Bank Soal Fisika SMA Hukum II Termodinamika

Diketahui:

Suhu reservoir panas mesin A $T_{\text{H}_{\text{A}}}$= 1.000 K

Suhu reservoir dingin mesin A $T_{\text{C}_{\text{A}}}$= 500 K

Suhu reservoir panas mesin B $T_{\text{H}_{\text{B}}}$= 500 K

Suhu reservoir dingin mesin B $T_{\text{C}_{\text{B}}}$= 300 K

Kalor panas ke mesin A $Q_{\text{H}_{\text{A}}}$= 100 kJ

Ditanya:

Kalor dingin dari mesin B $Q_{\text{C}_{\text{B}}}$= ?

Jawab:

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Efisiensi pada sebuah mesin kalor adalah perbandingan antara energi yang menjadi usaha dengan total kalor yang masuk ke dalam sistem dari reservoir panas, dengan kata lain $\eta=\frac{W}{Q_{\text{H}}}=\frac{Q_{\text{H}}-Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$ di mana $W$ adalah usaha, $Q_{\text{H}}$ adalah kalor dari reservoir panas, dan $Q_{\text{C}}$ adalah kalor dari reservoir dingin.

Mesin carnot adalah bentuk khusus dari mesin kalor yang sangat ideal di mana kalor yang dialirkan akan berbanding lurus dengan suhu pada reservoir sehingga pada mesin carnot berlaku persamaan efisiensi $\eta=1-\frac{T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}$  di mana $T_{\text{C}}$ merupakan suhu di reservoir dingin dan $T_{\text{H}}$ merupakan suhu di reservoir panas. Suhu harus dinyatakan dalam satuan kelvin. 

Hitung efisiensi dari masing-masing mesin terlebih dahulu.

Mesin A

 $\eta_{\text{A}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{A}}}}{T_{\text{H}_{\text{A}}}}$

$=1-\frac{500}{1.000}$

$=1-0,5$

$=0,5$

Mesin B

 $\eta_{\text{B}}=1-\frac{T_{\text{C}_{\text{B}}}}{T_{\text{H}_{\text{B}}}}$

$=1-\frac{300}{500}$

$=1-0,6$

$=0,4$

Ubah persamaan efisiensi untuk mendapatkan nilai $Q_{\text{C}}$.

$\eta=\frac{Q_{\text{H}}-Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$

$\eta=1-\frac{Q_{\text{C}}}{Q_{\text{H}}}$

$Q_{\text{C}}=\left(1-\eta\right)Q_{\text{H}}$

Besar kalor yang keluar dari mesin A adalah

$Q_{\text{C}_{\text{A}}}=\left(1-\eta_{\text{A}}\right)Q_{\text{H}_{\text{A}}}$

$=\left(1-0,5\right)\left(100\right)$

$=50$ kJ

Karena dipakai kembali, kalor buangan dari mesin A akan menjadi kalor masukan bagi mesin B. Besar kalor yang keluar dari mesin B adalah

$Q_{\text{C}_{\text{B}}}=\left(1-\eta_{\text{B}}\right)Q_{\text{H}_{\text{B}}}$

$=\left(1-0,4\right)\left(50\right)$

$=30$ kJ

Jadi, besarnya kalor gas buang mesin B adalah 30 kJ.