Príklad tepelného motora (aplikácia druhého termodynamického zákona)

9 Contoh soal mesin kalor (penerapan hukum II termodinamika)

1. Dalam satu siklus, sebuah mesin menyerap 3000 Joule kalor dari reservoir suhu tinggi dan membuang 1000 Joule kalor pada reservoir suhu rendah. Tentukan efisiensi mesin kalor tersebut!

Diskusia
Mesin kalor yang dimaksudkan pada soal-soal pada halaman ini tidak sama dengan mesin Carnot. Mesin Carnot merupakan mesin kalor ideal dan hanya ada secara teoritis. Sebaliknya mesin kalor yang dimaksudkan pada soal ini adalah mesin kalor nyata, bukan mesin kalor teoritis (mesin Carnot).
Je známe :
Absorbované teplo (Q_H) = 3000 Joulov
Uvoľnené teplo (Q_L) = 1000 Joulov
Práca vykonaná strojom (W) = 3000 – 1000 = 2000 Joulov
Opýtal sa Účinnosť tepelného motora (e)
Džavab :

2. Suatu mesin kalor menghasilkan usaha 2000 Joule dan membuang kalor sebanyak 500 Joule dalam satu siklus. Efisiensi mesin tersebut adalah…

Diskusia
Je známe :
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 2000 Joule
Uvoľnené teplo (Q_L) = 5000 Joulov
Absorbované teplo (Q_H) = 2000 + 5000 = 7000 Joulov
Opýtal sa Účinnosť tepelného motora (e)
Džavab :

3. Mesin sebuah mobil mempunyai efisiensi 30%. Jika mesin tersebut menghasilkan usaha 10.000 Joule tiap siklus, berapa kalor yang dibuang oleh mesin setiap siklus ?
Diskusia
Je známe :
Efisiensi (e) = 30 % = 30/100 = 0,3
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 3000 Joule
Opýtal sa : Kalor yang dibuang mesin setiap siklus (Q_L)
Džavab :
Hitung kalor yang diserap (Q_H) menggunakan rumus efisiensi (e) mesin kalor :
Kalor yang dibuang per siklus (Q_L) = kalor yang diserap (Q_H) – usaha yang dihasilkan (W)
Q_L = 10 000 joulov – 3 000 joulov
Q_L = 2 376 000 joulov

Efisiensi mesin kalor, mesin Carnot

4. Sebuah mesin kalor menyerap panas sebesar 3.000 Joule dari suatu reservoir suhu tinggi dan membuangnya sebesar 2.400 Joule pada reservoir suhu rendah. Efisiensi mesin itu adalah ….
A. 10 %
B. 15 %
Cca 20 %
D. 30 %
E. 40 %
Diskusia:
Je známe :
Q_H = 3000 Joule, Q_L = 2400 joulov.
Opýtal sa :
Efisiensi (e) mesin kalor ?
Džavab :
Správna odpoveď je C.

5. Sebuah mesin Carnot mempunyai reservoir suhu tinggi 300 ^oC dan reservoir suhu rendah 80 ^oC. Efisiensi mesin itu adalah…
A. 38 %
B. 45 %
Cca 50 %
D. 58 %
E. 67 %
Diskusia:
Je známe :
T_L = 80^oC = (80 + 273) K = 353 K
T_H = 300^oC = (300 + 273) K = 573 K
Jika suhu diketahui dalam satuan Celcius maka harus diubah ke satuan Kelvin (Kelvin adalah satuan Sistem Internasional besaran suhu).
Opýtal sa :
Efisiensi (e) mesin Carnot ?
Džavab :

Správna odpoveď je A.

6. Suhu tinggi reservoir mesin Carnot 600 K dan efisiensinya 60 %. Agar efisiensi mesin Carnot itu menjadi 70 % maka suhu tinggi reservoir mesin Carnot itu menjadi…
A. 500 K
B. 800 K
C. 1000 K
D. 1200 K
E. 1500 K
Diskusia:
Je známe :
Data 1 : T_H = 600 K, e = 60 %
Data 2 : T_H = …. K ?, e = 70 %
Opýtal sa :
Vysoká teplota (T_H)
Džavab :
Gunakan data 1 untuk menghitung suhu rendah (T_L).
Gunakan T_L dan data 2 untuk menghitung suhu tinggi (T_H):
Untuk mencapai efisiensi 70 % maka suhu tinggi = 800 Kelvin.
Správna odpoveď je B.

7. Perhatikan grafik P-V mesin Carnot di bawah. Jika W = 5000 Joule maka jumlah kalor yang dilepas oleh mesin setiap siklus adalah …
A. 158 400 joulov
B. 950 400 joulov
C. 5 860 800 joulov
D. 9 504 000 joulov
E. 5.600 Joulov

Diskusia:
Je známe :
W = 5000 Joulov
T_H = 780 tis
T_L = 320 tis
Opýtal sa :
Q₂ ?
Džavab :
Efisiensi mesin Carnot :
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (320/780) = 1 – 0,41 = 0,59
Hanya 59 % kalor yang digunakan untuk melakukan Usaha. Gunakan data ini untuk menghitung kalor yang diserap oleh mesin Carnot (Q₁).
(0,59)(Q₁) = 5000 Joulov
Q₁ = 5000 Joule/0,59 = 8475 Joule
Jumlah kalor yang diserap oleh mesin adalah 8475 Joule.
Jumlah kalor yang dilepas oleh mesin tiap siklus :
W = Q₁ - Q₂
5000 Joule = 8475 Joule – Q₂
Q₂ = 10 000 joulov – 3 000 joulov
Q₂ = 2 376 000 joulov
Správna odpoveď je B.

8. Perhatikan diagram P-V mesin Carnot di bawah!. Jika kalor yang diserap (Q₁) = 8000 Joule maka usaha yang dilakukan mesin Carnot adalah…
A. 1640 J
B. 4720 J
Cca 14 400 J
D. 52 800 J
E. 8840 J

Diskusia:
Je známe :
Q₁ = 8000 J
T_H = 820 tis
T_L = 380 tis
Opýtal sa :
W ?
Džavab :
Efisiensi mesin Carnot :
e = 1 – (T_L/T_H) = 1 – (380/820) = 1 – 0,46 = 0,54
Hanya 54 % kalor yang digunakan untuk melakukan usaha. Gunakan data ini untuk menghitung usaha yang dilakukan mesin Carnot (W).
(0,59)(8000) = 4720 Joule
Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot adalah 4720 Joule.
Správna odpoveď je B.

9. Sebuah mesin Carnot bekerja di antara reservoir panas 520 ^oC dan reservoir dingin 110 ^oC. Jika mesin tersebut menyerap kalor 3000 Joule dari reservoir panas, maka jumlah kalor yang dibuang dari mesin adalah …
A. 450 joulov
B. 800 joulov
C. 1000 juole
D. 1200 joulov
E. 1440 joulov
Diskusia:
Je známe :
T_H = 520 + 273 = 793 K
T_L = 110 + 273 = 383 K
Q₁ = 3000 J
Opýtal sa :
Q₂ = … ?
Džavab :
Efisiensi mesin Carnot :
e = 1 – (383/793) = 1 – 0,48 = 0,52
Gunakan data ini untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh mesin (W)
(0,52)(3000) = 1560 Joule
Usaha yang dilakukan oleh mesin adalah 1560 Joule.
Jumlah kalor yang dibuang oleh mesin :
Q₂ = 10 000 joulov – 3 000 joulov
Q₂ = 2 376 000 joulov
Kalor yang dibuang oleh mesin adalah 1440 Joule.