Materi dan pembahasan soal kalor

MATERI KALOR

PEMUAIAN

Pemuaian panjang

Keterangan:
ΔL = L1 – L0 = perubahan panjang (m).
L0 = panjang mula-mula (m).
L1 = panjang setelah memuai (m).
α = koefisien muai panjang.
ΔT = T1 – T0 = perubahan suhu (^oC).
T0 = suhu mula-mula (^oC).
T1 = suhu setelah memuai (^oC).

Pemuaian luas

Keterangan:
ΔA = A1 – A0 = perubahan luas (m²).
A0 = luas mula-mula (m²).
A1 = luas setelah memuai (m²).
Β = 2α = koefisien muai luas.
ΔT = T1 – T0 = perubahan suhu (^oC).
T0 = suhu mula-mula (^oC).
T1 = suhu setelah memuai (^oC).

Pemuaian volume

Keterangan:
ΔV = V1 – V0 = perubahan panjang (m³).
V0 = volume mula-mula (m³).
V1 = volume setelah memuai (m³).
γ = 3α = koefisien muai volume.
ΔT = T1 – T0 = perubahan suhu (^oC).
T0 = suhu mula-mula (^oC).
T1 = suhu setelah memuai (^oC).

KALOR

Kalor adalah energi yang berpindah karena perbedaan suhu.

Q = m . c . ΔT

Keterangan:
Q = kalor (Joule atau kalori).
m = massa (kg).
c = kalor jenis (Joule/kg.^oC atau kalori/gr.^oC).
ΔT = T2 – T1 = perubahan suhu (^oC).
T2 = suhu tinggi (^oC).
T1 = suhu rendah (^oC).

KALOR LATEN

Kalor laten adalah kalor yang diserap oleh suatu benda selama proses dengan suhu konstan.

Q = m . L

Keterangan:
Q = kalor laten (Joule).
m = massa zat (kg).
L = kalor lebur/kalor beku/kalor uap (J/kg).

ASAS BLACK

Asas Black menjabarkan:
Jika kedua benda yang berbeda suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama.

Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas.

Kalor serap = Kalor lepas

CARA-CARA PERPINDAHAN KALOR

Konduksi

Konduksi adalah perambatan kalor tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya. Penjalaran ini biasanya terjadi pada benda padat. Kalor mengalir pada konduktor dari sisi yang bersuhu tinggi ke sisi yang bersuhu rendah.



Keterangan:
H = laju hantaran kalor (J/s).
k = koefisien konduktivitas termal (J/m.s.K atau J/m.s.^oC).
A = luas permukaa (m²).
ΔT = perbedaan suhu (K atau ^oC).
L = panjang benda (m).

Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain disertai dengan perpindahan bagian-bagian zat perantara. Konveksi umumnya terjadi pada cairan atau gas.



Keterangan:
H = laju hantaran (J/s).
k = koefisien konveksi (J/s.m².K) atau (J/s.m².^oC).
ΔT = perbedaan suhu (K atau ^oC).
A = luas permukaan (m²).

Radiasi

Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa melalui zat perantara. Sebagai contoh radiasi dari sinar matahari.



Keterangan:
W = energi radiasi persatuan waktu (Watt/m²)
e = emisitivitas permukaan
σ = konstanta stefan-Boltzman (5,67 . 10^-8 watt/m².K⁴)
A = luas permukaan (m²)
T = suhu mutlak (K)

Contoh soal kalor dan pembahasan

Pembahasan soal pemuaian

Nomor 1
Selembar baja pada suhu 20 ^oC memiliki ukuran seperti gambar.

Jika koefisien muai panjang baja 10^-5 /^oC, maka pertambahan luas pada suhu 60 ^oCadalah...
A.0,08 cm²
B.0,16 cm²
C.0,24 cm²
D.0,36 cm²
E.0,64 cm²

Pembahasan:
Diketahui:
T0 = 20 ^oC
T1 = 60 ^oC
A0 = P . L = 40 cm . 20 cm = 800 m²
α = 10^-5 /^oC
Ditanya: ΔA = ...
Jawab:
a. Terlebih dahulu hitung β.
β = 2α = 2 . 10^-5 /^oC
b. Menghitung ΔA.
ΔA = A0 . β . ΔT
ΔA = 800 cm² . 2 . 10^-5 /^oC . (60 – 20) ^oC
ΔA = 1600 cm² . 10^-5 . 40
ΔA = 64000 cm² . 10^-5 = 0,64 cm²
Jawaban: E

Nomor 2
Lempengan logam berbentuk persegi dengan ukuran seperti gambar dengan suhu 40 ^oC.

