Contoh soalan termodinamik

20 Contoh Soalan Termodinamik

Proses Termodinamik

1. Dalam termodinamik, gas ideal mengalami proses isoterma jika…

A. perubahan dalam keadaan gas, suhu sentiasa malar

B. semua molekul bergerak pada kelajuan yang berbeza

C. Semua keadaan gas sentiasa berubah suhu

D. pada suhu tinggi kelajuan molekul adalah lebih tinggi

E. tekanan dan isipadu gas tidak berubah

Perbincangan

Isoterma atau isotermik bermaksud suhu malar.

Jawapan yang betul ialah A.

2. Semua gas ideal mengalami proses isokorik jadi...

A. semua molekul mempunyai kelajuan yang sama

B. pada suhu tinggi, kelajuan purata molekul adalah lebih besar

C. tekanan gas kekal malar

D. gas akan melakukan kerja

E. tidak mempunyai tenaga dalaman

Perbincangan

Isokorik = isipadu malar.

Jawapan yang betul ialah B.

3. Pernyataan yang benar tentang proses termodinamik adalah…

A. Isobarik ialah proses perubahan gas pada tekanan malar.

B. Isobarik ialah proses perubahan gas pada suhu malar.

C. Isokorik ialah proses perubahan gas pada tekanan malar.

D. isoterma ialah proses perubahan gas pada isipadu malar.

E. Isokorik ialah proses perubahan gas pada suhu malar.

Perbincangan

Isobarik = tekanan malar

Isokorik = isipadu malar

Isotermik = suhu malar

Jawapan yang betul ialah A.

Hukum Termodinamik Pertama

4. Daripada graf PV di bawah, jumlah kerja gas dalam proses I dan II adalah berkadar terus dengan...

A.4 : 3

B.3 : 4

C.2 : 3

D.1 : 2

E.1 : 1

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Proses 1:

Tekanan (P) = 20 N/m²

Isipadu awal (V₁) = 10 liter = 10 dm³ = 10 x 10^-3 m³

Isipadu akhir (V₂) = 40 liter = 40 dm³ = 40 x 10^-3 m³

Proses 2:

Tekanan (P) = 15 N/m²

Isipadu awal (V₁) = 20 liter = 20 dm³ = 20 x 10^-3 m³

Isipadu akhir (V₂) = 60 liter = 60 dm³ = 60 x 10^-3 m³

Ditanya:

Jawapan:

Kerja gas dalam proses I:

W = P ΔV = P (V₂–V₁) = (20)(40-10)(10^-3 m³) = (20)(30)(10^-3 m³) = (600)(10^-3 m³) = 0,6m³

Kerja gas dalam proses II:

W = P ΔV = P (V₂–V₁) = (15)(60-20)(10^-3 m³) = (15)(40)(10^-3 m³) = (600)(10^-3 m³) = 0,6m³

Perbandingan kerja gas dalam proses I dan II:

0,6m³ : 0,6 m³

1: 1

Jawapan yang betul ialah E.

5. Daripada graf P – V, jumlah kerja gas dalam proses I dan II adalah berkadar terus dengan...

A.4 : 3

B.3 : 4

C.2 : 3

D.1 : 2

E.1 : 1

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Proses I:

Tekanan (P) = 20 Pascal

Jilid 1 (V)₁) = 10 liter

Jilid 2 (V)₂) = 40 liter

Proses II:

Tekanan (P) = 15 Pascal

Jilid 1 (V)₁) = 20 liter

Jilid 2 (V)₂) = 60 liter

Ditanya: Perbandingan kerja gas dalam proses I dan II

Jawapan:

Proses termodinamik berdasarkan graf di atas ialah proses isobarik (tekanan malar).

Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses I:

W = P (V₂ - V₁)

W = (20)(40 – 10)

W = (20)(30)

W=600

Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses II:

W = P (V₂ - V₁)

W = (15)(60 – 20)

W = (15)(40)

W=600

Perbandingan kerja gas dalam proses I dan II:

600: 600

1: 1

Jawapan yang betul ialah E.

