Contoh enjin Carnot – enjin haba ideal (aplikasi hukum termodinamik kedua)

16 Contoh enjin Carnot – enjin haba ideal (aplikasi hukum termodinamik kedua)

1. Lihat graf P-V enjin Carnot di sisi! Jika haba yang diserap (Q1 ₎ = 10.000 joule, maka jumlah kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot ialah…

A. 1.500 J

B. 4.000 J

C. 5.000 J

D. 6.000 J

E. 8.000 J

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa :

Suhu rendah (T ₂ ) = 400 K

Suhu tinggi (T ₁ ) = 800 K

Haba yang diserap (Q1 ₎ = 10.000 Joule

Dikehendaki : Kerja yang dihasilkan oleh enjin Carnot (W)

Jawapan :

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

W = (1/2)(10.000) = 5000 Joule

Jawapan yang betul ialah C.

2. Lihat gambar di sebelah! Jumlah kerja yang dilakukan oleh enjin dalam satu kitaran ialah…

A. 300 J

B. 400 J

C. 500 J

D. 600 J

E. 700 J

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Suhu rendah (TL ₎ = 400 K

Suhu tinggi (TH ₎ = 600 K

Haba yang diserap (Q1 ₎ = 600 Joule

Dikehendaki : Kerja yang dihasilkan oleh enjin Carnot (W)

Jawapan:

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

W = (1/3)(600) = 200 Joule

Jawapan yang betul ialah E.

3. Lihat graf kitaran Carnot ABCDA di bawah! Berdasarkan data dalam graf, kecekapan enjin Carnot ialah…

A. 10%

B. 20%

C. 25%

D. 30%

E. 35%

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa :

Suhu rendah (TL ₎ = 350 K

Suhu tinggi (TH ₎ = 500 K

Soalan : Kecekapan enjin Carnot (e)

Jawapan :

Kecekapan enjin Carnot:

e = (TH _– TH ₎ / _TH

e = (500 – 350) / 500

e = 150 / 500

e = 0,3

e = 30/100 = 30%

Jawapan yang betul ialah D.

4. Dalam graf PV enjin Carnot berikut, takungan suhu tinggi ialah 600 K dan suhu rendah ialah 400 K. Jika kerja yang dilakukan oleh enjin ialah W, maka haba yang dibebaskan pada suhu rendah ialah...

A.W

B. 2 W

C. 3 W

D. 4 W

E. 6 B

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa :

Suhu rendah (TL ₎ = 400 K

Suhu tinggi (TH ₎ = 600 K

Soalan : Haba dibebaskan pada suhu rendah (S ₂ )

Jawapan :

Kecekapan enjin Carnot :

e = (TH _– TH ₎ / _TH

e = (600 – 400) / 600

e = 200 / 600

e = 1/3

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot :

W = e Q ₁

Penerangan: W = kerja yang dilakukan oleh mesin, e = kecekapan mesin, Q1 ₌ haba yang diserap oleh mesin.

W = (1/3)( _Q1 )

3W = _Q1

Haba yang dibebaskan pada suhu rendah :

S ₂ = S ₁ – W

S ₂ = 3W – W

Q ₂ = 2W

Jawapan yang betul ialah B.

5. Graf PV bagi kitaran Carnot kelihatan seperti rajah berikut. Jika 3.000 Joule haba dibebaskan ke persekitaran, maka haba yang diserap oleh sistem ialah…

A. 3.000 J

B. 4.000 J

C. 4.800 J

D. 6.000 J

E. 8.000 J

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa :

Suhu rendah (TL ₎ = 500 K

Suhu tinggi (TH ₎ = 800 K

Haba yang dibebaskan (Q ₂ ) = 3000 Joule

Soalan : Haba yang diserap oleh sistem ( _S1 )

Jawapan :

Kecekapan enjin Carnot :

e = (TH _– TH ₎ / _TH

e = (800 – 500) /8600

e = 300 / 800

e = 3/8

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot :

W = e Q ₁

W = (3/8)( _Q1 )

8W/3 = Q ₁

S ₂ = S ₁ – W

S ₂ = 8W/3 – 3W/3

S ₂ = 5W/3

3Q ₂ = 5W

W = 3Q _2/5 = 3(3000)/5 = 9000/5 = 1800

Haba yang diserap oleh sistem :

Q ₁ = W + Q ₂ = 1800 + 3000 = 4800 Joule

Jawapan yang betul ialah C.

