25%
B. 30%
C. 33.3%
D. 40%
18. 18. Jika sebuah mesin Carnot membuang kalor 800 J pada suhu 300 K dan menyerap kalor dari reservoir 400 K, berapakah kalor yang diserapnya?
A. 1000 J
B. 1067 J
C. 1200 J
D. 1500 J
19. 19. Pada diagram P-V untuk siklus Carnot, area yang dilingkupi oleh siklus menunjukkan…
A. Kalor yang diserap.
B. Kalor yang dibuang.
C. Usaha netto yang dilakukan.
D. Perubahan energi internal.
20. 20. Proses kompresi adiabatik dalam siklus Carnot menyebabkan…
A. Peningkatan volume dan penurunan suhu.
B. Penurunan volume dan peningkatan suhu.
C. Penurunan volume dan suhu konstan.
D. Peningkatan volume dan suhu konstan.
Isian Singkat
1. 1. Siklus Carnot terdiri dari empat proses reversibel, yaitu dua proses ______ dan dua proses ______.
2. 2. Efisiensi mesin Carnot ideal hanya bergantung pada suhu ______ dan suhu ______.
3. 3. Satuan suhu yang harus digunakan dalam perhitungan efisiensi Carnot adalah ______.
4. 4. Jika sebuah mesin Carnot memiliki efisiensi 100%, ini berarti suhu reservoir dinginnya adalah ______ K.
5. 5. Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot adalah selisih antara kalor yang diserap dari reservoir ______ dan kalor yang dibuang ke reservoir ______.
Uraian
1. 1. Jelaskan secara singkat empat tahapan proses dalam siklus Carnot pada diagram P-V, dan sebutkan karakteristik utama dari setiap tahapan (misalnya, pertukaran kalor, perubahan suhu, volume, tekanan).
2. 2. Sebuah mesin Carnot menyerap kalor 1500 J dari reservoir panas pada 500 K. Jika efisiensi mesin adalah 30%, hitunglah:
a. Kalor yang dibuang ke reservoir dingin.
b. Usaha yang dilakukan oleh mesin.
c. Suhu reservoir dingin.
3. 3. Jelaskan mengapa efisiensi mesin kalor nyata selalu lebih rendah daripada efisiensi mesin Carnot yang beroperasi antara suhu yang sama.
4. 4. Tuliskan rumus efisiensi mesin Carnot dan jelaskan setiap variabelnya. Mengapa suhu harus dalam Kelvin?
5. 5. Sebuah kulkas bekerja sebagai mesin Carnot terbalik. Jelaskan prinsip kerjanya dan apa yang dimaksud dengan koefisien kinerja (COP) untuk kulkas.
Mencocokkan
1. 1. Cocokkan proses dengan karakteristiknya:
- Ekspansi Isotermal
- Kompresi Adiabatik
- Reservoir Panas
- Reservoir Dingin
Pasangan yang benar adalah…
A. 1-a, 2-b, 3-c, 4-d
B. 1-b, 2-a, 3-d, 4-c
C. 1-c, 2-a, 3-b, 4-d
D. 1-d, 2-c, 3-b, 4-a
- a. Suhu naik, volume turun, tidak ada pertukaran kalor.
- b. Sumber kalor untuk mesin.
- c. Menyerap kalor, suhu konstan, volume naik.
- d. Menerima pembuangan kalor dari mesin.
2. 2. Cocokkan besaran dengan simbolnya dalam rumus efisiensi Carnot:
- Efisiensi
- Suhu reservoir panas
- Suhu reservoir dingin
- Usaha
Pasangan yang benar adalah…
A. 1-a, 2-b, 3-c, 4-d
B. 1-b, 2-d, 3-c, 4-a
C. 1-c, 2-d, 3-a, 4-b
D. 1-d, 2-c, 3-b, 4-a
- a. W
- b. η
- c. T_c
- d. T_h
Kunci Jawaban dan Pembahasan
Pilihan Ganda
1. B
Pembahasan: Efisiensi Carnot (η) = 1 – (T_rendah / T_tinggi) = 1 – (300 K / 400 K) = 1 – 0.75 = 0.25 atau 25%.
2. B
Pembahasan: Proses isotermal adalah proses di mana suhu sistem dijaga konstan.
3. A
Pembahasan: Usaha (W) = Kalor diserap (Q_h) – Kalor dibuang (Q_c) = 1000 J – 700 J = 300 J.