6. Gas helium dipanaskan mengikut graf PV di bawah. Kerja yang dilakukan oleh gas helium dalam proses AB ialah...

A. 15 joule

B. 10 joule

C. 8 joule

D. 4 joule

E. 2 joule

Perbincangan

Dikenali :

Tekanan (P) = 2 x 10⁵ N / m² = 2 x 10⁵ Pascal

Isipadu awal (V₁) = 5cm³ = 5 x 10^-6 m³

Isipadu akhir (V₂) = 15cm³ = 15 x 10^-6 m³

Ditanya Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses AB

Jawab :

W = ∆P ∆V

W = P (V₂ - V₁)

W = (2 x 10⁵)(15 x 10^-6 - 5 x 10^-6)

W = (2 x 10⁵)(10 x 10^-6) = (2 x 10⁵)(1 x 10^-5)

W = 2 Joule

Jawapan yang betul ialah E.

7. Lihat gambar! Gas ideal mengalami proses perubahan tekanan (P) berbanding isipadu (V). Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses ini ialah…

A. 20 Joule

B. 15 Joule

C. 10 Joule

D. 5 Joule

E. 4 Joule

Perbincangan

Dikenali :

Tekanan awal (P₁) = 4 Pa ​​​​= 4 N/m²

Tekanan akhir (P₂) = 6 Pa ​​​​= 6 N/m²

Isipadu awal (V₁) = 2m³

Isipadu akhir (V₂) = 4m³

Ditanya Kerja yang dilakukan oleh gas (W)

Jawab :

Kerja yang dilakukan oleh gas = luas di bawah lengkung ab.

W = luas segi tiga + luas segi empat tepat

W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)

W = ½ (2)(2) + 4(2)

W = 2 + 8

W = 10 Joule

Jawapan yang betul ialah E.

8. Gas ideal menjalani proses tertutup A → B → C → A. Dalam satu kitaran, gas tersebut melakukan kerja yang berjumlah….

A. -2,0 x 10³ J

B. -5,5 x 10³ J

C. -8,0 x 10⁵ J

D. 2,0 x 10⁶ J

E. 4,0 x 10⁶ J

Perbincangan

Kerja (W) = luas lengkung (luas segitiga di dalam garis yang ditanda dengan anak panah).

W = ½ (20-10)(6 x 10⁵ - 2 x 10⁵)

W = ½ (10)(4 x 10⁵)

W = (5)(4 x 10⁵)

W = 20 x 10⁵ = 2 x 10⁶ Joule

Jawapan yang betul ialah D.

Enjin Haba

9. Sebuah enjin menyerap 2.000 Joule haba daripada takungan suhu tinggi dan menolak 1.200 Joule ke takungan suhu rendah. Kecekapan enjin tersebut ialah ….

A. 80%

B. 75%

C. 60%

D. 50%

E. 40%

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Haba yang diserap (Q_H) = 2000 Joule

Haba yang dibebaskan (Q_L) = 1200 Joule

Kerja yang dihasilkan oleh mesin (W) = 2000 – 1200 = 800 Joule

Ditanya Kecekapan enjin haba (e)

Jawab :

Formula untuk kecekapan enjin haba:

e = W / Q_H = 800/2000 = 0,4 x 100% = 40%

Jawapan yang betul ialah E.

Enjin Carnot

10. Kecekapan enjin Carnot yang kitarannya menyerap haba pada suhu 960 K dan menolak haba pada suhu 576 K ialah...

A. 40%

B. 50%

C. 56%

D. 60%

E. 80%

Perbincangan

Dikenali :

Suhu tinggi (T_H) = 960 K

Suhu rendah (T_L) = 576 K

Ditanya : Kecekapan enjin Carnot (e)

Jawab :

Kecekapan enjin Carnot ialah 0,4 x 100% = 40%

Jawapan yang betul ialah A.

11. Dalam graf PV enjin Carnot di bawah, W = 6.000 Joule. Jumlah haba yang dibebaskan oleh enjin setiap kitaran ialah…

A. 2.250 joule

B. 3.000 joule

C. 3.750 joule

D. 6.000 joule

E. 9.600 joule

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Kerja (W) = 6000 Joule

Suhu tinggi (T_H) = 800 Kelvin

Suhu rendah (T_L) = 300 Kelvin

Ditanya: Q

Jawapan:

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Haba yang diserap oleh enjin Carnot:

W = eQ₁

6000 = (0,625) Q₁

Q₁ = 6000/0,625

Q₁ = 9600

Haba yang dibebaskan oleh enjin Carnot:

Q₂ = Q₁ - W

Q₂ = 9600 - 6000

Q₂ = 3600 Joule

Tiada jawapan yang betul.

