CONTOH SOAL FISIKA KUANTUM : MEKANIKA KUANTUM

1. Jelaskan mengapa radiasi benda hitam tidak dapat dijelaskan dalam fisika klasik.

Jawab :

Sebelumnya ada 2 teori klasik yang menjelaskan spektrum radiasi benda hitam, yaitu teori Wien dan teori Rayleigh-Jeans. Teori Wien menyatakan hubungan antara intensitas radiasi dengan panjang gelombang menggunakan analogi antara radiasi dalam ruangan dan distribusi kelajuan molekul gas. Namun, Teori Wien hanya mampu menjelaskan radiasi benda hitam untuk panjang gelombang yang pendek tetapi gagal untuk panjang gelombang yang panjang. Teori Rayleigh-Jeans menyatakan hubungan antara intensitas dan panjang gelombang radiasi dengan menggunakan penurunan dari teori klasik murni. Namun, teori ini hanya mampu menjelaskan panjang gelombang yang panjang tetapi gagal untuk panjang gelombang yang pendek. Jelas bahwa fisika klasik gagal menjelaskan radiasi benda hitam karena fisika klasik menyatakan bahwa spektra radiasi benda hitam adalah kontinu.

Akhirnya penjelasan yang memuaskan datang dari Max Planck yang mengajukan rumus empiris dan model teoritis yang ternyata sangat cocok dengan hasil pengamatannya. Asumsi Max Planck yaitu.

(1) Energi radiasi yang dipancarkan oleh getaran-getaran molekul benda bersifat diskret, yang besarnya adalah En = nhf dengan n = bilangan kuantum (1, 2, 3, ...), f = frekuensi getaran molekul (Hz), dan h = konstanta Planck.

(2) Molekul-molekul menyerap atau memancarkan energi radiasi dalam paket diskret yang disebut kuantum atau foton. Energi radiasi terkuantisasi dengan besar energi satu foton yaitu hf.

Karena kecocokkan dari pernyataan ini menandai lahirnya teori kuantum yang diawali oleh Teori Planck.

2. Apa makna konstanta Planck h ?

Jawab :

Konstanta Planck (lambang h) adalah konstanta fisika untuk menjelaskan ukuran kuanta.

3. Jelaskan fenomena efek fotolistrik secara klasik dan modern atau kuantum. Dimana perbedaan mendasarnya ?

Jawab :

Secara Klasik

Efek fotolistrik secara klasik didasarkan pada teori gelombang cahaya yang berorientasi pada dua sifat gelombang cahaya yaitu intensitas dan frekuensi. Namun, efek fotolistrik yang dijelaskan oleh teori gelombang cahaya gagal dalam menerangkan beberapa sifat efek fotolistrik.

Secara Kuantum

Efek fotolistrik secara kuantum didasarkan pada teori foton. Teori foton menyatakan bahwa semua foton memiliki energi yang sama (E = hf) sehingga menaikkan intensitas cahaya berarti menambah jumlah foton, tetapi tidak menambah energi tiap foton selama frekuensi tetap. Einstein menyatakan bahwa dalam interaksi antara foton dan elektron di dalam logam, sifat partikel cahayalah yang berperan yaitu terjadi tumbukan antara foton cahaya dengan elektron ibarat tumbukan antara dua bola biliar.

Perbedaan

Secara Klasik (Teori Gelombang Cahaya)

- Energi kinetik elektron foto harus bertambah jika intensitas cahaya diperbesar. Namun gagal karena fakta menunjukkan energi kinetik maksimum elektron foto tidak bergantung pada intensitas cahaya.

- Efek fotolistrik dapat terjadi pada setiap frekuensi asalkan intensitasnya memenuhi. Hal ini bertentangan dengan kenyataan bahwa setiap permukaan membutuhkan frekuensi minimum tertentu (frekuensi ambang fo) untuk dapat menghasilkan elekton foto.

- Diperlukan waktu yang lama agar elektron berhasil mengumpulkan energi untuk keluar dari permukaan logam. Namun, ternyata elektron dapat terlepas dari permukaan logam hampir tanpa selang waktu setelah penyinaran.

- Teori gelombang tidak dapat menjelaskan mengapa energi kinetik maksimum elekton foto bertambah jika frekuensi cahaya diperbesar.

Secara Kuantum (Teori Foton)

- Kenaikan intensitas cahaya menyebabkan bertambahnya jumlah elektron yang terlepas, tetapi karena energi elektron tidak berubah maka energi kinetik maksimum elekton foto juga tidak berubah.

- Kenaikan frekuensi cahaya akan meningkatkan energi kinetik elektron foto yang memenuhi hubungan berikut ini Ekm = hf - Wo.

- Elektron terlepas dari permukaan logam sesaat setelah penyinaran karena cahaya bersifat partikel (paket energi) sehingga terjadi transfer energi spontan dari foton ke elektron dengan interaksi satu-satu.

- Jika frekuensi cahaya f < frekuensi ambang fo, maka tidak ada elektron yang terlepas dari permukaan logam, berapapun intensitas cahaya yang digunakan.

