Contoh soalan termodinamik

20 Contoh Soalan Termodinamik

Proses Termodinamik

1. Dalam termodinamik, gas ideal menjalani 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 menjalani 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 betul tentang proses termodinamik ialah…

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 (V ₁ ) = 10 liter = 10 dm ³ = 10 x 10 ^-3 m ³

Isipadu akhir (V ₂ ) = 40 liter = 40 dm ³ = 40 x 10 ^-3 m ³

Proses 2:

Tekanan (P) = 15 N/ ^m2

Isipadu awal (V ₁ ) = 20 liter = 20 dm ³ = 20 x 10 ^-3 m ³

Isipadu akhir (V ₂ ) = 60 liter = 60 dm ³ = 60 x 10 ^-3 m ³

Ditanya:

Jawapan:

Kerja gas dalam proses I:

W = P ΔV = P (V ₂ –V ₁ ) = (20)(40-10)(10 ^-3 m ³ ) = (20)(30)(10 ^-3 m ³ ) = (600)(10 ^-3 m ³ ) = 0,6 m ³

Kerja gas dalam proses II:

W = P ΔV = P (V ₂ –V ₁ ) = (15)(60-20)(10 ^-3 m ³ ) = (15)(40)(10 ^-3 m ³ ) = (600)(10 ^-3 m ³ ) = 0,6 m ³

Perbandingan kerja gas dalam proses I dan II:

0,6 m3 ^: 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

Isipadu 1 (V ₁ ) = 10 liter

Isipadu 2 (V ₂ ) = 40 liter

Proses II:

Tekanan (P) = 15 Pascal

Isipadu 1 (V ₁ ) = 20 liter

Isipadu 2 (V ₂ ) = 60 liter

Soalan: 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

Adalah diketahui bahawa :

Tekanan (P) = 2 x 10 ⁵ N/m2 ⁼ 2 x 10 ⁵ Pascal

Isipadu awal (V ₁ ) = 5 cm ³ = 5 x 10 ^-6 m ³

Isipadu akhir (V ₂ ) = 15 cm ³ = 15 x 10 ^-6 m ³

Soalan : Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses AB

Jawapan :

W = ∆P ∆V

W = P ( _V2 – _V1 )

W = (2 x 10 ⁵ )(15 x 10 ^-6 – 5 x 10 ^-6 )

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

W = 2 Joule

Jawapan yang betul ialah E.

7. 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

Adalah diketahui bahawa :

Tekanan awal (P1 ₎ = 4 Pa ​​= 4 N/ ^m2

Tekanan akhir (P ₂ ) = 6 Pa = 6 N/m ²

Isipadu awal (V ₁ ) = 2 m ³

Isipadu akhir (V ₂ ) = 4 m ³

Dikehendaki : Kerja yang dilakukan oleh gas (W)

Jawapan :

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 10 ³ J

C. − 8,0 x 10 ⁵ J

D. 2,0 x 10 ⁶ J

E. 4,0 x 10 ⁶ J

Perbincangan

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

W = ½ (20-10)(6 x 10 ⁵ – 2 x 10 ⁵ )

W = ½ (10)(4 x 10 ⁵ )

W = (5)(4 x 10 ⁵ )

W = 20 x 10 ⁵ = 2 x 10 ⁶ Joule

Jawapan yang betul ialah D.

Enjin Haba

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

A. 80%

B. 75%

C. 60%

D. 50%

E. 40%

Perbincangan

Adalah diketahui bahawa:

Haba yang diserap (Q₂H₃ ₎ = 2000 Joule

Haba yang dibebaskan (QL ₎ = 1200 Joule

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

Soalan : Kecekapan enjin haba (e)

Jawapan :

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

Adalah diketahui bahawa :

Suhu tinggi (TH ₎ = 960 K

Suhu rendah (TL ₎ = 576 K

Soalan : Kecekapan enjin Carnot (e)

Jawapan :

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 (TH ₎ = 800 Kelvin

Suhu rendah (T _L ) = 300 Kelvin

Ditanya: S

Jawapan:

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Haba yang diserap oleh enjin Carnot:

W = e Q ₁

6000 = (0,625) Q ₁

Q ₁ = 6000 / 0,625

S1 = ₉₆₀₀

Haba yang dibebaskan oleh enjin Carnot:

S ₂ = S ₁ – W

S2 = 9600 – ₆₀₀₀

Q ₂ = 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 (TH ₎ = 727 ^o C + 273 = 1000 K

Soalan: Tentukan suhu takungan sejuk

Jawapan:

Suhu takungan ialah 600–273 = 327 ^o C

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 (TH ₎ = 600 Kelvin

Suhu rendah (T _L ) = 250 Kelvin

Haba yang diserap (Q1 ₎ = 800 Joule

Ditanya: Usaha (W)

Jawapan:

Kecekapan enjin haba ideal (enjin Carnot):

Usaha-usaha yang telah dilakukan adalah:

W = e Q ₁

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

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.

Teori Kinetik Gas dan Termodinamik

15. Di dalam sebuah tangki terdapat gas ideal dengan isipadu 4 liter, suhu 27 ^o C dan tekanan 3 atm (1 atm = 10 ⁵ Nm ^-2 ). Gas tersebut menjalani proses pemanasan pada tekanan malar hingga suhu 87 ^o C. Muatan haba gas tersebut ialah 9 JK ^-1 . Isipadu akhir gas dan perubahan tenaga dalaman gas tersebut 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 ^° C + 273 = 300 K

Suhu akhir gas ideal (T ₂ ) = 87 ^o C + 273 = 360 K

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

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

Soalan: Isipadu akhir gas (V₂ ₎ dan Perubahan tenaga dalaman gas (ΔU)

Jawapan:

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

Perubahan Kelantangan:

1 liter = 0,001 ^m3

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

Isipadu akhir (V ₂ ) = 4,8 (0,001 m ³ ) = 0,0048 m ³

Perubahan isipadu ( ΔV) = V2 _– V1 ₌ 0,0048 m3 ^– 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 10 ⁵ )( 0,0008) = (3 x 10 ¹ )( 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. Di dalam sebuah tangki terdapat 6 liter gas ideal dengan tekanan 2 atm (1 atm = 10 ⁵ Nm ^-2 ), suhu 27 ^o C. Gas tersebut dipanaskan pada suhu 77 ^o C pada tekanan malar. Jika muatan haba gas tersebut ialah 5 JK ^-1 , isipadu akhir dan perubahan tenaga dalaman gas tersebut 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 ^° C + 273 = 300 K

Suhu akhir gas ideal (T ₂ ) = 77 ^o C + 273 = 350 K

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

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

Soalan: Isipadu akhir gas (V₂ ₎ dan Perubahan tenaga dalaman gas (ΔU)

Jawapan:

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

Perubahan Kelantangan:

1 liter = 0,001 ^m3

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

Isipadu akhir (V 2 ₎ = 7 (0,001 m ³ ) = 0,007 m ³

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 10 ⁵ )( 0,001) = (2 x 10 ² )(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. Lihat 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 (V ₂ – V ₁ )

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, sistem akan berfungsi pada persekitaran, di mana jumlah kerja (W) adalah hasil darab tekanan (P) dan perubahan dalam isipadu (ΔU).

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

Isokorik = isipadu malar. Isipadu tetap ditunjukkan oleh garis lurus di sepanjang V2 _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