1. Kereta uap dapat berjalan dengan memanfaatkan energi uap
179
Bab
8
Termodinamika
A. Usaha pada
Berbagai Proses
Termodinamika
B. Hukum I
Termodinamika
C. Kapasitas Kalor Gas
dan Siklus
Termodinamika
D. Hukum II
Termodinamika
Hasil yang harus Anda capai:
menerapkan konsep termodinamika dalam mesin kalor.
Setelah mempelajari bab ini, Anda harus mampu:
,6;2=2? 56?82? A6B632?82? I22? C2B2?2 DB2?CA@BD2C: H2?8
5:8E?22? 2?EC:2 D6BEC 36B632?8 122? 529E=E E52 52? 6B6D2
E52 6?;25: AB:25@?2 2?8ED2? 52B2D ,22D :?: A6B2?2? E52 C63282:
2=2D DB2?CA@BD2C: 52B2D CE529 D6B82?D:2? @=69 636B2522? @D@B @3:=
52? 6B6D2 $6=63:92? 52B: C2B2?2 DB2?CA@BD2C: @56B? :?: 252=29 D6?282
H2?8 5:92C:=2??H2 =63:9 36C2B 52B:A252 D6?282 E52 (=69 2B6?2 :DE
;E=29 A6?EA2?8 52? 32B2?8 H2?8 52A2D 5:2?8ED AE? C62:? 32?H2
)25252C2B?H2A6B632?82?C2B2?2DB2?CA@BD2C:D6BC63EDD:52=6A2C
52B: 62;E2? D6?@=@8: 2A=:2C: AB:?C:A D6B@5:?2:2 !2A:B C6E2
6C:? H2?8 252 6?88E?22? AB:?C:A D6B@5:?2:2 H2:DE 6?8E329
6?6B8: 2=@B 6?;25: 6?6B8: 86B2
yang diubah menjadi energi kinetik.
menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukum
termodinamika.
Sumber: Physics for Scientists and Engineers, 2000
2. Tes Kompetensi Awal
#-5...1-+2*,0/31 2.0%*/.*,,2+,/-)30-30-#2*,54%-.#5,5-4*)/
A229H2?85:2CE556?82?67:C:6?C:6C:?
6?EBED?522A229H2?85:2CE556?82?6?DB@A:
A. Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika
1. Usaha yang Dilakukan Gas
-:?;2E=29 C63E29 C:CD6 H2?8 5:=6?82A: 56?82? C63E29 D23E?8 52?
A6?8:C2A 82C H2?8 52A2D 36B86B2 3632C C6A6BD: D2A2 A252 .#2
.C292H2?85:=2E2?@=6982CC69E3E?82?56?82?A6BE3292?F@=E6
82C252=29C63282:36B:ED#:2D62?2?82C366B;2A252A6?8:C2A6E5:2?
A6?8:C2A 36B86C6B C6;2E9 . 6 2D2C 56?82? =E2C A6?2A2?8 A6?8:C2A
EC292 H2?8 5:=2E2? @=69 C:CD6 82C D6B9252A =:?8E?82? 252=29
5GQ5. , . , . , 1
,2D4!8
)2
.?DEAB@C6C52B:6
9. .C292 H2?8 5:=2E2? A252 C:CD6 5:C63ED 0.$ (0- %E2C 2B62 5:
32G29 EBF2 252=29 EC292 H2?8 5:=2E2? @=69 C:CD6 )6B92D:2?
.#2
Gambar 8.1
Sistem melakukan usaha
terhadap lingkungannya.
,E2DE82C52=2C:=:?56BD6BDEDEA6?82=2:AB@C6CC6A6BD:
D2A2A2528232B-6?DE2?EC292H2?85:=2E2?
@=6982CA252
2 AB@C6C
3 AB@C6C
4 AB@C6C 52?
5 C6=EBE9AB@C6CD@D2=
Gambar 8.2
(a) Usaha yang dilakukan
oleh sistem adalah
positif (W = pV ).