4. Apakah sama antara photovoltaic dan sel surya ?

Jawab :

Sel surya sama saja dengan photovoltaic atau sel photovoltaic yaitu sebuah alat yang tersusun dari material semikonduktor yang dapat mengubah sinar matahari menjadi tenaga listrik secara langsung. Sel surya pada dasarnya terdiri atas sambungan p-n yang sama fungsinya dengan sebuah dioda. Sel surya mengikuti prinsip photovoltaic, maksudnya dalam cahaya matahari terkandung energi dalam bentuk foton dan ketika foton mengenai permukaan sel surya, elektron-elektronnya akan tereksitasi dan menimbulkan aliran listrik.

5. Apa itu XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) ? Apa perbedaannya dengan XRD (X-Ray Difraction) ?

Jawab :

XPS atau spektroskopi fotoelektron sinar-x adalah spektroskopi yang didasari oleh adanya pemisahan beresolusi tinggi dari energi ikatan elektron pada tingkat inti yang diemisikan oleh efek fotolistrik yang berasal dari radiasi sinar-x. Prinsip kerja XPS yaitu sumber foton berasal dari radiasi sinar-x dilewatkan pada sampel. Elektron yang berada di dekat inti atau kulit bagian dalam akan diemisikan keluar yang ditangkap oleh penganalisa dan dideteksi dalam bentuk energi ikat. Energi ikat elektron bagian dalam atau dekat inti oleh interface (permukaan) atau software akan ditampilkan dalam bentuk spektrum energi ikat terhadap intensitas, yang artinya pada akhirnya dapat diinterpretasikan sebagai kehadiran atom atau molekul tertentu.

Perbedaan XPS dan XRD

XPS

- Cahaya dianggap sebagai partikel karena prinsip kerjanya adalah sesuai dengan efek fotolistrik.

- Digunakan untuk melihat spektrum energi ikat terhadap intensitas dan interpretasi kehadiran atom atau molekul.

XRD

- Cahaya dianggap sebagai gelombang karena prinsipnya adalah difraksi cahaya (pembelokan arah gelombang).

- Digunakan untuk menganalisa padatan kristalin.

6. Jelaskan prinsip ketidakpastian Heisenberg. Apakah hubungannya dengan energi-waktu ?

Jawab :

Prinsip ketidakpastian Heisenberg menyatakan bahwa tidak mungkin kita mengetahui posisi partikel secara teliti dan momentum partikel secara teliti pada saat yang bersamaan. Jika kita dapat menentukan posisi partikel secara teliti, pastilah momentumnya tidak teliti dan sebaliknya. Sama saja halnya dengan gerak elektron di sekitar inti atom, tentu saja posisi dan momentum elektron tidak dapat ditentukan dengan pasti karena elektron selalu bergerak. Yang dapat ditentukan hanyalah orbital (daerah kebolehjadian terbesar untuk menemukan elektron).

Hubungan prinsip ketidakpastian Heisenberg dengan energi-waktu

Hal ini tidak mungkin untuk menentukan energi dan waktu koordinat partikel dengan tepat. Semua pengukuran energi membawa ke dalam ketidakpastian. Keadaan terendah dari atom telah juga didefinisikan karena atom biasanya ada tanpa batas waktu pada keadaan dasar. Keadaan lain pada energi yang lebih tinggi kurang tepat karena atom cepat atau lambat akan bergerak secara spontan ke kondisi menurunkan energi.

7. Jelaskan arti persamaan Schrodinger.

Jawab :

Persamaan Schrodinger yaitu fungsi gelombang yang menyatakan perilaku dari partikel (elektron), termasuk tingkat-tingkat energi elektron yang diskret dalam atom, yang mengikuti suatu persamaan diferensial untuk gelombang.

8. Apa yang dimaksud sumur potensial ?

Jawab :

Sumur potensial yaitu daerah yang tidak mendapat pengaruh potensial sedangkan daerah sekitarnya mendapat pengaruh potensial.

9. Apa yang dimaksud dengan Efek Tunneling (Terobosan) ?

Jawab :

Efek Tunneling (Terobosan) yaitu suatu efek yang menunjukkan bahwa partikel datang dapat menembus dinding potensial (potential barrier), meskipun energi kinetik partikel lebih kecil daripada tinggi dinding potensial.

10. Apa yang dimaksud dengan Laser ?

Jawab :

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) yaitu terjadinya proses penguatan cahaya oleh emisi radiasi yang terstimulasi. Atau diartikan sebagai mekanisme suatu alat yang memancarkan radiasi elektromagnetik, biasanya dalam cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat dilihat dengan mata normal melalui proses pancaran terstimulasi.

11. Sebutkan 3 elemen dasar di dalam laser ? Kondisi apa yang diperlukan agar laser dapat bekerja ?

Jawab :

Elemen dasar dalam laser yaitu.

(1) Media tambahan (gain media), keadaan energi yang berperan dalam perangsangan pancaran.

(2) Sumber pemompa (pumping source), menyediakan energi untuk melengkapi keadaan-keadaan sehingga perangsangan dapat terjadi.

(3) Lubang resonansi (resonant cavity), menyediakan jalur untuk foton.

Kondisi yang diperlukan agar laser bisa bekerja yaitu.

