Contoh enjin haba (aplikasi hukum termodinamik kedua)

9 Contoh masalah enjin haba (aplikasi hukum termodinamik kedua)

1. Dalam satu kitaran, sebuah enjin menyerap 3000 Joule haba daripada takungan suhu tinggi dan menolak 1000 Joule haba ke takungan suhu rendah. Tentukan kecekapan enjin haba tersebut!

Perbincangan
Enjin haba Istilah "carnot" dalam soalan di halaman ini tidak sama dengan enjin Carnot. Enjin Carnot ialah enjin haba yang ideal dan hanya wujud secara teori. Sebaliknya, enjin haba yang dirujuk dalam soalan ini ialah enjin haba sebenar, bukan enjin haba teori (enjin Carnot).
Dikenali :
Haba yang diserap (Q_H) = 3000 Joule
Haba yang dibebaskan (Q_L) = 1000 Joule
Kerja yang dihasilkan oleh mesin (W) = 3000 – 1000 = 2000 Joule
Ditanya Kecekapan enjin haba (e)
Jawab :

2. Sebuah enjin haba menghasilkan 2000 Joule kerja dan menolak 500 Joule haba dalam satu kitaran. Kecekapan enjin tersebut ialah…

Perbincangan
Dikenali :
Kerja yang dihasilkan oleh mesin (W) = 2000 Joule
Haba yang dibebaskan (Q_L) = 5000 Joule
Haba yang diserap (Q_H) = 2000 + 5000 = 7000 Joule
Ditanya Kecekapan enjin haba (e)
Jawab :

3. Sebuah enjin kereta mempunyai kecekapan sebanyak 30%. Jika enjin menghasilkan 10.000 Joule kerja setiap kitaran, berapakah haba yang ditolak oleh enjin setiap kitaran?
Perbincangan
Dikenali :
Kecekapan (e) = 30% = 30/100 = 0,3
Kerja yang dihasilkan oleh mesin (W) = 3000 Joule
Ditanya : Haba yang hilang oleh enjin setiap kitaran (Q_L)
Jawab :
Kirakan haba yang diserap (Q_H) menggunakan formula kecekapan (e) enjin haba:
Haba yang hilang setiap kitaran (Q_L) = haba yang diserap (Q_H) – kerja yang dijana (W)
Q_L = 10.000 Joule – 3000 Joule
Q_L = 7000 Joule

Kecekapan enjin haba, enjin Carnot

4. Sebuah enjin haba menyerap 3.000 Joule haba daripada takungan suhu tinggi dan menolak 2.400 Joule ke takungan suhu rendah. Kecekapan enjin tersebut ialah ….
A. 10%
B. 15%
C. 20%
D. 30%
E. 40%
Perbincangan:
Dikenali :
Q_H = 3000 Joule, Q_L = 2400 Joule.
Ditanya :
Kecekapan (e) enjin haba?
Jawab :
Jawapan yang betul ialah C.

5. Sebuah enjin Carnot mempunyai takungan suhu tinggi sebanyak 300 ^oC dan takungan suhu rendah 80 ^oC. Kecekapan mesin itu ialah…
A. 38%
B. 45%
C. 50%
D. 58%
E. 67%
Perbincangan:
Dikenali :
T_L = 80^oC = (80 + 273) K = 353 K
T_H = 300^oC = (300 + 273) K = 573 K
Jika suhu diketahui dalam unit Celsius, ia mesti ditukar kepada unit Kelvin (Kelvin ialah Sistem unit Antarabangsa untuk suhu).
Ditanya :
Kecekapan (e) enjin Carnot?
Jawab :

Jawapan yang betul ialah A.

6. Suhu tinggi takungan enjin Carnot ialah 600 K dan kecekapannya ialah 60%. Untuk mencapai kecekapan 70%, suhu tinggi takungan enjin Carnot mestilah...
A. 500 K
B. 800 K
C. 1000 K
D. 1200 K
E. 1500 K
Perbincangan:
Dikenali :
Data 1: T_H = 600 K, e = 60%
Data 2: T_H = …. K ?, e = 70 %
Ditanya :
Suhu tinggi (T_H)
Jawab :
Gunakan data 1 untuk mengira suhu rendah (T_L).
Gunakan T_L dan data 2 untuk mengira suhu tinggi (T_H):
Untuk mencapai kecekapan 70%, suhu tinggi = 800 Kelvin.
Jawapan yang betul ialah B.

7. Lihat graf PV enjin Carnot di bawah. Jika W = 5000 Joule, maka jumlah haba yang dibebaskan oleh enjin setiap kitaran ialah...
A. 2.315 Joule
B. 3.475 Joule
C. 3.750 Joule
D. 5.000 Joule
E. 5.600 Joule

Perbincangan:
Dikenali :
W = 5000 Joule
T_H = 780 K
T_L = 320 K
Ditanya :
Q₂ ?
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot:
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (320/780) = 1 – 0,41 = 0,59
Hanya 59% daripada haba digunakan untuk melakukan kerja. Gunakan data ini untuk mengira haba yang diserap oleh enjin Carnot (Q₁).
(0,59)(Q)₁) = 5000 Joule
Q₁ = 5000 Joule/0,59 = 8475 Joule
Jumlah haba yang diserap oleh enjin ialah 8475 Joule.
Jumlah haba yang dibebaskan oleh enjin setiap kitaran:
W = Q₁ - Q₂
5000 Joule = 8475 Joule – Q₂
Q₂ = 8475 Joule – 5000 Joule
Q₂ = 3475 Joule
Jawapan yang betul ialah B.

8. Lihat gambarajah PV enjin Carnot di bawah! Jika haba yang diserap (Q₁) = 8000 Joule maka kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot ialah…
A. 1640 J
B. 4720 J
C. 5640 J
D. 6270 J
E. 8840 J

Perbincangan:
Dikenali :
Q₁ = 8000 J
T_H = 820 K
T_L = 380 K
Ditanya :
W?
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot:
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (380/820) = 1 – 0,46 = 0,54
Hanya 54% daripada haba digunakan untuk melakukan kerja. Gunakan data ini untuk mengira kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot (W).
(0,59)(8000) = 4720 Joule
Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot ialah 4720 Joule.
Jawapan yang betul ialah B.

9. Sebuah enjin Carnot berfungsi di antara takungan haba 520 ^oC dan takungan sejuk 110 ^oC. Jika mesin itu menyerap 3000 Joule haba daripada takungan panas, maka jumlah haba yang ditolak daripada mesin itu ialah...
A. 450 joule
B. 800 joule
C. 1000 minit
D. 1200 joule
E. 1440 joule
Perbincangan:
Dikenali :
T_H = 520 + 273 = 793 K
T_L = 110 + 273 = 383 K
Q₁ = 3000 J
Ditanya :
Q₂ = … ?
Jawab :
Kecekapan enjin Carnot:
e = 1 – (383/793) = 1 – 0,48 = 0,52
Gunakan data ini untuk mengira kerja yang dilakukan oleh enjin (W)
(0,52)(3000) = 1560 Joule
Kerja yang dilakukan oleh mesin itu ialah 1560 Joule.
Jumlah haba yang dibebaskan oleh enjin:
Q₂ = 3000 Joule – 1560 Joule
Q₂ = 1440 Joule
Haba yang dibebaskan oleh enjin ialah 1440 Joule.