Contoh Soal Termodinamika beserta Pembahasannya untuk Kelas 11 SMA

Melihat materi termodinamika di SMA, banyak siswa merasa takut karena bingung dengan rumusnya yang beragam.

Padahal, kamu bisa mempelajari konsepnya kemudian mengerjakan contoh soal termodinamika beserta pembahasannya untuk menguji pemahaman. 🌡️🔥

Ingin tahu sejauh mana pemahamanmu pada materi termodinamika di kelas 11? Simak artikel berikut ini.

Contoh Soal Termodinamika beserta Pembahasannya

Termodinamika menjadi materi pada mata pelajaran fisika yang wajib kamu pelajari di bangku kelas 11 SMA. Materi ini mengkaji hubungan panas, kerja, dan energi terkait dengan perubahan panas menjadi kerja.

Penerapan termodinamika sangat erat dengan kehidupan sehari-hari, lho. Misalnya pada prinsip mesin pendingin di kulkas. Adanya freon akan menyerap kalor dari dalam kulkas (bagian dingin), kemudian melepaskan kalor tersebut ke luar ruangan.

Selain itu, termodinamika juga bisa kamu temukan ada cara kerja mesin mobil yang menyerap kalor dari pembakaran bensin berupa panas, kemudian mengubah sebagian menjadi usaha mekanik agar roda mobil dapat berputar. Perlu kamu ketahui bahwa tidak ada mesin yang 100% efisien, sesuai Hukum II Termodinamika.

Ada tiga jenis sistem termodinamika:

1. Sistem terbuka: terdapat pertukaran massa dan energi dengan lingkungan. Contoh: lautan
2. Sistem tertutup: terdapat pertukaran energi tapi tidak massa. Contoh: greenhouse
3. Sistem terisolasi: tidak ada pertukaran massa maupun energi. Contoh: tabung gas yang terisolasi, termos air panas

Saat belajar termodinamika, kamu juga wajib menguasai empat proses utama berikut ini:

• Isobarik: proses pada tekanan tetap (P tetap) | W = P·ΔV | Hukum I: ΔU = Q − W
• Isokhorik: proses pada volume tetap (V tetap), usaha = 0 | W = 0 | Hukum I: ΔU = Q
• Isotermal: proses pada suhu tetap (T tetap) | W = nRT ln(V₂/V₁) | Hukum I: ΔU = 0, Q = W
• Adiabatik: proses tanpa pertukaran kalor dengan lingkungan (Q = 0) | W = −ΔU | Hukum I: ΔU = −W

Efisiensi Mesin Carnot:

η = (1 − T₂/T₁) × 100%

Keterangan:
T₁ = suhu reservoir panas (Kelvin)
T₂ = suhu reservoir dingin (Kelvin)
Suhu wajib dalam satuan Kelvin (K = °C + 273)

Hubungan kalor, usaha, dan efisiensi:

η = W/Q₁ = (Q₁ − Q₂)/Q₁

Sekarang, sudah siap untuk mengerjakan contoh soal termodinamika beserta pembahasannya?

Soal 1

Proses Isobarik

Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobarik hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Apabila tekanan gas adalah 2 atm, berapa usaha luar yang dilakukan gas tersebut? (1 atm = 1,01 × 10⁵ Pa)

Diketahui:
V₁ = 2,0 m³
V₂ = 4,5 m³
P = 2 atm = 2 × 1,01 × 10⁵ = 2,02 × 10⁵ Pa
Ditanya: W
Jawab:
W = P × ΔV
W = P × (V₂ − V₁)
W = 2,02 × 10⁵ × (4,5 − 2,0)
W = 2,02 × 10⁵ × 2,5
W = 5,05 × 10⁵ joule
Karena V₂ > V₁, gas memuai maka gas melakukan usaha terhadap lingkungan (W bernilai positif).

Soal 2

Proses Isokhorik

Sejumlah gas dalam ruang tertutup menerima kalor sebesar 3.000 J pada proses isokhorik. Berapa perubahan energi dalam gas tersebut?

Diketahui:
Q = +3.000 J (menerima kalor)
Proses isokhorik maka V tetap dan W = 0
Ditanya: ΔU
Jawab:
ΔU = Q − W
ΔU = 3.000 − 0
ΔU = 3.000 J
Seluruh kalor yang diterima digunakan untuk menaikkan energi dalam gas karena tidak ada usaha yang dilakukan.