(1) Laser harus memenuhi sebagai sumber cahaya yang bersifat monokromatis dan koheren. Maksudnya yaitu hanya satu frekuensi yang dipancarkan atau sifat yang diakibatkan karena kesamaan frekuensi (monokromatis) dan sifat yang terjadi akibat kesamaan fasa (koheren).

(2) Harus ada media aktif yang memancarkan radiasi di wilayah yang dibutuhkan dari spektrum elektromagnetik. Laser bekerja pada spektrum inframerah sampai ultra ungu.

CONTOH SOAL FISIKA MODERN : RELATIVITAS

1. Seorang pengamat mengamati sebuah jam di sebuah menara menunjukkan pukul 12.00. Jika si pengamat bergerak menjauhi menara dengan kecepatan cahaya, jelaskan bagaimana gerak jarum jam raksasa menurut pengamat tersebut.

Jawab :

Jika pengamat menjauhi menara dengan kecepatan cahaya, maka pengamat (di luar angkasa) akan melihat gerak jarum jam berjalan dengan cepat. Untuk membandingkannya, kita anggap bahwa pengamat juga membawa jam (sudah diatur sesuai dengan jam di menara) dan mempunyai teleskop sensitif yang mampu melihat atau memantau gerak jam di menara. Dalam kasus ini, gerak jam pengamat di angkasa akan berjalan lambat dan gerak jam di menara lebih cepat (mulur waktu). Hal ini karena semakin besar kecepatan pengamat, menyebabkan gerak jam di menara (di bumi) terlihat semakin cepat atau waktu telah lama terlewati. Adanya medan gravitasi menyebabkan bumi dan sekitarnya bergerak lebih cepat, termasuk jam di menara tersebut.

2. Apakah mungkin mempercepat gerak benda bermassa m hingga mendekati kecepatan cahaya ?

Jawab :

Iya, mungkin mempercepat benda mendekati kecepatan cahaya. Asalkan nilai gaya F besar (Hukum II Newton berlaku), maka hal ini mungkin terjadi. Selain itu, asalkan energi besar memungkinkan benda bermassa m mendekati kecepatan cahaya. Benda yang mendekati kecepatan cahaya ini akan tampak mengecil atau berkurang panjang fisiknya dan mengalami pemelaran waktu dalam arti ruang serta waktu bergerak melambat terhadapnya.

Kalau kita tinjau dari rumus.

Jika kecepatan v mendekati kecepatan cahaya maka nilai penyebut akan menjadi sangat kecil, maka nilai massa benda m menjadi besar.

Dari sini kita dapat lihat bahwa kita dapat mempercepat benda bermassa m mendekati kecepatan cahaya. Ini berarti untuk benda dengan kecepatan sama dengan kecepatan cahaya menjadi m = mo / 0. Tapi ini tidak mungkin karena haruslah massa nol atau diam (mo = 0).

Jadi, kita dapat dapat mempercepat gerakan benda mendekati kecepatan cahaya, namun tidak dapat mempercepatnya sama besar atau melebihi kecepatan cahaya. Para ilmuwan juga telah menyimpulkan bahwa kecepatan cahaya menjadi batas akhir kecepatan.

3. Bagaimana kontraksi panjang pesawat di luar angkasa menurut astronot yang juga ada di dalam pesawat ?

Jawab :

Benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya akan tampak lebih pendek bila diukur dari kerangka diam atau orang lain di bumi. Namun, pengamat di luar angkasa tidak merasa ada konstraksi panjang pesawat yang ia gunakan dalam perjalanannya ke ruang angkasa (tidak ada perubahan apa-apa). Sebenarnya yang terjadi saat pesawat bergerak dengan kecepatan tinggi atau mendekati cahaya, bukan saja waktu namun seluruh benda termasuk pengamat bergerak semakin lambat sehingga pengamat melihatnya normal-normal saja, termasuk ia tidak merasa ada perubahan atau kontraksi panjang pesawat.

4. (a) Orang menjatuhkan bola ke tanah dan (b) orang bergerak mendekati kecepatan cahaya dan menjatuhkan boleh ke tanah, apakah perbedaan dari dua peristiwa tersebut ?

Jawab :

Pada peristiwa (a) bola mengalami gerak jatuh bebas. Pada peristiwa ini percepatannya tetap karena setiap benda yang dijatuhkan dari ketinggian h ataupun bahkan dilempar ke atas akan jatuh ke bumi karena adanya gaya tarik bumi (gravitasi). Selain itu, peristiwa ini merupakan gerak lurus berubah beraturan dengan kelajuan tetap, kecepatan awal vo = 0 dan mengalami percepatan a = g. Semua benda yang jatuh di bumi akan selalu memiliki percepatan yang sama, tidak bergantung pada ukuran, berat, susunan benda, dan jika hambatan udara diabaikan.

Pada peristiwa (b) yaitu seseorang yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dapat ditinjau dua kemungkinan yaitu.

- (1) Jika masih di bumi, maka bola akan mengalami gerak jatuh bebas juga karena masih terpengaruh gaya gravitasi seperti pada peristiwa (a).