4. D
Pembahasan: Proses adiabatik adalah proses termodinamika di mana tidak ada pertukaran panas atau massa antara sistem dan lingkungannya.
5. C
Pembahasan: η = 1 – (T_c / T_h) → 0.40 = 1 – (300 / T_h) → 300 / T_h = 1 – 0.40 = 0.60 → T_h = 300 / 0.60 = 500 K.
6. C
Pembahasan: Siklus Carnot adalah siklus ideal yang menunjukkan efisiensi teoritis maksimum yang dapat dicapai oleh mesin kalor mana pun yang beroperasi antara dua suhu tertentu.
7. B
Pembahasan: Kurva adiabatik lebih curam daripada kurva isotermal pada diagram P-V karena pada proses adiabatik, suhu juga berubah, menyebabkan perubahan tekanan yang lebih drastis untuk perubahan volume yang sama dibandingkan isotermal.
8. D
Pembahasan: Efisiensi siklus Carnot hanya bergantung pada suhu reservoir panas dan dingin, bukan pada jenis fluida kerja.
9. B
Pembahasan: Untuk kulkas, Q_c / T_c = Q_h / T_h. Jadi, Q_c = Q_h × (T_c / T_h) = 1200 J × (270 K / 300 K) = 1200 J × 0.9 = 1080 J.
10. C
Pembahasan: Hukum Termodinamika Kedua, khususnya dalam formulasi Kelvin-Planck, menyatakan bahwa tidak mungkin membangun mesin kalor yang beroperasi dalam siklus dan menghasilkan efek bersih berupa penyerapan kalor dari satu reservoir dan menghasilkan usaha. Ini berarti efisiensi 100% tidak mungkin tercapai. Pilihan B adalah salah satu pernyataan dari Hukum Kedua (Clausius).
11. D
Pembahasan: Jika T_c = 0 K, maka η = 1 – (0 / T_h) = 1, atau 100%. Jika T_h mendekati tak hingga, efisiensi juga mendekati 100%. Jika efisiensi 100%, semua kalor diubah menjadi usaha, sehingga Q_c = 0.
12. C
Pembahasan: Siklus Carnot adalah siklus reversibel, sehingga perubahan entropi total (sistem + lingkungan) untuk satu siklus penuh adalah nol.
13. A
Pembahasan: η = 1 – (T_c / T_h) = 1 – (400 / 800) = 1 – 0.5 = 0.5 atau 50%. Karena η = W / Q_h, maka Q_h = W / η = 1000 J / 0.5 = 2000 J.
14. B
Pembahasan: COP_pendingin = Q_c / W = Q_c / (Q_h – Q_c). Karena Q_c / Q_h = T_c / T_h, maka Q_h = Q_c × (T_h / T_c). Substitusi: COP_pendingin = Q_c / (Q_c × (T_h / T_c) – Q_c) = 1 / ((T_h / T_c) – 1) = 1 / ((T_h – T_c) / T_c) = T_c / (T_h – T_c).
15. B
Pembahasan: Dalam ekspansi isotermal, sistem menyerap kalor dari reservoir panas dan melakukan usaha, sementara suhunya dijaga konstan.
16. D
Pembahasan: Siklus Carnot adalah ideal karena semua prosesnya diasumsikan reversibel, dan tidak ada kerugian energi akibat gesekan atau transfer panas irreversibel, sehingga mencapai efisiensi maksimum yang mungkin secara teoritis.
17. A
Pembahasan: T_h = 127 °C = 127 + 273 = 400 K. T_c = 27 °C = 27 + 273 = 300 K. η = 1 – (T_c / T_h) = 1 – (300 K / 400 K) = 1 – 0.75 = 0.25 atau 25%.
18. B
Pembahasan: Q_c / T_c = Q_h / T_h → Q_h = Q_c × (T_h / T_c) = 800 J × (400 K / 300 K) = 800 J × (4/3) = 3200/3 J ≈ 1067 J.
19. C
Pembahasan: Area yang dilingkupi oleh kurva siklus pada diagram P-V merepresentasikan usaha netto yang dilakukan oleh sistem selama satu siklus.
20. B
Pembahasan: Dalam kompresi adiabatik, gas dikompresi (volume berkurang) tanpa pertukaran kalor, sehingga usaha dilakukan pada gas, menyebabkan suhunya meningkat.