12. Sebuah enjin Carnot dengan kecekapan 40% menggunakan takungan panas pada suhu 727°C. Tentukan suhu takungan sejuk itu!

A. 327°C

B. 357°C

C. 400°C

D. 600°C

E. 627°C

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Kecekapan (e) = 40% = 40/100 = 0,4

Suhu tinggi (T_H) = 727^oC + 273 = 1000 K

Ditanya: Tentukan suhu takungan sejuk

Jawapan:

Suhu takungan ialah 600–273 = 327^oC

Jawapan yang betul ialah A.

13. Graf P-V bagi sebuah enjin Carnot kelihatan seperti rajah berikut! Jika enjin menyerap 800 J haba, maka kerja yang dilakukan ialah…

A. 105,5 J

B. 252,6 J

C. 336,6 J

D. 466,7 J

E. 636,7 J

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Suhu tinggi (T_H) = 600 Kelvin

Suhu rendah (T_L) = 250 Kelvin

Haba yang diserap (Q₁) = 800 Joule

Ditanya: Perniagaan (W)

Jawapan:

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Usaha-usaha yang telah dilakukan adalah:

W = eQ₁

W = (7/12)(800 Joule)

W = 466,7 Joule

Jawapan yang betul ialah D.

14. Sebuah enjin Carnot beroperasi pada suhu tinggi 600 K untuk menghasilkan kerja mekanikal. Jika enjin menyerap 600 J haba pada suhu rendah 400 K, maka kerja yang dihasilkan ialah….

A. 120 J

B. 124 J

C. 135 J

D. 148 J

E. 200 J

Perbincangan

Dikenali :

Suhu rendah (T_L) = 400 K

Suhu tinggi (T_H) = 600 K

Haba yang diserap (Q₁) = 600 Joule

Ditanya Kerja yang dihasilkan oleh enjin Carnot (W)

Jawab :

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Kerja yang dilakukan oleh enjin Carnot:

W = eQ₁

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

Jawapan yang betul ialah E.

Teori Kinetik Gas dan Termodinamik

15. Dalam sebuah tangki terdapat gas ideal dengan isipadu 4 liter, suhu 27^oC dan tekanan 3 atm (1 atm = 10⁵ Nm^-2Gas tersebut menjalani proses pemanasan pada tekanan malar hingga suhu 87^oC. Muatan haba gas ialah 9 JK^-1 Isipadu akhir gas dan perubahan tenaga dalaman gas masing-masing adalah…

A. 4,2 liter, ΔU = 200 Joule

B. 4,4 liter, ΔU = 240 Joule

C. 4,6 liter, ΔU = 280 Joule

D. 4,8 liter, ΔU = 300 Joule

E. 4,8 liter, ΔU = 360 Joule

Perbincangan

Proses isobarik (tekanan malar)

Adalah diketahui bahawa:

Isipadu awal gas ideal (V₁) = 4 liter

Suhu awal gas ideal (T₁) = 27^oC + 273 = 300 K

Suhu akhir gas ideal (T₂) = 87^oC + 273 = 360 K

Tekanan gas ideal (P) = 3 atm = 3 x 10⁵ Nm^-2

Muatan haba gas (C) = 9 JK^-1

Ditanya: Isipadu akhir gas (V₂) dan Perubahan tenaga dalam gas (ΔU)

Jawapan:

Kira isipadu akhir menggunakan formula hukumum Charles (proses isobarik atau tekanan malar):

Perubahan Kelantangan:

1 liter = 0,001 m³

Isipadu awal (V₁) = 4 (0,001 m³) = 0,004m³

Isipadu akhir (V₂) = 4,8 (0,001 m³) = 0,0048m³

Tukar volume (ΔV) = V₂ - V₁ = 0,0048m³ - 0,004 m³ = 0,008 m³.