- (2) Jika orang tersebut bergerak mendekati kecepatan cahaya dan berada di luar angkasa, maka peristiwa ini berada di ruang hampa udara yang tidak ada hambatan udara. Karena tidak ada hambatan udara, maka bola akan terjatuh perlahan-lahan.

Sehingga, bola yang jatuh di bumi akan lebih cepat dibandingkan di luar angkasa karena gaya gravitasi di luar angkasa memiliki kerapatan dan tekanan yang sangat kecil sehingga bola jatuh terus-menerus secara perlahan.

5. Jelaskan perubahan yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari jika kecepatan cahaya adalah 50 m/s.

Jawab :

Jarak matahari ke bumi yaitu kurang lebih 150.000.000 km. Waktu yang dibutuhkan agar cahaya matahari sampai ke bumi rata-rata 8 menit dan 20 detik (500 sekon) dengan kecepatan cahaya 300.000 km/s. Jika kecepatan cahaya menjadi 50 m/s, tidak mungkin ada kehidupan di bumi. Bumi akan menjadi gelap gulita dan dingin.

6. Jelaskan teori relativitas khusus dan umum Einstein.

Jawab :

Teori Relativitas Khusus (1905)

Teori relativitas khusus membahasa tentang kerangka acuan yang bergerak relatif terhadap kerangka acuan lain. Teori ini didasarkan pada 2 Postulat Einstein yaitu.

1. "Hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap (kerangka acuan inersia)". Postulat pertama dikemukakan karena tidak adanya kerangka acuan universal sebagai acuan mutlak dan merupakan perluasan relativitas Newton untuk memasukkan tidak hanya hukum-hukum Mekanika tetapi juga hukum fisika lainnya termasuk listrik dan magnet.

2. "Kelajuan cahaya di ruang hampa ke segala arah adalah sama untuk semua pengamat, tidak bergantung pada gerak sumber cahaya maupun pengamat". Postulat kedua memiliki implikasi yang sangat luas dimana kecepatan, panjang, waktu, dan massa benda semuanya bersifat relatif sehingga relativitas Newton dan Transformasi Galileo tidak dapat digunakan.

Teori Relativitas Umum (1916)

Teori relativitas umum menggantikan Hukum Gravitasi Newton. Teori ini menggunakan matematika geometri, diferensial, dan tensor untuk menjelaskan gravitasi. Teori ini memiliki bentuk yang sama bagi seluruh pengamat, baik bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan yang dipercepat atau lembam. Dalam relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya (seperti dalam Hukum Gravitasi Newton), tetapi merupakan konsekuensi dari kelengkungan ruang-waktu. Relativitas umum menunjukkan bahwa kelengkungan ruang-waktu terjadi akibat kehadiran massa, yaitu massa objek terhadap ruang dan waktu.

MEMBUAT PROGRAM MENEBAK NAMA BUAH DAN PROGRAM BOLA MEMANTUL DENGAN BAHASA PEMROGRAMAN PYTHON

CODING PROGRAM MENEBAK NAMA BUAH

import random

print 'Program Tebak Nama Buah'

 

while True :

    print 'Apakah anda ingin bermain tebak nama buah?'

    print 'Pilihan :'

    print ' 1. Ya'

    print ' 2. Tidak'

    m=int(raw_input ('Silahkan tentukan pilihan anda (Ya/Tidak) :'))

    if m==1:

buah=['alpukat','anggur','apel','belimbing','blewah','cempedak','ceri','delima','duku','durian','jambu','jeruk','kedongdong','kelapa','kelengkeng','kiwi','leci','lemon','mangga','manggis','markisa','melon','nanas','nangka','pepaya','pir','pisang','rambutan','salak','sawo','semangka','sirsak','srikaya','stroberi']

        a=random.choice(buah)

        nyawa=len(a)

        garis='_ '

        b=garis*len(a)

        x=' '

        print 'nyawa anda:',nyawa

        print b

        tebak=raw_input('Masukkan tebakan anda:')

        while nyawa >0:

            if garis in b:

                K=0

                for huruf in a :

                    if huruf in x :

                        print huruf,

                    else :

                        print '_',

                        K+=1

            if garis not in b or K==0:

                print 'Selamat! Tebakan Anda benar. Buah yang dimaksud adalah',a

                break

            print

            if tebak not in a:

                print 'Huruf', tebak, 'Tidak ada dalam nama buah'

                nyawa-=1

            if nyawa==0:

                print 'Maaf, Anda gagal! Buah yang dimaksud adalah',a

                break

            if nyawa >0:

                print 'nyawa anda:',nyawa

                tebak=raw_input('Masukkan tebakan anda:')

                x+= tebak

               

    else:

        print 'Terima kasih'

        print 'Semoga anda terhibur :) '

        break

CODING PROGRAM BOLA MEMANTUL

#Program Bola Memantul

import pygame,time, sys

from pygame.locals import *

 

pygame.init()

 

# SET UP THE WINDOW

ukuran = width, height = 1300,600

layar = pygame.display.set_mode ( ukuran )

pygame.display.set_caption('Bola Memantul')

 

# SET UP THE COLOUR

BLACK       = (  0,   0,   0)

WHITE       = (255, 255, 255)

RED         = (255,   0,   0)