(b) Usaha yang dilakukan
oleh sistem adalah
negatif (W = –pV ).
p
V1 V2
pemampatan W 0
luas = W
V1 V2
V
p
2
1
ds
F = pA
2
3 p(kPa)
A B
C
E V(L)
250
50
D
25 75
6?82A286=2CD:A:CH2?83:2C2?H25:8E?22?E?DE
:?E6C3:C2A64296D:25::C:2:BA2?2C
35. b. Proses Isokhorik
)B@C6C :C@9@B: 252=29 AB@C6C A6BE3292? 62522? C:CD6 A252 F@=E6
D6D2A .#2
36. -:?;2E=29 632=: A6BC222? 62522? 82C :562=
, * F@=E6 D6D2A
p
p1
p2
V
V1 = V2
Proses isokhorik pada grafik p–V.
p(Pa)
Gambar 8.4
V(L)
V1 V2
,
,
182 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
,
*
E?DE 82C :562= 56?82? * 52?
C6=2=E D6D2A :32D?H2
,
@?CD2? 2D2E
,
,
37.
38. O
)252 AB@C6C :C@9@B: C:CD6 D:52 6?82=2: A6BE3292? F@=E6
39. C69:?882 EC292 H2?8 5:=2E2? @=69 82C C22 56?82? ?@=
H2:DE ,
)6BE3292? D62?2? A252 82C 22?6?H63232?
A6BE3292? CE9E 82C #:2 CE9E 82C 5:?2:2? D62?2? 52=2 82C 22?
36BD2329 C6A6BD: 5:DE?;E2? A252 .#2
/@=E6 D:52 D6B
A6?82BE9 A6BE3292? D62?2? 82C
Gambar 8.5
Grafik p–T pada V konstan.
p
T
Gambar 8.6
Grafik p–V pada tekanan (p) konstan.
,63E29D23E?836B:C:
=:D6B82C:562=A252CE9E
52. O, O
Gambar 8.7
Grafik V–T pada tekanan (p) konstan.
Contoh 8.3
Tantangan
untuk Anda
Menurut Anda, benarkah angin itu
tidak mendinginkan suhu,
melainkan menaikkan suhu di
sekitarnya?
# @=$
88. -6?DE2?=29 EC292 H2?8 5:=2E2? @=69 82C E?DE
AB@C6CC6CE2:56?82?5:28B2,636B:ED
A
B
10
0 200 600 800
3
p(Pa)
V (dm3)
70
60
200 500
2
p(Pa)
14
10
0
A
B
V (dm3)
184 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
C69:?8825:A6B@=69
,63E29D23E?856?82?F@=E6%36B:C:82C:562=
56?82?CE9E
L52?D62?2?
P
)2-23E?8
D6BC63ED5:A2?2C2?9:?8826?42A2:CE9E
106. 5:82?D: 56?82? 56B2;2D 63632C2? H2?8 5::=:: 82C D6BC63ED
2
3
4
5
Gambar 8.9
Hubungan sistem dan lingkungan.
(a) Sistem menerima kalor sambil
melakukan usaha.
(b) Sistem melepaskan kalor dan
pada sistem dilakukan usaha.
(c) Sistem menerima kalor, tetapi
tidak melakukan kerja.
(d) Sistem melakukan kerja, tetapi
tidak ada kalor yang masuk
ataupun keluar (adiabatik).
Contoh 8.6
,E2DEC:CD66?H6B2A2=@B52B:=:?8E?82?C636C2B
#-6?DE2?A6BE3292?
6?6B8:52=2 ;:2
2 C:CD66=2E2?EC292
113. Pembahasan Soal
Suatu sistem mengalami proses
adiabatik. Pada sistem dilakukan usaha
100 J. Jika perubahan energi dalam
sistem adalah U dan kalor yang
diserap sistem adalah Q, akan berlaku ....
a. U = –1.000 J
b. U = 100 J
c. U = 10 J
d. Q = 0
e. U + Q = – 100 J
Soal UMPTN Tahun 1994
Pembahasan:
Hukum I Termodinamika:
Q = U + W
Pada proses adiabatik, tidak ada kalor
yang diterima atau diserap sistem. Jadi,
Q = 0.
Pada sistem dilakukan usaha W = –100 J
Jadi,
Q = U + W
0 = U – 100 J
U =100 J
Jawaban: b
Tugas Anda 8.1
Diskusikanlah bersama teman Anda,
apakah ada proses adiabatik di alam ini?
Kata Kunci
• adiabatik
• isobarik
• isokhorik
• isotermal
a. Proses Isotermal
)B@C6C:C@D6B2=252=29AB@C6CH2?8D:526?82=2:A6BE3292?CE9E
C69:?882 A6BE3292? 6?6B8: 52=2?H2
186 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
148. Tantangan
untuk Anda
Anda pasti tahu apa termos itu.