Soal 3

Hukum I Termodinamika

Sebuah sistem menerima kalor sebesar 800 J dari lingkungan dan melakukan usaha 500 J terhadap lingkungan. Berapa perubahan energi yang terjadi dalam sistem?

Diketahui:
Q = +800 J (sistem menerima kalor)
W = +500 J (sistem melakukan usaha)
Ditanya: ΔU
Jawab:
ΔU = Q − W
ΔU = 800 − 500
ΔU = 300 J
Energi dalam sistem bertambah 300 J.

Soal 4

Proses Adiabatik

Gas mengalami proses adiabatik dan menerima usaha dari luar sebesar 2.000 J. Berapa perubahan energi yang terjadi di dalam gas?

Diketahui:
Karena proses adiabatik, maka Q = 0
Gas menerima usaha dari luar maka W = −2.000 J (tanda negatif artinya usaha dilakukan pada sistem)
Ditanya: ΔU
Jawab:
ΔU = Q − W
ΔU = 0 − (−2.000)
ΔU = +2.000 J
Energi dalam gas meningkat karena menerima usaha dari lingkungan.

Soal 5

Efisiensi Mesin Carnot

Sebuah mesin Carnot bekerja di antara reservoir panas bersuhu 400°C dan reservoir dingin bersuhu 100°C. Berapa efisiensi mesin tersebut?

Diketahui:
T₁ = 400°C = 673 K
T₂ = 100°C = 373 K
Ditanya: η
Jawab:
η = (1 − T₂/T₁) × 100%
η = (1 − 373/673) × 100%
η = (1 − 0,554) × 100%
η ≈ 44,6%
Artinya, dari kalor yang diserap hanya 44,6% yang dapat diubah menjadi usaha. Sisanya dibuang ke reservoir dingin.

Soal 6

Mesin Carnot: Mencari Usaha

Suatu mesin kalor bekerja pada reservoir panas bersuhu 1.500 K dan reservoir dingin 750 K. Jika mesin menyerap kalor sebanyak 2.000 J, berapakah usaha maksimum yang dapat dilakukan?

Diketahui:
T₁ = 1.500 K
T₂ = 750 K
Q₁ = 2.000 J
Ditanya: W
Jawab:
Cari efisiensi terlebih dahulu:
η = (1 − T₂/T₁) = 1 − 750/1.500 = 1 − 0,5 = 0,5 → 50%
Setelah itu, cari usaha:
W = η × Q₁
W = 0,5 × 2.000
W = 1.000 J

Soal 7

Mesin Carnot: Mencari Kalor yang Dibuang

Dari soal 6 di atas, berapa kalor yang dibuang ke reservoir dingin (Q₂)?

Jawab:
Q₂ = Q₁ − W
Q₂ = 2.000 − 1.000
Q₂ = 1.000 J
Cara lain untuk menyelesaikannya:
Q₂ = Q₁ × (T₂/T₁)
= 2.000 × (750/1.500)
= 1.000 J

Soal 8

Analisis Proses Isobarik

Sebuah balon berisi gas ideal dipanaskan secara isobarik pada tekanan 1,5 × 10⁵ Pa. Volume gas berubah dari 3 m³ menjadi 5 m³. Apabila kalor yang diberikan sebesar 4,5 × 10⁵ J, maka perubahan energi dalam gas adalah…
A. 1,5 × 10⁵ J
B. 2,0 × 10⁵ J
C. 3,0 × 10⁵ J
D. 4,5 × 10⁵ J
E. 6,5 × 10⁵ J

Jawaban: A
Pembahasan:
W = P × ΔV = 1,5 × 10⁵ × (5 − 3) = 3,0 × 10⁵ J
ΔU = Q − W = 4,5 × 10⁵ − 3,0 × 10⁵ = 1,5 × 10⁵ J
Jangan lupa untuk menghitung usaha yang dilakukan karena seringkali banyak yang langsung menjawab D (menyamakan ΔU = Q) karena lupa menghitung W.