6. Sebuah enjin Carnot menerima haba daripada takungan suhu tinggi pada 800 K dan mempunyai kecekapan 50%. Untuk mencapai kecekapan 80% sambil mengekalkan suhu takungan yang rendah, takungan suhu tinggi mesti ditukar menjadi….

A. 1.600 K

B. 2.000 K

C. 2.400 K

D. 4.000 K

E. 6.400 K

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Jika suhu tinggi (TH ₎ = 800 K, kecekapan (e) = 50% = 0,5

Soalan: Apakah suhu tertinggi (TH ₎ supaya kecekapan (e) = 80% = 0,8

Jawapan:

Suhu rendah = 400 Kelvin

Apakah suhu tinggi (TH ₎ supaya kecekapan (e) = 80%?

Suhu tinggi = 2.000 Kelvin

Jawapan yang betul ialah B.

7. Sebuah enjin Carnot yang beroperasi pada takungan suhu tinggi pada 600 K mempunyai kecekapan sebanyak 40%. Untuk mencapai kecekapan 75% dengan takungan suhu rendah kekal malar, takungan suhu tinggi mesti ditingkatkan kepada….

A. 480 K

B. 840 K

C. 900 K

D. 1028 K

E. 1440 K

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Jika suhu tinggi (TH ₎ = 600 K, kecekapan (e) = 40% = 0,4

Soalan: Apakah suhu tertinggi (TH ₎ supaya kecekapan (e) = 75% = 0,75

Jawapan:

Suhu rendah = 360 Kelvin

Apakah suhu tinggi (TH ₎ supaya kecekapan (e) = 75%?

Suhu tinggi = 1440 Kelvin

Jawapan yang betul ialah E.

8. Sebuah enjin Carnot menerima haba daripada takungan suhu tinggi pada 800 K dan mempunyai kecekapan 50%. Untuk mencapai kecekapan 80% sambil mengekalkan suhu takungan yang rendah, takungan suhu tinggi mesti ditukar kepada….

A. 1.600 K
B. 2.000 K
C. 2.400 K
D. 4.000 K
E. 6.400 K

Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Jika suhu tinggi (TH) = 800 K, kecekapan (e) = 50% = 0,5
Soalan: Apakah suhu tertinggi (TH) supaya kecekapan (e) = 80% = 0,8
Jawapan:
Suhu rendah = 400 Kelvin

Apakah suhu tinggi (TH) supaya kecekapan (e) = 80%?
Suhu tinggi = 2.000 Kelvin
Jawapan yang betul ialah B.

9. Sebuah enjin Carnot yang beroperasi pada takungan suhu tinggi pada 600 K mempunyai kecekapan sebanyak 40%. Untuk mencapai kecekapan 75% dengan takungan suhu rendah kekal malar, takungan suhu tinggi mesti ditingkatkan kepada….

A. 480 K
B. 840 K
C. 900 K
D. 1028 K
E. 1440 K

Perbincangan
Adalah diketahui bahawa:
Jika suhu tinggi (TH) = 600 K, kecekapan (e) = 40% = 0,4
Soalan: Apakah suhu tertinggi (TH) supaya kecekapan (e) = 75% = 0,75
Jawapan:
Suhu rendah = 360 Kelvin

Apakah suhu tinggi (TH) supaya kecekapan (e) = 75%?
Suhu tinggi = 1440 Kelvin
Jawapan yang betul ialah E.

10. Kecekapan enjin Carnot yang menyerap haba pada suhu 1200 Kelvin dan menolak haba pada suhu 300 Kelvin ialah…

Perbincangan
Dikenali :
Suhu tinggi (T_H) = 1200 K
Suhu rendah (T_L) = 300 K
Ditanya : Kecekapan enjin Carnot (e)
Jawab :
11. Enjin Carnot berfungsi dalam kitaran antara 727^oC dan 127^oC. Enjin itu menyerap 6000 Joule haba daripada takungan suhu tinggi. Kecekapan enjin dan kerja yang dilakukan oleh enjin dalam satu kitaran ialah…

Perbincangan
Dikenali :
Suhu tinggi (T_H) = 727^oC + 273 = 1000 K
Suhu rendah (T_L) = 127^oC + 273 = 400 K
Haba yang diserap (Q_H) = 6000 Joule
Ditanya : Kecekapan (e) dan kerja (W) yang dilakukan oleh enjin dalam satu kitaran
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot :
Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot :
W = eQ_H
W = (0,6)(6000)
W = 3600 Joule