Isian Singkat
1. isotermal, adiabatik
2. reservoir panas, reservoir dingin
3. Kelvin
4. 0
5. panas, dingin
Uraian
1. 1. **Ekspansi Isotermal (A→B)**: Gas menyerap kalor (Q_h) dari reservoir panas (T_h), volume bertambah, tekanan berkurang, suhu konstan (T_h). Usaha dilakukan oleh gas.
2. **Ekspansi Adiabatik (B→C)**: Gas berekspansi tanpa pertukaran kalor (Q=0), volume bertambah, tekanan berkurang lebih cepat, suhu menurun dari T_h ke T_c. Usaha dilakukan oleh gas.
3. **Kompresi Isotermal (C→D)**: Gas membuang kalor (Q_c) ke reservoir dingin (T_c), volume berkurang, tekanan bertambah, suhu konstan (T_c). Usaha dilakukan pada gas.
4. **Kompresi Adiabatik (D→A)**: Gas dikompresi tanpa pertukaran kalor (Q=0), volume berkurang, tekanan bertambah lebih cepat, suhu meningkat dari T_c kembali ke T_h. Usaha dilakukan pada gas.
2. a. η = (Q_h – Q_c) / Q_h → 0.30 = (1500 – Q_c) / 1500 → 450 = 1500 – Q_c → Q_c = 1500 – 450 = 1050 J.
b. W = Q_h – Q_c = 1500 J – 1050 J = 450 J.
c. η = 1 – (T_c / T_h) → 0.30 = 1 – (T_c / 500) → T_c / 500 = 1 – 0.30 = 0.70 → T_c = 0.70 × 500 = 350 K.
3. Efisiensi mesin kalor nyata selalu lebih rendah dari mesin Carnot karena mesin nyata melibatkan proses irreversibel seperti gesekan, transfer panas melalui perbedaan suhu yang terbatas (bukan isotermal ideal), dan pencampuran fluida. Siklus Carnot mengasumsikan semua proses reversibel sempurna, tidak ada gesekan, dan transfer panas terjadi pada suhu konstan yang sempurna, yang tidak mungkin dicapai dalam praktik.
4. Rumus efisiensi mesin Carnot adalah η = 1 – (T_c / T_h).
* η: Efisiensi mesin Carnot (nilai tanpa satuan, biasanya dinyatakan dalam persentase).
* T_c: Suhu reservoir dingin (dalam Kelvin).
* T_h: Suhu reservoir panas (dalam Kelvin).
Suhu harus dalam Kelvin karena skala Kelvin adalah skala suhu mutlak, di mana 0 K (nol mutlak) adalah titik terendah yang mungkin secara teoritis. Penggunaan skala Celsius atau Fahrenheit akan menghasilkan nilai efisiensi yang tidak konsisten atau bahkan tidak masuk akal (misalnya, efisiensi > 1 atau < 0) karena skala tersebut tidak memiliki titik nol mutlak yang sama dengan energi termal nol.
5. Prinsip kerja kulkas sebagai mesin Carnot terbalik adalah memindahkan kalor dari reservoir bersuhu rendah (bagian dalam kulkas) ke reservoir bersuhu tinggi (lingkungan luar, seperti dapur) dengan melakukan usaha dari luar. Ini berlawanan dengan aliran kalor alami.
Koefisien Kinerja (COP) untuk kulkas (COP_R) adalah ukuran efisiensi kulkas, didefinisikan sebagai rasio kalor yang diambil dari reservoir dingin (Q_c) terhadap usaha yang dilakukan untuk memindahkannya (W).
COP_R = Q_c / W.
Untuk kulkas Carnot ideal, COP_R = T_c / (T_h – T_c), di mana T_c adalah suhu reservoir dingin dan T_h adalah suhu reservoir panas, keduanya dalam Kelvin. Semakin tinggi nilai COP, semakin efisien kulkas tersebut.
Mencocokkan
1. C
Pembahasan: 1-c (Ekspansi Isotermal: Menyerap kalor, suhu konstan, volume naik), 2-a (Kompresi Adiabatik: Suhu naik, volume turun, tidak ada pertukaran kalor), 3-b (Reservoir Panas: Sumber kalor untuk mesin), 4-d (Reservoir Dingin: Menerima pembuangan kalor dari mesin).
2. B
Pembahasan: 1-b (Efisiensi: η), 2-d (Suhu reservoir panas: T_h), 3-c (Suhu reservoir dingin: T_c), 4-a (Usaha: W).