Dapatkah Anda menjelaskan cara
kerja termos sehingga air panas
dapat tetap panas? Jelaskan hal
tersebut dengan konsep
termodinamika.
175. P
#P
#
Tantangan
untuk Anda
Anda pasti pernah mendengar
istilah mesin 4 tak dan mesin 2
tak. Selidikilah dan diskusikanlah,
apa perbedaan di antara
keduanya? Mengapa mesin 2 tak
memiliki akselerasi lebih cepat
daripada mesin 4 tak?
,6@B2?8 :=EG2? )B2?4:C %* 2/04 O
177. 2B?@D6?;6=2C2?C63E29C:=ECH2?8D6B5:B:2D2C
6A2D AB@C6C )6B92D:2? .#2 52? .#2
p
V
A
Q1
T1
B
C
Q T2 2
D
W
Gambar 8.10
Satu siklus suatu mesin Carnot
menggunakan suatu gas ideal
sebagai fluida kerja. Grafik AB dan
CD menampilkan proses isotermal,
grafik BC dan DA menampilkan
proses adiabatik.
3
+*+/+)%'
!6=:E!6
B8@?B
201. CE9E B6C6BF@:B B6?529 $
Gambar 8.11
Siklus mesin ideal Q1 dan suhu
fungsi reservoir diubah seluruhnya
menjadi usaha W dengan efisiensi
100%.
Kata Kunci
• efisiensi mesin
Gambar 8.12
Perubahan kalor menjadi kerja:
Q1 = kalor masuk;
Q2 = kalor dilepaskan;
W = usaha yang dilakukan;
T1 = suhu reservoir tinggi; dan
T2 = suhu reservoir rendah.
202. b. Mesin Otto
6C:?(DD@6BEA22?6C:?2=@BH2?8AB:?C:A6B;2?H236B52C2B2?
C:=EC (DD@ )252 C:=EC (DD@ D6B52A2D 5E2 AB@C6C 25:232D: 52? 5E2
AB@C6C :C@9@B: )6B92D:2? .#2
)252.#2 O52?O6BEA22?AB@C6C25:232D:C652?82?
O52?O6BEA22?AB@C6C:C@9@B:52AE?252=292=@BH2?8
2CE52=2C:CD6C652?82?
203. 252=292=@BH2?86=E2B5:=6A2C2?
@=69 C:CD6 7:C:6?C: 52B: C:=EC (DD@ 5:?H2D22? 56?82? A6BC222?
Contoh 8.8
$
$
T
T
T
T
T
480 K
T
190 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
206. )B@C6C 52B: 6 6BEA22? AB@C6C :C@32B: O 52? O
6BEA22?AB@C6C25:232D:52?AB@C6CO6BEA22?AB@C6C:C@9@B:
)B:?C:A 6B;26C:? 5:6C6= 92A:B C22 56?82? 6C:? @DD@ 2B6?2 C6E2
AB@C6CA2526C:?5:6C6=C2256?82?6C:?@DD@64E2=:AB@C6C:C@32B:
7:C:6?C: 3636B2A2 6C:? 5:DE?;E2? A252 #-
p
V
A
Q1
B
C
Q2
D
Gambar 8.13
Dua proses adiabatik dan dua proses
isokhorik pada siklus Otto.
#-
7:C:6?C:636B2A26C:?
/*33*/
'*3*/3*
6C:?@3:=36?C:?
209. O
-EB3:?E2AA632?8:D?E=:B
-EB3:?E2AA632?8:D32DE32B2
Gambar 8.14
Siklus diesel
p
V
A
Q1
B
C
Q2
D
,63E29 6C:? 2B?@D 6:=:: 67:C:6?C:
#:2 CE9E B6C6BF@:B D:?88:
$
D6?DE2?=2936C2B?H2CE9EB6C6BF@:BD:?88:282B67:C:6?C:6C:?6?;25:
56?82?
2?882A2?CE9EB6C6BF@:BB6?529D:526?82=2:A6BE3292?
