Termodinamika adalah salah satu bab yang paling sering bikin siswa garuk-garuk kepala saat belajar fisika kelas XI. Padahal, kalau konsep dasarnya sudah dipahami, materi ini justru tergolong “aman” untuk dikerjakan karena rumusnya relatif sederhana dan pola soalnya berulang. Kuncinya cuma satu: paham betul hubungan antara kalor, usaha, dan energi dalam sistem.
Nah, di artikel ini akan dibahas kumpulan contoh soal termodinamika fisika yang mencakup Hukum I Termodinamika, proses isobarik, isokhorik, isotermal, adiabatik, sampai efisiensi mesin kalor. Setiap soal dilengkapi pembahasan langkah demi langkah agar mudah diikuti, baik untuk latihan mandiri maupun persiapan ujian sekolah dan ujian masuk perguruan tinggi.
Sebagai catatan, penguasaan konsep termodinamika bukan sekadar soal menghafal rumus. Praktisi pendidikan fisika kerap menekankan bahwa kemampuan menafsirkan tanda positif dan negatif pada kalor serta usaha justru menjadi indikator utama apakah siswa benar-benar memahami konsep, bukan sekadar menghitung angka. Karena itu, setiap pembahasan di bawah ini juga menyertakan alasan di balik setiap langkah perhitungan, bukan hanya jawaban akhirnya saja.
Mengenal Konsep Dasar Termodinamika
Sebelum masuk ke soal, ada baiknya menyegarkan kembali konsep inti yang akan terus dipakai berulang kali.
Hukum I Termodinamika
Hukum ini pada dasarnya adalah bentuk lain dari hukum kekekalan energi. Rumusnya:
ΔU = Q − W
Keterangan:
- ΔU = perubahan energi dalam sistem
- Q = kalor yang diterima (positif) atau dilepaskan (negatif) sistem
- W = usaha yang dilakukan gas (positif) atau usaha yang diterima gas (negatif)
Jenis-Jenis Proses Termodinamika
- Isobarik — tekanan tetap, usaha dihitung dengan W = P × ΔV
- Isokhorik — volume tetap, sehingga usaha gas selalu nol (W = 0)
- Isotermal — suhu tetap, sehingga energi dalam gas ideal tidak berubah (ΔU = 0)
- Adiabatik — tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan (Q = 0)
Keempat proses ini adalah “pintu masuk” untuk hampir semua variasi soal termodinamika yang akan dibahas berikut.
Kumpulan Soal dan Pembahasan Termodinamika
Soal 1 — Hukum I Termodinamika Dasar
Soal: Sebuah sistem menerima kalor 500 J dan melakukan usaha 200 J terhadap lingkungan. Berapa perubahan energi dalam sistem?
A. 200 J B. 300 J C. 500 J D. 700 J E. 1.000 J
Pembahasan: ΔU = Q − W = 500 − 200 = 300 J
Jawaban: B. 300 J
Soal 2 — Gas Menyerap Kalor dan Melakukan Usaha
Soal: Suatu gas menerima kalor 800 J dan melakukan usaha 300 J. Berapa perubahan energi dalam gas?
A. 300 J B. 400 J C. 500 J D. 800 J E. 1.100 J
Pembahasan: ΔU = 800 − 300 = 500 J
Jawaban: C. 500 J
Soal 3 — Proses Isokhorik
Soal: Gas mengalami proses pada volume tetap dan menerima kalor 600 J. Berapa usaha yang dilakukan gas?
A. 0 J B. 100 J C. 300 J D. 600 J E. 1.200 J
Pembahasan: Pada proses isokhorik, volume tidak berubah sehingga usaha gas selalu nol, berapa pun besar kalor yang diterima.
Jawaban: A. 0 J
Soal 4 — Usaha pada Tekanan Tetap
Soal: Gas dalam piston mengembang pada tekanan tetap 2 × 10⁵ Pa. Volume bertambah dari 0,02 m³ menjadi 0,05 m³. Berapa usaha yang dilakukan gas?