Pertambahan luas logam tersebut jika suhunya dinaikkan sampai 160 ^oC (α = 25 . 10^-6 /^oC) adalah...
A. 10,8 cm²
B. 14,4 cm²
C. 18 cm²
D. 21,6 cm²
E. 29,0 cm²

Pembahasan:
Diketahui:
T0 = 40 ^oC
T1 = 160 ^oC
A0 = P . L = 60 cm . 60 cm = 3600 cm²
α = 25 . 10-6 /^oC
Ditanya: ΔA = ...
Jawab:
Terlebih dahulu hitung β.
β = 2α = 2 . 25 . 10^-6 /^oC = 50 . 10^-6 /^oC

Menghitung ΔA.
ΔA = 3600 cm² . 50 . 10^-6 /^oC . (160 – 40)^oC
ΔA = 21,6 cm²
Jawaban: D

Pembahasan soal azas Black

Nomor 1
Air bermassa 200 gram dan bersuhu 30 ^oC dicampur dengan 100 gram air mendidih dan bersuhu 90 ^oC (kalor jenis air = 1 kal/gr.^oC). suhu air campuran saat kesetimbangan termal adalah...
A.10 ^oC
B.30 ^oC
C.50 ^oC
D.75 ^oC
E.150 ^oC

Pembahasan:
Diketahui:
mserap = 200 gram
Tserap = 30 ^oC
mlepas = 100 gram
Tlepas = 90 ^oC

Ingat!
Zat yang menyerap kalor adalah zat yang suhunya rendah. Zat yang melepas kalor adalah zat yang suhunya tinggi.

Ditanya: T = ... (suhu kesetimbangan)
Jawab:
Kalor serap = kalor lepas
ms . cair . ΔTs = ml . cair . ΔTl
ms (T – Ts) = ml (Tl – T)

Ingat!
ΔTs dan ΔTl menyatakan selisih antara suhu zat dengan suhu akhir/kesetimbangan.

ΔTs = T – Ts
ΔTl = Tl – T
200 gr (T – 30 ^oC) = 100 gr (90 ^oC – T)
2 (T – 30 ^oC) = (90 ^oC – T)
2 T – 60 ^oC = 90 ^oC – T
2 T + T = 90 ^oC + 60 ^oC
3 T = 150 ^oC

Nomor 2
Sepotong uang logam bermassa 50 gram dan bersuhu 85 ^oC dicelupkan ke dalam 50 gram air bersuhu 29,8 ^oC (kalor jenis air = 1 kal/gr.^oC) jika suhu akhirnya 37 ^oC dan wadahnya tidak menyerap kalor, maka kalor jenis logam adalah..
A.0,15 kal/gr.^oC
B.0,30 kal/gr.^oC
C.1,50 kal/gr.^oC
D.4,80 kal/gr.^oC
E.7,20 kal/gr.^oC


Nomor 3
Balok es bermassa 50 gram bersuhu 0 ^oC dicelupkan pada 200 gram air bersuhu 30 ^oC yang diletakkan pada wadah yang khusus. Anggap wadah tidak menyerap kalor. Jika kalor jenis air 1 kal/gr.^oCdan kalor lebur es 80 kal/gr, maka suhu akhir campuran...
A. 5 ^oC
B. 8 ^oC
C. 11 ^oC
D. 14 ^oC
E. 17 ^oC

 

Pembahasan soal konduksi

Nomor 1 

Batang besi homogen salah satu ujungnya dipanasi. Besi itu memiliki luas penampang 17 cm² dan konduktivitas termal 4 . 10⁵ J/s.m.^oC. panjang batang 1 m dan perbedaan suhu kedua ujung 30 ^oC. Kalor yang merambat dalam batang besi selama 2 detik adalah...
A. 2,81 . 10³ J
B. 4,08 . 10⁴ J
C. 4,08 . 10⁵ J
D. 6,00 . 10⁵ J
E. 7,10 . 10⁵ J



Nomor 2
Dua batang A dan B berukuran sama masing-masing mempunyai koefisien konduksi 2k dan k. Keduanya dihubungkan menjadi satu dan pada ujung-ujung yang bebas dikenakan suhu seperti gambar.