12. Sebuah enjin Carnot berfungsi di antara takungan suhu tinggi 527^oC dan takungan suhu rendah 127^oC. Enjin Carnot menyerap 10.000 Joule haba daripada takungan panas. Jumlah haba yang ditolak oleh enjin dalam setiap kitaran ialah…
Perbincangan
Dikenali :
Suhu tinggi (T_H) = 527^oC + 273 = 800 K
Suhu rendah (T_L) = 127^oC + 273 = 400 K
Haba yang diserap (Q_H) = 10.000 Joule
Ditanya Haba yang ditolak oleh enjin setiap kitaran
Jawab :
Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):
Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:
W = eQ₁
W = (0,5)(10.000)
W = 5000 Joule
Haba yang dibebaskan oleh enjin setiap kitaran (Q_L) = haba yang diserap (Q_H) – kerja yang dilakukan (W)
Q_L = Q_H - W
Q_L = 10.000 - 5000
Q_L = 5000 Joule
Haba yang dihamburkan oleh enjin setiap kitaran = 5000 Joule

13. Tentukan kecekapan dan kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot dalam satu kitaran berdasarkan graf di bawah...
Perbincangan

Dikenali :
Suhu tinggi (T_H) = 800 K
Suhu rendah (T_L) = 300 K
Haba yang diserap (Q_H) = 1000 Joule
Ditanya : Kecekapan (e) dan kerja (W) yang dilakukan oleh enjin Carnot
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot :
Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot :
W = eQ_H
W = (0,625)(1000)
W = 625 Joule

14. Lihat graf kitaran Carnot ABCDA di bawah!
Berdasarkan data dalam graf, kecekapan enjin Carnot ialah…

A. 10%
B. 20%
C. 25%
D. 30%
E. 35%

Perbincangan
Dikenali :
Suhu rendah (T_L) = 350 K
Suhu tinggi (T_H) = 500 K
Ditanya : Kecekapan enjin Carnot (e)
Jawab :

Kecekapan enjin Carnot:
e = (T_H - T_L) / T_H
e = (500 – 350) / 500
e = 150 / 500
e = 0,3
e = 30/100 = 30%
Jawapan yang betul ialah D.

15. Dalam graf PV enjin Carnot berikut, takungan suhu tinggi ialah 600 K dan suhu rendah ialah 400 K. Jika perniagaan yang dilakukan oleh enjin ialah W, maka haba yang dibebaskan pada suhu rendah ialah...

A.W
B. 2 W
C. 3 W
D. 4 W
E. 6 B

Perbincangan
Dikenali :
Suhu rendah (T_L) = 400 K
Suhu tinggi (T_H) = 600 K
Ditanya Haba dibebaskan pada suhu rendah (Q₂)
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot :
e = (T_H - T_L) / T_H
e = (600 – 400) / 600
e = 200 / 600
e = 1/3
Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot :
W = eQ₁
Penerangan: W = kerja yang dilakukan oleh mesin, e = kecekapan mesin, Q₁ = haba yang diserap oleh mesin
W = (1/3)(Q)₁)
3W = Q₁
KAlor dilepaskan pada suhu rendah :
Q₂ = Q₁ - W
Q₂ = 3W–W
Q₂ = 2W
Jawapan yang betul ialah B.

16. Graf PV bagi kitaran Carnot kelihatan seperti rajah berikut. Jika haba yang dibebaskan ke persekitaran 3.000 Joule, maka haba yang diserap oleh sistem ialah…
A. 3.000 J
B. 4.000 J
C. 4.800 J
D. 6.000 J
E. 8.000 J
Perbincangan
Dikenali :
Suhu rendah (T_L) = 500 K
Suhu tinggi (T_H) = 800 K
Haba yang dibebaskan (Q₂) = 3000 Joule
Ditanya Haba yang diserap oleh sistem (Q₁)
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot :
e = (T_H - T_L) / T_H
e = (800 – 500) /8600
e = 300 / 800
e = 3/8
Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot :
W = eQ₁
W = (3/8)(Q)₁)
8W/3 = Q₁
 
Q₂ = Q₁ - W
Q₂ = 8W/3 – 3W/3
Q₂ = 5W/3
3Q₂ = 5W
W = 3Q₂/5 = 3(3000)/5 = 9000/5 = 1800
KAlor diserap oleh sistem :
Q₁ = W + Q₂ = 1800 + 3000 = 4800 Joule
Jawapan yang betul ialah C.

Sumber Soalan:

Soalan Fizik Peperiksaan Kebangsaan untuk Sekolah Menengah Atas/Sekolah Menengah Vokasional