A. 3.000 J B. 4.000 J C. 5.000 J D. 6.000 J E. 8.000 J
Pembahasan: ΔV = 0,05 − 0,02 = 0,03 m³; W = P × ΔV = 2 × 10⁵ × 0,03 = 6.000 J
Jawaban: D. 6.000 J
Soal 5 — Kompresi Adiabatik
Soal: Gas dikompresi sehingga lingkungan melakukan usaha 400 J terhadap gas, tanpa pertukaran kalor. Berapa perubahan energi dalam gas?
A. −400 J B. −200 J C. 0 J D. 200 J E. 400 J
Pembahasan: Karena Q = 0 dan usaha dilakukan terhadap gas (W = −400 J), maka ΔU = 0 − (−400) = 400 J.
Jawaban: E. 400 J
Soal 6 — Usaha Isobarik dengan Angka Berbeda
Soal: Pada tekanan 1,5 × 10⁵ Pa, volume gas berubah dari 0,01 m³ menjadi 0,03 m³. Berapa usaha yang dilakukan gas?
A. 1.500 J B. 2.000 J C. 2.500 J D. 3.000 J E. 4.500 J
Pembahasan: ΔV = 0,02 m³; W = 1,5 × 10⁵ × 0,02 = 3.000 J
Jawaban: D. 3.000 J
Soal 7 — Mencari Usaha dari Kalor dan Energi Dalam
Soal: Gas menerima kalor 1.000 J dan mengalami perubahan energi dalam 600 J. Berapa usahanya?
A. 200 J B. 300 J C. 400 J D. 600 J E. 1.600 J
Pembahasan: W = Q − ΔU = 1.000 − 600 = 400 J
Jawaban: C. 400 J
Soal 8 — Proses Isotermal
Soal: Pada proses isotermal gas ideal yang mengalami ekspansi, bagaimana perubahan energi dalamnya?
A. Bertambah B. Berkurang C. Tetap nol D. Tidak dapat ditentukan E. Selalu negatif
Pembahasan: Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu. Karena isotermal berarti suhu tetap, maka ΔU = 0.
Jawaban: C. Tetap nol
Soal 9 — Kalor yang Dilepaskan Mesin Kalor
Soal: Mesin kalor menyerap 2.000 J dari reservoir panas dan menghasilkan usaha 500 J. Berapa kalor yang dilepaskan ke reservoir dingin?
A. 500 J B. 1.000 J C. 1.500 J D. 2.000 J E. 2.500 J
Pembahasan: Qc = Qh − W = 2.000 − 500 = 1.500 J
Jawaban: C. 1.500 J
Soal 10 — Efisiensi Mesin Kalor
Soal: Mesin kalor menyerap 4.000 J dan menghasilkan usaha 1.000 J. Berapa efisiensinya?
A. 20% B. 25% C. 30% D. 40% E. 50%
Pembahasan: η = (W/Qh) × 100% = (1.000/4.000) × 100% = 25%
Jawaban: B. 25%
Soal 11 — Variasi Hukum I Termodinamika
Soal: Gas menerima kalor 1.200 J dan melakukan usaha 450 J. Berapa perubahan energi dalamnya?
A. 450 J B. 650 J C. 750 J D. 1.200 J E. 1.650 J
Pembahasan: ΔU = 1.200 − 450 = 750 J
Jawaban: C. 750 J
Soal 12 — Mencari Kalor dari Energi Dalam yang Menurun
Soal: Gas melakukan usaha 800 J terhadap lingkungan dan energi dalamnya turun 300 J. Berapa kalor yang diterima gas?
A. 300 J B. 500 J C. 800 J D. 1.100 J E. 1.500 J
Pembahasan: ΔU = −300 J, W = 800 J. Q = ΔU + W = −300 + 800 = 500 J
Jawaban: B. 500 J
Soal 13 — Ekspansi pada Tekanan Tetap
Soal: Gas mengembang pada tekanan tetap 3 × 10⁵ Pa. Volume bertambah dari 0,02 m³ menjadi 0,04 m³. Berapa usahanya?
A. 3.000 J B. 4.000 J C. 5.000 J D. 6.000 J E. 9.000 J
Pembahasan: ΔV = 0,02 m³; W = 3 × 10⁵ × 0,02 = 6.000 J
Jawaban: D. 6.000 J
Soal 14 — Perubahan Energi Dalam pada Volume Tetap
Soal: Pada proses isokhorik, gas menerima kalor 900 J. Berapa perubahan energi dalamnya?