GREEN       = (  0, 255,   0)

BLUE        = (  0,   0, 255)

GRAY        = (185, 185, 185)

YELLOW      = (255, 255,   0)

ORANGE      = (255, 140,   0)

MAGENTA     = (255,   0, 255)

GRENOBLE    = (204, 204, 112)

 

FPS = 100 # Frame per Second Setting

fpsClock = pygame.time.Clock()

 

# PICTURE & SOUND

gambar = pygame.image.load('ball.gif')

suara = pygame.mixer.Sound('bouncing ball.wav')

 

# DRAW ON SURFACE OBJECT

posx = 0

posy = 200

arah = 'down'

n=20

m=500

 

while True:

    layar.fill(GRENOBLE)

    layar.blit (gambar,(posx,posy))

    pygame.display.update()

    suara.play()

    fpsClock.tick(FPS)

    if arah == 'down':

        posy += 10

        if posy == m:

            n+=20

            arah = 'up'    

    elif arah == 'up':

        posy -= 5

        posx+=1

        if posy == n:

            arah = 'down'

        elif posy < n :

            break

   

    for event in pygame.event.get():

        if event.type == QUIT:

            pygame.quit()

            sys.exit()

MENGHITUNG PELURUHAN MASSA RADIOAKTIF DENGAN BAHASA PEMROGRAMAN MATLAB (MATRIX LABORATORY)

Peluruhan radioaktif dimodelkan sebagai berikut.

1. Buat program menghitung N pada t = 100 s dengan metode Euler (Numerik).

Berikut ini adalah output yang diperoleh dengan metode Euler.

2. Plot grafik t vs N tiap t tersebut.

3. Cari N saat t = 100 s dengan analitik dan plot grafik t vs N tiap t tersebut.

4. Hitung error hasil numerik (metode Euler) dibandingkan analitik.

Lampiran Program Matlab

CONTOH SOAL TERMODINAMIKA : KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

1. Apa perbedaan antara pendekatan termodinamika klasik dan statistik ?

Jawab :

Pendekatan termodinamika klasik yaitu pendekatan termodinamika yang menggunakan pandangan makroskopik yang tidak memperhatikan struktur materi dalam skala atomik dan interaksi antara atom-atom penyusun materi tersebut.

Pendekatan termodinamika statistik yaitu pendekatan termodinamika yang menggunakan pandangan mikroskopik yang didasarkan pada perilaku sejumlah besar molekul penyusun sistem.

2. Seorang karyawan di kantor menyatakan bahwa segelas kopi dingin di mejanya dapat dipanaskan sampai suhu 80°C hanya dengan suhu di sekitar ruangan sebesar 25°C. Apakah pernyataannya benar ? Apakah ini melanggar Hukum Termodinamika ?

Jawab :

Pernyataan karyawan kantor itu tidak benar. Proses ini melanggar Hukum Kedua Termodinamika. Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa aliran kalor memiliki arah dan tidak semua proses di alam semesta adalah reversibel (dapat dibalikkan arahnya). Pada kasus ini, tidak mungkin udara sekitar yang hanya 25°C memanaskan kopi dingin mencapai 80° C. Hal ini karena kopi dingin tidak dapat melebihi suhu sekitar dan kesetimbangan suhunya pastinya akan berada di bawah 25°C (di bawah dari lingkungan sekitar).

3. Apa perbedaan antara energi makroskopik dan mikroskopik ?

Jawab :

Energi makroskopik yaitu keberadaan energi yang ditandai dari posisinya terhadap lingkungan, berhubungan dengan gerakan massa pembawa energi dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, tegangan permukaan fluida, dan sebagainya. Contohnya yaitu energi kinetik dan energi potensial.

Energi mikroskopik yaitu keberadaan energi yang ditentukan oleh struktur internal dari zat pembawa energi sendiri dan tidak bergantung kepada lingkungannya, yaitu struktur dan gerakan molekul dari zat tersebut.

4. Apa perbedaan antara sifat intensif dan ekstensif ?

Jawab :

Sifat intensif yaitu sifat yang tidak bergantung langsung pada massa (tidak bergantung pada ukuran dan kuantitas bahan), seperti suhu, tekanan, viskositas, intensitas listrik, dan tegangan permukaan.

Sifat ekstensif yaitu sifat yang bergantung langsung pada massa (bergantung pada ukuran dan kuantitas bahan), seperti volume, panjang, berat atau massa, energi atau kerja, dan luas permukaan.

5. Definisikan proses isotermal, isobarik, dan isokhorik.

Jawab :

Proses isotermal yaitu proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada suhu tetap.

Proses isobarik yaitu proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada tekanan tetap.

Proses isokhorik yaitu proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada volume tetap.

6. Apa perbedaan antara tekanan gauge dan tekanan mutlak ?

Jawab :

Tekanan Gauge yaitu perbedaan antara tekanan sesungguhnya dengan tekanan atmosfer.

Tekanan Mutlak yaitu tekanan sesungguhnya di suatu titik di dalam zat alir yang diukur relatif terhadap tekanan nol mutlak.