7#
)6BD22D6?DE2?CE9EB6C6BF@:BB6?529
215. O
O
$
$
#25:CE9EB6C6BF@:BD:?88:H2?85:3EDE92?252=29
$
Pembahasan Soal
Sebuah mesin Carnot yang
menggunakan reservoir suhu tinggi
800 K, memiliki efisiensi 40%. Agar
efisiensinya naik menjadi 50%, suhu
reservoir suhu tinggi dinaikkan
menjadi ....
a. 900 K d. 1.180 K
b. 960 K e. 1.600 K
c. 1.000 K
Soal UMPTN Tahun 1990
Pembahasan:
Keadaan 1:
= 40%
T1 = 800 K
= 1 – 2
1
40%
= 1 – 2
800 K
T2 = 480 K
Keadaan 2:
= 50%
T2 = 480 K
= 1 – 2
1
50%
= 1 –
1
T1 = 960 K
Jawaban b
227. 6?892C:=2? 67:C:6?C: H2?8 D:?88:
#25: 6?EBED $6=F:? 52? )=2?4 D:52 E?8:? CE2DE 6C:? 92?H2
6:=:: C63E29 B6C6BF@:B 52? D:52 E?8:? C63E29 6C:? 6:=::
67:C:6?C:
#:267:C:6?C:
2=@BH2?85:C6B2A52B:=:?8E?82??H2
22?5:E329C6=EBE9?H26?;25:EC292.C2926C:?C6242:?:5:C63ED
6C:?,-!,!/00))+%(!;6?:C65E2$6?H2D22??H2D:522526C:?C6A6BD:
:DE G2=2EAE? 2C:9 66?E9: !EE -6B@5:?2:2
Tokoh
Nikolaus Otto
Pada 1876, seorang warga negara
Jerman, Nikolaus Otto menjadi orang
pertama yang membuat dan menjual
mesin 4 tak yang kemudian menjadi
dasar pembuatan kebanyakan mesin.
Ia menamakan mesinnya Silent Otto
karena mesin tersebut mampu
bekerja tanpa menimbulkan
kebisingan. Salah satu ciri mesin 4 tak
adalah tekanan kompresinya. Jika
bahan bakar berupa gas yang
dimampatkan, akan lebih banyak
energi yang dilepaskan. Gagasan ini
pertama kali dikembangkan oleh
Alphone Beau de Rochas (1815–
1891) yang berkewarganegaraan
Prancis, tetapi justru Otto yang
menyukseskan ide tersebut.
235. C2A2:56?82?,62:?D:?88:?:=2:C62:?32:6C:?
A6?5:?8:? D6BC63ED
W
Q1
T1
Q2
T2
Gambar 8.15
Perubahan kerja menjadi kalor.
Tantangan
untuk Anda
Mengapa AC menggunakan
freon? Apakah freon dapat
digantikan oleh gas lain?
-6A6B2DEB5:52=2C63E29=62B:6C252=29O
L=E:526B;2H2?85:2A2D2?
5:52=2?H26?8632?8A252D6A6B2DEBC636C2B
266. 2267:C:6?C:?H2D:?88:
2.0%*/.*,
!EE-6B@5:?2:2
)B@C6C
C@D6B2=
)B@C6C
C@9@B:
)B@C6C
C@32B:
)B@C6C
5:232D:
Refleksi
A252
194 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
$2A2C:D2C$2=@B
-62?2?
-6D2A
/@=E6
-6D2A
,:=EC-6B@5:?2:2 !EE-6B@5:?2:2
P
268. P
63292C
63292C
63292C 63292C
A252
Setelah mempelajari bab ini, Anda tentu telah
memahami Hukum I Termodinamika dan proses-proses
yang dapat terjadi di dalamnya. Adapun Hukum II
Termodinamika mempelajari tentang perlunya usaha
luar dan konsep kapasitas kalor pada proses-proses
termodinamika. Dari keseluruhan materi bab ini, bagian
manakah yang menurut Anda sulit? Coba diskusikan
dengan teman atau guru Fisika Anda.
Dari pemahaman yang Anda peroleh, coba
sebutkan beberapa manfaat yang dapat diterapkan
dalam kehidupan sehari-hari.
76C:6?C:6C:?
)B@C6C+6F6BC:36= )B@C6CBB6F6BC:36=
6C:?)6?5:?8:?