A. 0 J B. 300 J C. 600 J D. 900 J E. 1.800 J
Pembahasan: Karena W = 0, maka ΔU = Q − 0 = 900 J
Jawaban: D. 900 J
Soal 15 — Kalor pada Proses Isotermal
Soal: Gas ideal mengalami proses isotermal, mengembang, dan melakukan usaha 600 J. Berapa kalor yang diterima gas?
A. 0 J B. 300 J C. 600 J D. 900 J E. 1.200 J
Pembahasan: Karena isotermal, ΔU = 0, sehingga Q = W = 600 J
Jawaban: C. 600 J
Soal 16 — Usaha dari Selisih Kalor Masuk dan Keluar
Soal: Mesin kalor menyerap 5.000 J dan melepaskan 3.500 J ke lingkungan. Berapa usaha yang dihasilkan?
A. 1.000 J B. 1.500 J C. 2.000 J D. 3.500 J E. 8.500 J
Pembahasan: W = Qh − Qc = 5.000 − 3.500 = 1.500 J
Jawaban: B. 1.500 J
Soal 17 — Efisiensi Mesin Kalor Lainnya
Soal: Mesin kalor menyerap 2.400 J dan menghasilkan usaha 600 J. Berapa efisiensinya?
A. 20% B. 25% C. 30% D. 40% E. 50%
Pembahasan: η = (600/2.400) × 100% = 25%
Jawaban: B. 25%
Soal 18 — Energi Dalam pada Siklus Penuh
Soal: Sistem kembali ke keadaan awal setelah satu siklus penuh. Berapa perubahan energi dalamnya?
A. 0 J B. 100 J C. 200 J D. Bergantung tekanan E. Bergantung volume
Pembahasan: Energi dalam adalah fungsi keadaan, sehingga jika kondisi akhir sama dengan kondisi awal, ΔU = 0.
Jawaban: A. 0 J
Soal 19 — Usaha dari Kalor dan Kenaikan Energi Dalam
Soal: Gas menerima kalor 1.500 J dan energi dalamnya bertambah 900 J. Berapa usahanya?
A. 300 J B. 500 J C. 600 J D. 900 J E. 2.400 J
Pembahasan: W = Q − ΔU = 1.500 − 900 = 600 J
Jawaban: C. 600 J
Soal 20 — Kompresi Tanpa Pertukaran Kalor
Soal: Gas dikompresi sehingga lingkungan melakukan usaha 700 J tanpa pertukaran kalor. Berapa perubahan energi dalamnya?
A. −700 J B. −350 J C. 0 J D. 350 J E. 700 J
Pembahasan: Q = 0, W = −700 J, sehingga ΔU = 0 − (−700) = 700 J
Jawaban: E. 700 J
Soal 21 — Definisi Proses Isobarik
Soal: Proses termodinamika yang berlangsung pada tekanan tetap disebut …
A. Isotermal B. Isokhorik C. Isobarik D. Adiabatik E. Siklik
Jawaban: C. Isobarik
Soal 22 — Definisi Proses Isotermal
Soal: Proses termodinamika yang berlangsung pada suhu tetap disebut …
A. Isobarik B. Isokhorik C. Isotermal D. Adiabatik E. Siklik
Jawaban: C. Isotermal
Soal 23 — Karakteristik Proses Adiabatik
Soal: Kondisi yang berlaku pada proses adiabatik adalah …
A. Suhu selalu tetap B. Tekanan selalu tetap C. Volume selalu tetap D. Tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan E. Energi dalam selalu nol
Jawaban: D. Tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan
Soal 24 — Energi Dalam pada Proses Adiabatik
Soal: Gas melakukan usaha 400 J dalam proses adiabatik. Berapa perubahan energi dalamnya?
A. −400 J B. −200 J C. 0 J D. 200 J E. 400 J
Pembahasan: Q = 0, sehingga ΔU = 0 − 400 = −400 J
Jawaban: A. −400 J
Soal 25 — Usaha Isobarik dengan Volume Kecil
Soal: Gas dalam silinder bertekanan tetap 2 × 10⁵ Pa mengalami penambahan volume 0,015 m³. Berapa usahanya?