7. Kebanyakan energi dihasilkan oleh mesin mobil dikeluarkan ke udara oleh radiator melalui sirkulasi air. Apakah radiator dianalisa sebagai sistem terbuka atau tertutup ?

Jawab :

Radiator dianalisa sebagai sistem terbuka. Hal ini karena pada kasus ini ada transfer panas pada mesin mobil yang terbuang oleh radiator melalui sirkulasi air dan air yang didinginkan dalam radiator ini kembali masuk ke mesin mobil setelah didinginkan oleh udara (ada transfer massa) dengan bantuan pompa air.

8. Kaleng softdrink pada suhu ruang dimasukkan ke dalam kulkas sehingga menjadi dingin. Apakah kaleng softdrink dianalisa sebagai sistem terbuka atau tertutup ?

Jawab :

Kaleng softdrink pada kulkas dianalisa sebagai sistem tertutup. Jika kaleng softdrink didinginkan, maka panas keluar dari kaleng ke dalam kulkas saat udara dingin dari kulkas mengalir ke kaleng (ada transfer panas). Namun, pada kasus ini tidak terdapat transfer massa, maksudnya tidak ada air yang dilepaskan atau dikeluarkan selama waktu pendinginan.

9. Apa hukum ke nol Termodinamika ?

Jawab :

Hukum ke nol Termodinamika berbunyi jika dua benda dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda itu berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

10. Apa yang dimaksud dengan proses kuasi ekuilibrium ?

Jawab : 

Proses kuasi ekuilibrium yaitu proses yang terjadi dengan hanya sedikit sekali penyimpangan dari kesetimbangan.

CONTOH SOAL FISIKA POLIMER : POLIMER SAINS DAN TEKNOLOGI

1. Cari nama komersilnya.

Jawab :

a. Polyethylene = Kantong Plastik

b. Poly (vinyl x) = Pipa PVC (Paralon)

c. Polystyrene = Styrofoam

d. Polyoxymethylene = Flexy Glass

e. Poly (ethylene terephthalate) = Dakron

f. Polyisobutylene = Karet Sintetis

2. Bagaimana menetukan derajat polimerasi ?

Jawab :

Derajat polimerasi merupakan banyaknya kesatuan unit yang berulang dari suatu polimer dalam rantai. Semakin besar derajat polimerasi, polimer semakin keras dan kaku. Semakin kecil derajat polimerasi, maka polimer akan semakin elastis. Cara menentukan derajat polimerasi yaitu dengan :

a. Rasio perbandingan berat molekul polimer dengan berat molekul monomernya

b. Metode viskositas atau viskometri

Pertama-tama menentukan berat molekul menggunakan Persamaan Mark - Houwink, yaitu

Kemudian mencari nilai derajat polimerisasi.

3. Definisi akrilik dan rumus molekul kimianya.

Jawab :

Akrilik merupakan plastik yang menyerupai kaca (disebut polimetil metakrilat) yang bersifat termoplastis, transparasi, memiliki daya lentur yang baik, dan tahan ultraviolet. Rumus kimianya yaitu (C5O2H8)n.

4. Ban termasuk termoplas atau termoset ? Jelaskan perbedaannya.

Jawab :

Termoplastik

- Jenis polimer yang melunak ketika terkena panas dan mengeras kembali setelah didinginkan.

- Dapat didaur ulang.

- Berat molekul kecil, mudah diregangkan, fleksibel, titik leleh rendah, mudah larut dalam pelarut, dan memiliki struktur linear atau bercabang.

- Contohnya adalah polistirena, polietilena, polipropilena, acrylonitryl butadine styrene, polymethil metacrylate.

Termosetting

- Jenis polimer yang tetap keras (tidak melunak) ketika terkena panas.

- Tidak dapat didaur ulang karena akan langsung mengeras dan menjadi arang jika dipanaskan.

- Keras dan kaku (tidak fleksibel), tidak dapat larut dalam pelarut apapun, tahan terhadap asam basa, dan mempunyai ikatan silang atau rantai molekul.

- Contohnya adalah bakelit, fenol formaldehida, urea formaldehida, melamine formaldehida, alkyds, epoxyresin, polyorethane, silicones, polycarbonat, teflon, PVC, nilon, cellulosics, dan polyfluorocarbon.

Dari perbedaan di atas, maka dapat diketahui bahwa ban termasuk termoplastik.

5. Bagaimana hubungan antara panjang ikatan dengan panjang rantai ?

Jawab :

Panjang ikatan merupakan jarak antara dua buah atom yang saling berikatan dalam suatu molekul.

Panjang rantai menunjukkan banyak sedikitnya jumlah monomer.

Umumnya, semakin pendek ikatan maka rantainya juga semakin pendek. Ikatan yang lebih pendek akan lebih stabil dan kuat dibandingkan ikatan yang panjang. Hal ini dikarenakan ikatan yang pendek berikatan rangkap (dua atau lebih tinggi) sehingga akan lebih sulit diputuskan. Sedangkan, ikatan yang panjang maka rantai semakin besar dan tidak stabil. Ikatan yang panjang akan memiliki rantai lurus atau bercabang (terlihat banyak) akan lebih mudah diputuskan di bagian tertentu. Untuk rantai panjang juga titik didihnya semakin tinggi, fleksibilitas meningkat, gaya tarik antar molekulnya kuat tetapi kurang stabil.