Soal 9

Proses Adiabatik dan Analisis Arah Usaha

Gas dalam silinder mengalami kompresi adiabatik. Piston menekan gas sehingga gas menerima usaha sebesar 3.500 J. Pernyataan yang tepat di bawah ini adalah…
A. Suhu gas turun karena tidak ada kalor masuk
B. Energi dalam gas berkurang 3.500 J
C. Energi dalam gas bertambah 3.500 J
D. Kalor yang dilepas gas sama dengan 3.500 J
E. Usaha yang dilakukan gas terhadap lingkungan adalah 3.500 J

Jawaban: C
Pembahasan:
Pada proses adiabatik, Q = 0
Gas menerima usaha dari luar maka W = −3.500 J (tanda negatif karena usaha dilakukan pada sistem)
ΔU = Q − W
= 0 − (−3.500)
= +3.500 J artinya energi dalam bertambah
suhu gas justru naik (bukan turun)

Soal 10

Mesin Carnot: Kalor yang Dibuang

Sebuah mesin Carnot menyerap kalor dari reservoir panas bersuhu 600 K dan membuang kalor ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Jika kalor yang dibuang ke reservoir dingin adalah 1.800 J, maka usaha yang dihasilkan mesin tersebut adalah…
A. 900 J
B. 1.200 J
C. 1.800 J
D. 2.400 J
E. 3.600 J

Jawaban: C
Pembahasan:
η = 1 − T₂/T₁ = 1 − 300/600 = 0,5 → 50%
Karena η = W/Q₁ dan Q₂/Q₁ = T₂/T₁:
Q₁ = Q₂ × (T₁/T₂) = 1.800 × (600/300) = 3.600 J
W = Q₁ − Q₂ = 3.600 − 1.800 = 1.800 J
Hindari langsung menjawab A (setengah dari 1.800) karena efisiensi 50%, padahal yang diketahui adalah Q₂ bukan Q₁. Jadi, kamu harus mencari Q₁ terlebih dahulu.

Kesalahan-Kesalahan saat Mengerjakan Soal Termodinamika

Takut terkena jebakan soal dan salah memilih jawaban? Hindari kesalahan yang seringkali terjadi tanpa disadari berikut ini.

1. Tidak mengkonversi satuan suhu ke Kelvin, misalnya saat ada soal terkait rumus efisiensi mesin Carnot. Jangan lupa juga menambahkan 273 pada rumus.
2. Keliru saat membaca tanda W karena bingung. Perlu kamu ketahui bahwa tanda W positif apabila sistem melakukan usaha terhadap lingkungan, sedangkan tanda W negatif saat menerima usaha dari lingkungan.
3. Tidak cermat saat membaca diagram P-V karena bingung. Jangan lupa bahwa luas area yang terdapat di bawah kurva diagram P-V merupakan nilai usaha yang dilakukan gas. Apabila prosesnya berjalan dari arah kiri ke kanan yang menunjukkan bahwa volumenya membesar, maka usahanya bernilai positif. Sebaliknya, jika arahnya dari kanan ke kiri yang menunjukkan bahwa volumenya mengecil, maka usahanya bernilai negatif.

Penutup

Setelah mengerjakan berbagai contoh soal termodinamika beserta pembahasannya di atas, apakah kamu sudah semakin paham?

Kamu bisa sukses mengerjakan soal-soal terkait termodinamika dengan mengidentifikasi prosesnya terlebih dahulu, mengecek satuan suhu, dan memperhatikan tanda positif-negatif pada Q dan W.

Jangan lupa untuk terus berlatih soal dengan tingkatan mudah hingga soal HOTS serta mengulang kembali teori tentang termodinamika jika masih kebingungan.

Mamikos juga menyediakan contoh soal untuk materi fisika yang lain seperti energi, gaya, dan hukum fisika bagi kamu yang duduk di bangku SMA. Selamat belajar! ✍️📚

---

Klik dan dapatkan info kost di dekat kampus idamanmu:

Kost Dekat UGM Jogja

Kost Dekat UNPAD Jatinangor

Kost Dekat UNDIP Semarang

Kost Dekat UI Depok

Kost Dekat UB Malang

Kost Dekat Unnes Semarang

Kost Dekat UMY Jogja

Kost Dekat UNY Jogja

Kost Dekat UNS Solo

Kost Dekat ITB Bandung

Kost Dekat UMS Solo

Kost Dekat ITS Surabaya

Kost Dekat Unesa Surabaya

Kost Dekat UNAIR Surabaya

Kost Dekat UIN Jakarta