Perubahan Suhu:

Perubahan suhu (ΔT) = T₂ - T₁ = 360 K – 300 K = 60 K

Kirakan perubahan tenaga dalaman (ΔU) bagi gas ideal menggunakan formula untuk Hukum Termodinamik Pertama:

ΔU = Q – W

Penerangan: ΔU = perubahan tenaga dalaman, Q = haba, W = kerja.

Kirakan kerja (W) pada tekanan malar:

W = P ΔV = (3 x 10⁵)(0,0008) = (3x10¹)(8) = (30)(8) = 240 Joule

Kira haba (Q) menggunakan formula muatan haba (C):

C = Q / ΔT

Q = (C)(ΔT) = (9)(60) = 540 Joule

Kirakan perubahan tenaga dalaman:

ΔU = Q – W = 540 Joule – 240 Joule = 300 Joule.

Jawapan yang betul ialah D.

16. Dalam sebuah tangki terdapat 6 liter gas ideal pada tekanan 2 atm (1 atm = 10⁵ Nm^-2), suhu 27^oC. Gas itu dipanaskan pada suhu 77^oC pada tekanan malar. Jika muatan haba gas ialah 5 JK^-1, isipadu akhir dan perubahan tenaga dalaman gas itu masing-masing ialah….

A. 8 liter; ΔU = 250 Joule

B. 8 liter; ΔU = 200 Joule

C. 7 liter; ΔU = 100 Joule

D. 7 liter; ΔU = 50 Joule

E. 7 liter; ΔU = 20 Joule

Perbincangan

Proses isobarik (tekanan malar)

Adalah diketahui bahawa:

Isipadu awal gas ideal (V₁) = 6 liter

Suhu awal gas ideal (T₁) = 27^oC + 273 = 300 K

Suhu akhir gas ideal (T₂) = 77^oC + 273 = 350 K

Tekanan gas ideal (P) = 2 atm = 2 x 10⁵ Nm^-2

Muatan haba gas (C) = 5 JK^-1

Ditanya: Isipadu akhir gas (V₂) dan Perubahan tenaga dalam gas (ΔU)

Jawapan:

Kira isipadu akhir menggunakan formula hukumum Charles (proses isobarik atau tekanan malar):

Perubahan Kelantangan:

1 liter = 0,001 m³

Isipadu awal (V₁) = 6 (0,001 m³) = 0,006m³

Visipadu akhir (V₂) = 7 (0,001 m³) = 0,007m³

Perubahan isipadu (ΔV) = V₂ - V₁ = 0,007 m³ - 0,006 m³ = 0,001 m³.

Perubahan Suhu:

Perubahan suhu (ΔT) = T₂ - T₁ = 350 K – 300 K = 50 K

Kirakan perubahan tenaga dalaman (ΔU) bagi gas ideal menggunakan formula untuk Hukum Termodinamik Pertama:

ΔU = Q – W

Penerangan: ΔU = perubahan tenaga dalaman, Q = haba, W = kerja.

Kirakan kerja (W) pada tekanan malar:

W = P ΔV = (2 x 10⁵)(0,001) = (2x10²) (1) = (200)(1) = 200 Joule

Kira haba (Q) menggunakan formula muatan haba (C):

C = Q / ΔT

Q = (C)(ΔT) = (5)(50) = 250 Joule

Kirakan perubahan tenaga dalaman:

ΔU = Q – W = 250 Joule – 200 Joule = 50 Joule.

Jawapan yang betul ialah D.

Proses Termodinamik

17. Perhatikan graf di sebelah dan pernyataan berikut!

(1) Proses AB adalah isobarik dan W = P (V₂ - V₁)

(2) Proses BC adalah adiabatik, dan ΔU = Q

(3) Proses BC adalah isokorik, dan ΔU = Q

(4) Proses CA adalah isoterma, dan sistem menyerap haba.

Pernyataan yang betul ialah…

A. (1) dan (3)

B. (1) dan (4)

C. (2) dan (3)

D. (2) dan (4)

E. (3) dan (4)

Perbincangan

(1) Proses AB adalah isobarik dan W = P (V₂ - V₁)

Isobarik = tekanan malar. Tekanan malar ditunjukkan oleh garis lurus di sepanjang P₁ dari A ke B. Dalam proses ini, tekanan kekal malar tetapi terdapat perubahan dalam isipadu di mana isipadu meningkat. Jika isipadu meningkat maka sistem berfungsi pada persekitaran, di mana jumlah kerja (W) adalah hasil daripada pendaraban tekanan (P) dan perubahan dalam isipadu (ΔU).