A. 1.500 J B. 2.000 J C. 3.000 J D. 4.000 J E. 5.000 J
Pembahasan: W = 2 × 10⁵ × 0,015 = 3.000 J
Jawaban: C. 3.000 J
Soal 26 — Usaha dari Efisiensi Mesin Kalor
Soal: Mesin kalor menyerap 3.000 J dengan efisiensi 30%. Berapa usaha yang dihasilkan?
A. 600 J B. 700 J C. 800 J D. 900 J E. 1.000 J
Pembahasan: W = 30% × 3.000 = 900 J
Jawaban: D. 900 J
Soal 27 — Usaha Negatif pada Sistem
Soal: Sistem menerima kalor 1.000 J dan energi dalamnya bertambah 1.400 J. Berapa usaha yang dilakukan sistem?
A. −400 J B. −200 J C. 400 J D. 600 J E. 2.400 J
Pembahasan: W = Q − ΔU = 1.000 − 1.400 = −400 J. Tanda negatif berarti usaha justru dilakukan terhadap sistem, bukan oleh sistem.
Jawaban: A. −400 J
Soal 28 — Usaha Positif dan Ekspansi Gas
Soal: Jika gas melakukan usaha positif terhadap lingkungan, gas sedang mengalami …
A. Kompresi B. Ekspansi C. Pendinginan selalu D. Pemadatan E. Perubahan massa
Jawaban: B. Ekspansi
Soal 29 — Usaha Negatif pada Kompresi
Soal: Gas dikompresi pada tekanan tetap 1,5 × 10⁵ Pa, volume berkurang dari 0,06 m³ menjadi 0,04 m³. Berapa usaha yang dilakukan gas?
A. −3.000 J B. −2.000 J C. 0 J D. 2.000 J E. 3.000 J
Pembahasan: ΔV = 0,04 − 0,06 = −0,02 m³; W = 1,5 × 10⁵ × (−0,02) = −3.000 J
Jawaban: A. −3.000 J
Soal 30 — Inti Hukum I Termodinamika
Soal: Pernyataan yang paling tepat mengenai Hukum I Termodinamika adalah …
A. Kalor yang diberikan selalu berubah seluruhnya menjadi usaha B. Energi tidak dapat berpindah dari satu sistem ke sistem lain C. Perubahan energi dalam berkaitan dengan kalor dan usaha D. Suhu sistem selalu tetap dalam semua proses E. Tekanan sistem selalu konstan
Jawaban: C. Perubahan energi dalam berkaitan dengan kalor dan usaha
Tips Cepat Mengerjakan Soal Termodinamika
Dari 30 soal di atas, ada pola yang bisa dijadikan pegangan cepat saat ujian:
- Lihat dulu jenis prosesnya (isobarik, isokhorik, isotermal, atau adiabatik) sebelum menghitung apa pun, karena masing-masing punya “jalan pintas” rumus sendiri.
- Perhatikan tanda usaha: usaha bernilai positif jika dilakukan oleh gas (ekspansi), dan negatif jika dilakukan terhadap gas (kompresi).
- Untuk soal efisiensi mesin kalor, ingat bahwa η selalu dibandingkan terhadap kalor yang diserap, bukan kalor yang dilepaskan.
- Soal siklik selalu punya ΔU = 0 karena sistem kembali ke kondisi awal — ini sering jadi jebakan di soal ujian.
Kesimpulan
Soal termodinamika fisika pada dasarnya berputar di sekitar satu rumus utama, yaitu Hukum I Termodinamika (ΔU = Q − W), yang kemudian dikombinasikan dengan karakteristik masing-masing proses: isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik. Begitu pola dasarnya dikuasai, variasi soal seperti mencari usaha, kalor, efisiensi mesin, atau perubahan energi dalam sebenarnya hanya soal substitusi angka ke rumus yang tepat.
Latihan berulang dengan variasi angka seperti 30 soal di atas adalah cara paling efektif untuk membiasakan diri membaca konteks soal — apakah gas mengembang atau dikompresi, apakah ada pertukaran kalor atau tidak — sebelum terjun langsung ke perhitungan.
