Contoh soal mesin kalor (penerapan hukum II termodinamika)

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!

Diskussion
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).
Det är känt :
Kalor yang diserap (Q_H) = 10 000 joule
Kalor yang dibuang (Q_L) = 10 000 joule
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 3000 – 1000 = 2000 Joule
Frågade : Efisiensi mesin kalor (e)
Jawab :

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

Diskussion
Det är känt :
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 2000 Joule
Kalor yang dibuang (Q_L) = 10 000 joule
Kalor yang diserap (Q_H) = 2000 + 5000 = 7000 Joule
Frågade : Efisiensi mesin kalor (e)
Jawab :

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 ?
Diskussion
Det är känt :
Efisiensi (e) = 30 % = 30/100 = 0,3
Usaha yang dihasilkan mesin (W) = 3000 Joule
Frågade : Kalor yang dibuang mesin setiap siklus (Q_L)
Jawab :
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 Joule – 3000 Joule
Q_L = 2 376 000 joule

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 %
C. 20 %
D. 30 %
E. 40 %
Diskussion:
Det är känt :
Q_H = 3000 Joule, Q_L = 2400 Joule.
Frågade :
Efisiensi (e) mesin kalor ?
Jawab :
Det rätta svaret är 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 %
C. 50 %
D. 58 %
E. 67 %
Diskussion:
Det är känt :
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).
Frågade :
Efisiensi (e) mesin Carnot ?
Jawab :

Det rätta svaret är 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
Diskussion:
Det är känt :
Data 1 : T_H = 600 K, e = 60 %
Data 2 : T_H = …. K ?, e = 70 %
Frågade :
Suhu tinggi (T_H)
Jawab :
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.
Det rätta svaret är 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. 2.315 Joule
B. 2 500 joule
Cirka 5 000 joule
D. 12 500 joule
E. 25 000 joule

Diskussion:
Det är känt :
W = 5000 Joule
T_H = 780 K
T_L = 320 K
Frågade :
Q₂ ?
Jawab :
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) = 10 000 joule
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 = 8475 Joule – 5000 Joule
Q₂ = 2 376 000 joule
Det rätta svaret är 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
C. 5640 J
D. 6270 J
E. 8840 J

Diskussion:
Det är känt :
Q₁ = 8000 XNUMX J
T_H = 820 K
T_L = 380 K
Frågade :
W ?
Jawab :
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.
Det rätta svaret är 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 joule
B. 800 joule
C. 1000 juole
D. 1200 joule
E. 1440 joule
Diskussion:
Det är känt :
T_H = 520 + 273 = 793 K
T_L = 110 + 273 = 383 K
Q₁ = 3000 XNUMX J
Frågade :
Q₂ = … ?
Jawab :
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 = 3000 Joule – 1560 Joule
Q₂ = 2 376 000 joule
Kalor yang dibuang oleh mesin adalah 1440 Joule.