T P = T C+10 = 8 10 T C +10 = 4 5 T C+10. Pembahasan Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X. Contoh soal kalibrasi termometer

Transkripsi

1 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Contoh soal kalibrasi termometer 1. Pipa kaca tak berskala berisi alkohol hendak dijadikan termometer. Tinggi kolom alkohol ketika ujung bawah pipa kaca dimasukkan dalam es meleleh adalah 5 cm dan tinggi kolom alkohol ketika ujung bawah pipa kaca dimasukkan ke dalam air mendidih adalah 25 cm. Ketika digunakan untuk mengukur suhu air, tinggi kolom alkohol 15 cm. Suhu air adalah... o C Tinggi kolom alkohol pada titik tetap bawah (titik es) = 5 cm Tinggi kolom alkohol pada titik tetap atas (titik didih) = 25 cm Tinggi kolom alkohol ketika mengukur suhu air = 15 cm Ditanya : Suhu air dalam skala Celcius Jumlah skala Celcius = 100 o dan selisih tinggi kolom alkohol = 25 cm 5 cm = 20 cm sehingga 1 o C setara dengan berapa cm? 20 cm / 100 o C = 0,2 cm / o C. Jadi 1 o C setara dengan 0,2 cm. Perubahan tinggi kolom alkohol = 15 cm 5 cm = 10 cm. 10 cm / 0,2 cm = x 1 o C = 50 o C Suhu air = 50 o C 2. Pipa kaca tak berskala berisi air raksa hendak dijadikan termometer. Ketika dimasukkan ke dalam es melebur panjang kolom raksa 5 cm dan ketika dimasukkan ke dalam air mendidih panjang kolom raksa 30 cm. Apabila termometer menunjukkan 24 o C maka tinggi kolom raksa adalah... cm Tinggi kolom raksa pada titik tetap bawah (titik es) = 5 cm Tinggi kolom raksa pada titik tetap atas (titik didih) = 30 cm Skala termometer = 24 o C Ditanya : Panjang kolom raksa Jumlah skala Celcius = 100 o dan selisih tinggi kolom alkohol = 30 cm 5 cm = 25 cm sehingga 1 cm setara dengan berapa o C? 100 o C / 25 cm = 4 o C/cm. Jadi 1 cm setara dengan 4 o C. 24 o C / 4 o C = 6 6 x 1 cm = 6 cm Tinggi kolom raksa = 5 cm + 6 cm = 11 cm 3. Termometer P menunjukkan titik beku air 10 o P dan titik didih air 90 o P. Jika suhu suatu benda ketika diukur menggunakan termometer Celcius adalah 40 o C, maka suhu benda tersebut ketika diukur menggunakan termometer P adalah... Titik beku air = 10 o P Titik didih air = 90 o P Suhu benda = 40 o C Ditanya : Suhu benda =... o P? Pada skala Celcius, titik beku air adalah 0 o C dan titik didih air adalah 100 o C. Antara titik beku dan titik didih air terdapat selisih 100 o - 0 o = 100 o. Pada skala P, titik beku air adalah 10 o P dan titik didih air adalah 90 o P. Antara titik beku dan titik didih air terdapat selisih 90 o 10 o = 80 o. Berdasarkan data ini, diperoleh rumus mengubah skala Celcius ke skala P : = T C+10 = 8 10 T C +10 = 4 5 T C+10