(3) Proses BC adalah isokorik, dan ΔU = Q

Isokorik = isipadu malar. Isipadu malar ditunjukkan oleh garis lurus di sepanjang V.₂ dari B ke C. Dalam proses ini, isipadu kekal malar tetapi terdapat perubahan tekanan di mana tekanan meningkat. Isipadu adalah malar jadi tiada kerja dilakukan, di mana W = 0. Formula untuk Hukum Termodinamik Pertama ialah ΔU = Q – W, ​​​​di mana ΔU = perubahan tenaga dalaman, Q = haba dan W = kerja. Jika tiada kerja maka W = 0, jadi ΔU = Q.

Jawapan yang betul ialah A.

18. Perhatikan graf kitaran termodinamik berikut!

Daripada pernyataan berikut:

(1) A – B = isokorik, kerja bergantung kepada perubahan suhu

(2) B – C = adiabatik, tiada perubahan haba

(3) B – C = isobarik, kerja bergantung kepada perubahan isipadu

(4) C – A = proses berlaku dengan usaha dari luar sistem

Sebenarnya…

A. (1) dan (2)

B. (1) dan (3)

C. (2) dan (3)

D. (2) dan (4)

E. (3) dan (4)

Perbincangan

(1) A – B = isokorik, kerja bergantung kepada perubahan suhu

Ya, proses ini adalah isokorik (isipadu malar). Walau bagaimanapun, isipadu kekal malar, jadi tiada kerja dilakukan. Kerja berlaku apabila terdapat perubahan isipadu. Oleh itu, pernyataan ini salah.

(3) B – C = isobarik, kerja bergantung kepada perubahan isipadu

Isobarik = tekanan malar. Tekanan malar ditunjukkan oleh garis lurus dari B ke C. Dalam proses ini, terdapat perubahan dalam isipadu sistem, di mana isipadu sistem meningkat. Peningkatan dalam isipadu sistem bermakna sistem berfungsi pada persekitaran.

(4) C – A = proses berlaku dengan usaha dari luar sistem

Dalam proses ini, isipadu sistem berkurangan dan tekanan sistem berkurangan. Penurunan isipadu sistem bermakna persekitaran berfungsi pada sistem. Dalam erti kata lain, kerja sedang dilakukan secara luaran.

Jawapan yang betul ialah E.

Hukum Termodinamik

19. Lihat gambar! Gas ideal mengalami proses perubahan tekanan (P) kepada isipadu (V). Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses ini ialah…
A. 20 Joule
B. 15 Joule
C. 10 Joule
D. 5 Joule
E. 4 Joule
Perbincangan
Dikenali :
Tekanan awal (P₁) = 4 Pa ​​​​= 4 N/m²
Tekanan akhir (P₂) = 6 Pa ​​​​= 6 N/m²
Isipadu awal (V₁) = 2m³
Isipadu akhir (V₂) = 4m³
Ditanya Kerja yang dilakukan oleh gas (W)
Jawab :
Kerja yang dilakukan oleh gas = luas di bawah lengkung ab.
W = luas segi tiga + luas segi empat tepat
W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)
W = ½ (2)(2) + 4(2)
W = 2 + 8
W = 10 Joule
Jawapan yang betul ialah E.

20. Gas ideal menjalani proses tertutup A → B → C → A. Dalam satu kitaran, gas tersebut melakukan kerja yang berjumlah….
A. −2,0 x 10³ J
B. −5,5 x 10³ J
C. −8,0 x 10⁵ J
D. 2,0 x 10⁶ J
E. 4,0 x 10⁶ J
Perbincangan
Kerja (W) = luas lengkung (luas segitiga di dalam garis yang ditanda dengan anak panah).
W = ½ (20-10)(6 x 10⁵ - 2 x 10⁵)
W = ½ (10)(4 x 10⁵)
W = (5)(4 x 10⁵)
W = 20 x 10⁵ = 2 x 10⁶ Joule
Jawapan yang betul ialah D.

Sumber soalan:

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