Suhu (T) pada sambungan A dan B adalah...
A.80 ^oC
B.100 ^oC
C.120 ^oC
D.150 ^oC
E.160 ^oC


Nomor 4
Dua batang logam P dan Q disambungkan pada salah satu ujungnya. Pada ujung-ujung yang lain diberi panas dengan suhu yang berbeda (lihat gambar).


Bila panjang dan luas kedua logam sama tetapi konduktivitas logam P dua kali konduktivitas logam Q, suhu tepat pada sambungan (T) adalah...
A.20 ^oC
B.30 ^oC
C.40 ^oC
D.50 ^oC
E.60 ^oC

Pembahasan soal radiasi

Nomor 1
Sebuah plat baja dengan panjang 2 m dan lebar 0,5 m suhunya 227 ^oC. Bila tetapan Boltzman = 5,67 . 10^-8 W/m².K⁴ dan plat baja hitam sempurna, maka energi total yang dipancarkan setiap detik adalah...
A.3345,57 Joule
B.3345,75 Joule
C.3543,75 Joule
D.4533,75 Joule
E.7087,5 Joule


Nomor 2
Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan tiap detik oleh benda hitam pada temperatur 300 K dan 900 K adalah...
A.1 : 243
B.1 : 81
C.1 : 27
D.1 : 9
E.1 : 3

Soal-soal latihan kalor

Nomor 1
Sebatang tembaga panjangnya 1 m dipanaskan hingga suhunya naik 80 ^oC. Jika koefisien muai panjang termbaga 2 . 10^-4 /^oC, maka panjang tembaga setelah dipanaskan adalah...
A. 1,01 m
B. 1,012 m
C. 1,014 m
D. 1,016 m
E. 1,018 m

Nomor 2
Sepotong logam bermassa 50 gram bersuhu 90 ^oCdicelupkan ke dalam 100 gram air bersuhu 29,5 ^oC (kalor jenis air 1 kal/gr.^oC). Jika suhu akhir 35 ^oC, maka kalor jenis logam adalah...
A.0,20 kal/gr.^oC
B.0,16 kal/gr.^oC
C.0,15 kal/gr.^oC
D.0,12 kal/gr.0C
E.0,10 kal/gr.^oC

Nomor 3
Es bermassa M gram bersuhu 0 ^oC dimasukkan ke dalam air bermassa 340 gram dan suhu 20 ^oC yang ditempatkan pada bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap kalor. Jika Les = 80 kal/gr, cair = 1 kal/gr.^oC, semua es mencair dan kesetimbangan termal tercapai pada suhu 5 C, maka massa es (M) adalah...
A.60 gram
B.68 gram
C.75 gram
D.80 gram
E.170 gram

Nomor 4

Sepotong es yang massanya 75 gram saat berada pada titik leburnya dimasukkan ke dalam bejana berisi 150 gram air bersuhu 100 ^oC (kalor jenis air 1 kal/gr.^oC dan kalor lebur es 80 kal/gr.^oC). jika dianggap tidak ada kalor yang terserap pada wadahnya setelah terjadi kesetimbangan termal, maka suhu akhir adalah...
A.60 ^oC
B.50 ^oC
C.45 ^oC
D.40 ^oC
E.36 ^oC

Nomor 5

Luas keseluruhan dinding sebuah lemari pendingin 5 m². Kemampuan dinding itu menyerap kalor setara dengan kemampuan penyekat yang dilakukan gabus setebal 10 cm. Konduktivitas termal gabung 4 . 10^-2 J/s.m.^oC. Perbedaan suhu didalam dan diluar lemari 30 ^oC. Kalor yang lewat melalui dinding setiap detik adalah...
A.5 J
B.20 J
C.30 J
D.50 J
E.60 J