2 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X 40 o C =... o P? = 4 5 T C+10 = 4 ( 40 )+10 5 =4 (8 )+10 =32+10 =42 Suhu benda adalah 42 o P. Contoh soal konversi skala suhu (skala Celcius, skala Fahrenheit, skala Kelvin) o C =... o F? Pada tekanan udara 1 atmosfir, suhu titik es untuk termometer berskala Celcius adalah 0 o C, sedangkan termometer berskala Fahrenheit adalah 32 o F. Pada tekanan udara 1 atmosfir, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius adalah 100 o C, sedangkan termometer berskala Fahrenheit adalah 212 o F. Jadi 0 o C = 32 o F dan 100 o C = 212 o F. Pada skala Celcius, antara 0 o C sampai 100 o C terdapat 100 o. Pada skala Fahrenheit, antara 32 o F sampai 212 o F terdapat 180 o. Untuk memperoleh suhu dalam skala Fahrenheit (T o F), kalikan terlebih dahulu suhu dalam skala Celcius (T o C) dengan 9/5 lalu tambahkan dengan 32 o T o F = (180/100) T o C + 32 T o F = (9/5) T o C + 32 T o F = (9/5) T o F = (9) T o F = T o F = o C = 122 o F o F =... o C? Untuk memperoleh suhu dalam skala Celcius (T o C), kurangi suhu dalam skala Fahrenheit dengan 32 (T o F 32) lalu kalikan dengan 5/9. T o C = (100/180)(T o F - 32) T o C = (5/9)(T o F - 32) T o C = (5/9)(86-32) T o C = (5/9)(54) T o C = (5)(6) T o C = o Fahrenheit sama dengan 30 o Celcius o C =... K? T = T o C T = T = o C = 323 Kelvin o F =... K?

3 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Ubah suhu dalam skala Fahrenheit ke skala Celcius, lalu ubah suhu dalam skala Celcius ke skala Kelvin. T o C = (100/180)(T o F - 32) T o C = (5/9)(T o F - 32) T o C = (5/9)(212-32) T o C = (5/9)(180) T o C = (5)(20) T o C = o Fahrenheit sama dengan 100 o Celcius T = T = 373 Kelvin 5. x o C = x o F x =...? Cara 1 : Menggunakan rumus konversi skala Celcius ke skala Fahrenheit T o F= T o C +32 T o F= 9 5 T o C+32 x= 9 5 x+32 x 32= 9 5 x 5 ( x 32 )=9 x 5 x 160=9 x 5 x 9 x=160 4 x=160 x= x= o F = -40 o C Cara 2 : Menggunakan rumus konversi skala Fahrenheit ke skala Celcius T o C= (T o F 32) T o C= 5 9 ( To F 32) x= 5 ( x 32) 9 9 x=5 ( x 32 ) 9 x=5 x x 5x= x = 160 x= x= o C = -40 o F

4 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Contoh soal pemuaian panjang 1. Sebatang baja bersuhu 20 o C memiliki panjang 40 cm. Koefisien muai panjang baja 10-5 o C -1. Pertambahan panjang baja dan panjang akhir baja pada suhu 70 o C adalah... Pertambahan suhu (ΔT) = 70 o C 20 o C = 50 o C Panjang awal (L 1 ) = 40 cm Koefisien muai panjang baja ( ) = 10-5 o C -1 Ditanya : Pertambahan panjang (ΔL) dan panjang akhir (L 2 ) a) Pertambahan panjang (DL) ΔL = L 1 DT ΔL = (10-5 o C -1 )(40 cm)(50 o C) ΔL = (10-5 )(2 x 10 3 ) cm ΔL = 2 x 10-2 cm ΔL = 2 / 10 2 cm ΔL = 2 / 100 cm ΔL = 0,02 cm b) Panjang akhir (L 2 ) L 2 = L 1 + ΔL L 2 = 40 cm + 0,02 cm L 2 = 40,02 cm 2. Suatu logam mengalami perubahan suhu dari 30 o C menjadi 80 o C. Jika panjang akhir logam adalah 115 cm dan koefisien muai panjang logam o C -1, maka panjang awal logam dan pertambahan panjang logam adalah... Pertambahan suhu (ΔT) = 80 o C 30 o C = 50 o C Panjang akhir (L 2 ) = 115 cm Koefisien muai panjang logam ( ) = o C -1 Ditanya : Panjang awal (L 1 ) dan pertambahan panjang (ΔL) a) Panjang awal (L 1 ) Rumus pertambahan panjang : ΔL = L 1 ΔT Rumus panjang akhir : L 2 = L 1 + ΔL L 2 = L 1 + L 1 ΔT L 2 = L 1 (1 + ΔT) 115 cm = L 1 (1 + ( o C -1 )(50 o C) 115 cm = L 1 ( ) 115 cm = L 1 (1 + 0,15) 115 cm = L 1 (1,15) L 1 = 115 cm / 1,15 L 1 = 100 cm b) Pertambahan panjang (DL) ΔL = L 2 L 1 ΔL = 115 cm 100 cm ΔL = 15 cm 3. Ketika bersuhu 25 o C panjang kaca adalah 50 cm. Setelah dipanaskan, panjang kaca menjadi 50,9 cm. Koefisien muai panjang kaca α = 9 x 10-6 C -1. Suhu akhir kaca adalah...