6C:?2B?@D 6C:?(DD@
6C:?:6C6=
4@?D@9?H2
300. )6B92D:2?8B27:36B:ED
Tes Kompetensi Bab 8
*-*)-)3-)345+7#/8/(1-*/(414%/,2+,/-)1%#5,5-4*)/
B
p (N/m2)
A
D
2
C
4
V (m3)
5
2
p (N/m2)
2
V (m3)
1 2
p (N/m2)
V (m3)
3
1
B
A
0 1 2
C
308. #52?63E2?8
6?6B8:
#6B6C6BF@:BCE9EB6?5296C2B67:C:6?C:
6C:?D6BC63ED252=29
2 5
3
6
4
#4/3
196 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
, ,
p
:28B2,O36B:ED6?E?;E2?AB@C6CCE2DE82C
52=2C2DEC:=EC5:E=2:52B:52?36B29:B5:
p (N/m2)
2B:8232BD6BC63ED36B2A229
2 EC292A252C6D:2AAB@C6C
3 EC292D@D2=82C
,632?H2@=82C6E2:C642B2:C@D6B2=A252CE9E
$C69:?882F@=E6?H236BE32952B:4
6?;25:
4
6B2A2EC292H2?85:=2E2?82C
7#-)124/8/#2*,54*/*%/(/414
,6;E=2982C:562=6?6A2D:BE2?836BF@=E64
2CC282CD6BC63ED
328. L
,63E296C:?2B?@D366B;25:2?D2B2B6C6BF@:BA2?2C
B
L 52? B6C6BF@:B 5:?8:? #:2 6C:? D6BC63ED
6?H6B2A2=@B
;@E=652?52A2D6=2E2?EC292
;@E=636B2A2CE9EB6C6BF@:B5:?8:??H2 A
1 4
p (N/m2)
4 × 105
V(m3)
C
1 × 105 D
5
329. Proyek Semester 2
,6A6BD:A252C66CD6BA6BD22H2?8=2=EA252C66CD6B:?:?52;E825:DE82C2?
E?DE6=2E2?68:2D2?C66CD6B282BA62922?@?C6A:C:2?52C62:?
6?:?82D52AE?68:2D2?C66CD6B:?:6?86?2:7=E:5252?B2?82:2?68:2D2?
H2?892BEC?52=2E2?36BC22D62?C66=@A@22?5:EB2:2?36B:ED:?:
)252 29:B 68:2D2? ?52 AE? 92BEC 6?HECE? =2A@B2? 29:B A6B4@322? 52?
6AB6C6?D2C:2??H25:9252A2?6=@A@=2:?52?8EBE:C:2?52
-
198 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
Viskositas
5+5/(*4/
6?6?DE2?@67:C:6?66?D2=2?I2D42:B56?82?6?88E?22?!EE,D@6C
-4%/)/
-23E?8,D@6CD:?88:
45:26D6B4A6?H2B:?8
338. Tes Kompetensi Fisika
Semester 2
*-*)-)3-)345+7#/8/(1-*/(414%/,2+,/-)1%#5,5-4*)/
)6B92D:2?C:CD66C6D:32?82?A2528232B36B:ED
60° 30°
T1
T2
T3
O
w
Tm 3 1
200 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
)6B92D:2?8232B36B:ED
45°
T3
6C2BD682?82?D2=:252=29
2
' 5
'
3
433. 204 Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas XI
k1
k2
k3
k4
M
M
Tes Kompetensi Akhir
*-*)-)3-)345+7#/8/(1-*/(414%/,2+,/-)1%#5,5-4*)/
-6B9252A@@B5:?2D39@B:I@?D2=52?4F6BD:2=C63E29
36?52H2?836B86B26?8:ED:86B2A6=EBE6
AE?H2:@A@?6?@A@?6?646A2D2?H2?8
2 36C2B?H2D6D2AA2522B29352?36BE32936B2DEB2?
A2522B294
3 36C2B?H2D6D2AA2522B29452?36BE32936B2DEB2?
A2522B293
4 36C2B?H2D6D2A32:A2522B2932EAE?A2522B294
5 36C2B?H2 36BE329 36B2DEB2? 32: A252 2B293
2EAE?A2522B294
6 36C2B 52? 2B29?H2 D6BEC6?6BEC 36BE329
D6B9252AG2DE
440. C 6 C
4
C
,63E2936?52H2?836B2D?H226=E?4EB632G29
56?82?646A2D2?D6D2AA252CE2DE3:52?8:B:?8H2?8
2C2B:52?8:B:?8D6BC63ED636?DECE5ED
L
D6B9252A9@B:I@?D2=$@67:C:6?86C62?2?D2B236?52
52?3:52?8D6BC63ED252=29
2