6. Bagaimana hubungan antara panjang rantai dan panjang ikatan dengan volume jenis ?

Jawab :

Volume jenis merupakan volume dari polimer yang tidak terhuni oleh molekul itu sendiri (ada kekosongan).

Semakin tinggi volume jenis polimer, maka akan ada banyak ruang bagi molekul untuk bergerak. Untuk panjang ikatan dan rantai yang pendek, maka molekul di dalamnya memiliki keleluasaan untuk berotasi di sekitar ikatannya. Ini disebut dengan mobilitas internal rantai. Hal ini karena pada rantai yang panjang, jumlah molekul dalam volume benda lebih banyak. Berarti panjang ikatan yang pendek, volume jenisnya semakin besar karena partikelnya ditinjau lebih besar molekulnya.

7. Bagaimana hubungan antara panjang rantai dan panjang ikatan dengan Tg ?

Jawab :

Tg (Temperatur Transisi Glass) merupakan temperatur dimana terjadi perubahan fasa dari fasa glassy atau rigid (kaku) menjadi fasa rubbery (lentur).

Tiap polimer mempunyai Tg yang karakteristik. Salah satu faktor yang mempengaruhi Tg adalah gaya tarik antarmolekul. Semakin kuat molekul polimer terikat satu sama lain, maka energi termal yang diperlukan untuk menghasilkan gerakan semakin besar. Akibatnya, Tg lebih tinggi daripada temperatur degradasinya (penurunannya). Berarti, karena panjang ikatan maka panjang rantainya semakin besar memiliki gaya tarik molekul besar maka dapat disimpulkan semakin besar panjang rantai dan panjang ikatan, maka akan memiliki Tg yang lebih besar. Selain itu, rantai yang panjang umumnya rapat-rapat apalagi rantai yang lurus mengakibatkan rantai menjadi kaku, maka dibutuhkan Tg yang lebih besar.

8. Jelaskan perbedaan  dan persamaan Spektroskopi Inframerah dan Raman.

Jawab :

Perbedaan

Inframerah (IR)

- Serapan IR perlu modus getar yang mempunyai perubahan momen dipol (distribusi muatan) dalam molekul diikuti penyerapan energi ke tingkat energi vibrasi.

- Menyangkut pada perubahan momen dipol.

- Infrared inactive jika tidak ada momen dipol (molekul-molekul homonuclear) walau terjadi regangan, serapan radiasi di frekuensi getar tidak tercapai.

- Pada teknik IR, frekuensi radiasi yang diberikan divariasikan kemudian kuantitas radiasi yang terabsorpsi atau ditransmisikan diukur.

Raman

- Emisi Raman memerlukan distorsi distribusi elektron di sekitar ikatan (pada saat itu terjadi polarisasi molekul) diikuti emisi kembali energi radiasi.

- Menyangkut pada perubahan polarisasinya (kepolaran).

- Raman active pada saat regang terbesar (jarak 2 atom terbesar) dan kepolaran ikatan paling tinggi.

- Pada teknik Raman, sampel disinari dengan sinar monokromatik hingga dihasilkan dua cahaya sebaran.

Persamaan

- Keduanya melibatkan transisi molekul pada tingkat energi vibrasi pertama dengan pergeseran energi yang sama.

- Atom-atom dalam molekul tidak dapat diam, melainkan bervibrasi (bergetar).

- Sama-sama digunakan dalam analisa sampel berupa komposisi kimianya ataupun lainnya.

- Kedua teknik ini saling melengkapi karena kebanyakan efek Raman dan IR muncul bersamaan.

CONTOH SOAL FISIKA ZAT PADAT : TRANSFORMASI FASA PADA LOGAM

1. Untuk beberapa transformasi memiliki kinetika yang sesuai dengan persamaan Avrami, parameter n diketahui memiliki nilai 1,5. Jika setelah 125 s, reaksi telah komplit 25%, berapa lama (total waktu) yang akan diperlukan sehingga transformasi menjadi komplit 90% ?

Penyelesaian :

2. Diketahui bahwa kinetika kristal rekristalisasi untuk beberapa paduan sesuai dengan persamaan Avrami, dan nilai n dalam eksponensial adalah 5,0. Jika pada suatu temperatur fraksi rekristalisasi adalah 0,30 setelah 100 menit, tentukan nilai rekristalisasi pada temperatur tersebut.

Penyelesaian :

3. Secara singkat deskripisikan fenomena dari superheating dan supercooling ? Mengapa fenomena tersebut muncul ?

Penyelesaian :

Superheating dan supercooling berhubungan bertutut-turut dengan panas atau dingin di atas atau di bawah suhu transisi fasa tanpa terjadinya transformasi. Fenomena tersebut muncul karena tepat terjadi di suhu transisisi fasa, gaya pengendali (driving force) tidak cukup untuk menyebabkan transformasi terjadi. Gaya pengendali meningkat selama superheating atau supercooling.

4. Secara singkat jelaskan perbedaan antara perlit, bainit, dan spereodit sesuai dengan mikrostruktur dan sifat mekaniknya.

Penyelesaian :

Mikrostruktur perlit, bainit, spereodit semuanya terdiri atas fasa α-ferit dan sementit. Untuk perlit, fasa ada sebagai lapisan dimana berubah satu sama lain. Bainit terdiri dari bentuk sangat halus dan sejajar dari partikel sementit yang dikelilingi oleh matriks α-ferit. Untuk spereodit, matriksnya adalah ferit, dan fasa sementit berbentuk partikel bola.

5. Gunakan diagram transformasi isotermal untuk paduan besi-karbon komposisi eutectoid, tentukan mikrostruktur akhir dari spesimen kecil yang telah dipelajari berdasarkan perlakuan panas-waktu. Di kasus lain asumsikan spesimen dimulai pada suhu 760°C (1460°F) dan telah dimulai cukup lama untuk menghasilkan struktur austenisasi yang komplit dan homogen.

Penyelesaian :

6. Secara singkat jelaskan mengapa perlit halus lebih keras dan kuat daripada perlit kasar, dimana sebaliknya perlit kasar adalah lebih kuat dan keras dibanding spereodit.

Penyelesaian :

Kekerasan dan kekuatan paduan besi-karbon yang memiliki mikrostruktur yang terdiri dari fasa α-ferit dan sementit bergantung pada area batas diantara dua fasa. Area yang lebih besar, kekerasan dan kekuatan paduan karena (1) batas halangan gerak dislokasi, dan (2) fasa sementit membatasi deformasi fasa ferit dalam wilayah berdekatan ke fasa batas. Perlit halus lebih keras dan kuat dari perlit kasar karena perubahan lapisan ferit-sementit lebih tipis untuk perlit halus, dan karena itu, terdapat lebih area batas fasa. Batas fasa antara partikel bola sementit dan matriks ferit tak sebanyak pada spereodit dan perubahan lapisan mikrostruktur ditemukan pada perlit kasar.

7. Tentukan.

Penyelesaian :

8. Secara singkat jelaskan mengapa tidak terdapat wilayah transformasi bainit pada diagram transformasi dingin kontinu untuk paduan besi-karbon dari komposisi eutectoid.

Penyelesaian :

Tidak ada transformasi bainit pada diagram transformasi dingin kontinu untuk paduan besi-karbon dari komposisi eutectoid karena dengan waktu kurva dingin (cooling) telah melewati wilayah bainit, seluruh spesimen paduan akan ditransformasi ke perlit.

9. Secara singkat deskripsikan prosedur perlakuan panas dingin kontinu (continuous cooling) pada perubahan baja 4340 dari satu mikrostruktur ke lainnya.
(a) (Martensit + ferit + bainit) ke (martensit + ferit + perlit + bainit)
(b) (Martensit + ferit + bainit) ke spereodit
(c) (Martensit + bainit +ferit) ke martensit

Penyelesaian :

(a) Untuk mengkonversi dari (martensit + ferit + bainit) ke (martensit + ferit + perlit + bainit) diperlukan suhu di atas 720°C, memenuhi austenisasi secara komplit, maka dingin ke suhu kamar pada nilai antara 0,02 dan 0,006°C/s.

(b) Untuk mengkonversi (martensit + ferit + bainit) ke spereodit paduan harus dipanaskan sekitar suhu 700°C untuk beberapa jam.

(c) Untuk mengkonversi (martensit + bainit +ferit) ke martensit diperlukan suhu di atas 720°C, memenuhi austenisasi secara komplit, berikutnya dingin ke suhu kamar pada nilai lebih besar dari 8,3°C/s dan akhirnya perlakuan panas paduan secara isotermal di temperatur antara 400 dan 550°C selama sekitar 1 jam.

10. Urutkan paduan besi-karbon dan hubungkan dari terkeras sampai terlunak : (a) 0,25 wt% C dengan perlit kasar, (b) 0,80 wt% C dengan spereodit, 0,25 wt% C dengan spereodit, dan (d) 0,80 wt% C dengan perlit halus.

Penyelesaian :

Urutan untuk komposisi dan mikrostruktur berdasarkan kekerasannya, yaitu :

0,80 wt% C dengan perlit halus
0,80 wt% C dengan spereodit
0,25 wt% C dengan perlit kasar
0,25 wt% C dengan spereodit

0,25 wt% C dengan perlit kasar lebih keras daripada 0,25 wt% C dengan spereodit walaupun komposisi paduan keduanya sama. 0,80 wt% C dengan spereodit lebih keras daripada 0,25 wt% C dengan perlit kasar. 0,80 wt% C dengan perlit halus lebih keras daripada 0,80 wt% C dengan spereodit karena banyaknya fasa batas ferit-sementit  pada perlit halus.

11. Buatlah salinan diagram transformasi isotermal untuk 1,13 wt% C paduan besi-karbon berikutnya sketsalah dan labelkan waktu-suhu berdasarkan mikrostruktur :

(a) 6,2 % sementit proeutectoid dan 93,8 % perlit kasar

(b) 50 % perlit halus dan 50 % bainit

(c) 100 % martensit

(d) 100 % martensit kasar

Penyelesaian :