5 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Panjang awal (L 1 ) = 50 cm Panjang akhir (L 2 ) = 50,09 cm Pertambahan panjang (ΔL) = 50,2 cm 50 cm = 0,09 cm Koefisien muai panjang kaca (α) = 9 x 10-6 o C -1 Suhu awal (T 1 ) = 25 o C Ditanya : Suhu akhir kaca (T 2 ) ΔL = L 1 ΔT ΔL = L 1 (T 2 - T 1 ) 0,09 cm = (9 x 10-6 o C)(50 cm)(t 2 25 o C) 0,09 = (45 x 10-5 )(T 2-25) 0,09 / (45 x 10-5 ) = T ,002 x 10 5 = T x 10 2 = T = T 2 25 T 2 = T 2 = 225 o C Suhu akhir kaca adalah 225 o C. 4. Logam dengan panjang awal 1 meter bertambah panjang menjadi 1,02 m setelah mengalami perubahan suhu sebesar 50 Kelvin. Tentukan koefisien muai panjang logam! Panjang awal (L 1 ) = 1 meter Panjang akhir (L 2 ) = 1,02 meter Perubahan panjang (ΔL) = L 2 L 1 = 1,02 meter - 1 meter = 0,02 meter Perubahan suhu (ΔT) = 50 Kelvin = 50 o C Ditanya : Koefisien muai panjang logam ΔL = L 1 ΔT 0,02 meter = (1 meter)(50 o C) 0,02 = a (50 o C) = 0,02 / 50 o C = 0,0004 o C -1 = 4 x 10-4 o C -1 Contoh soal pemuaian luas 1. Selembar baja pada suhu 20 o C memiliki panjang 50 cm dan lebar 30 cm. Jika koefisien muai panjang baja 10-5 o C -1 maka pertambahan luas dan luas total pada suhu 60 o C adalah... Suhu awal (T 1 ) = 20 o C Suhu akhir (T 2 ) = 60 o C Perubahan suhu (ΔT) = 60 o C 20 o C = 40 o C Luas awal (A 1 ) = Panjang x lebar = 50 cm x 30 cm = 1500 cm 2 Koefisien muai panjang baja ( ) = 10-5 o C -1 Koefisien muai luas baja ( ) = 2 = 2 x 10-5 o C -1 Ditanya : Pertambahan luas (ΔA) Pertambahan luas (DA) : ΔA = A 1 Δ T ΔA = (2 x 10-5 o C -1 )(1500 cm 2 )(40 o C) ΔA = (80 x 10-5 )(1500 cm 2 )

6 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X ΔA = x 10-5 cm 2 ΔA = 1,2 x 10 5 x 10-5 cm 2 ΔA = 1,2 cm 2 Luas total (A 2 ) : A 2 = A 1 + ΔA A 2 = 1500 cm 2 + 1,2 cm 2 A 2 = 1501,2 cm 2 2. Plat aluminium dengan koefisien muai panjang 24 x 10-6 / o C mempunyai luas 40 cm 2 pada suhu 30 o C. Tentukan suhu akhir apabila luas plat aluminium bertambah menjadi 40,2 cm 2. Suhu awal (T 1 ) = 30 o C Koefisien muai panjang aluminium ( ) = 24 x 10-6 o C -1 Koefisien muai luas aluminium ( ) = 2 = 2 x 24 x 10-6 o C -1 = 48 x 10-6 o C -1 Luas awal (A 1 ) = 40 cm 2 Luas akhir (A 2 ) = 40,2 cm 2 Perubahan luas (ΔA) = 40,2 cm 2 40 cm 2 = 0,2 cm 2 Ditanya : Tentukan suhu akhir (T 2 ) Rumus perubahan luas (ΔA) : A = A 1 T Suhu akhir (T 2 ) : A = A 1 (T 2 - T 1 ) 0,2 cm 2 = (48 x 10-6 o C -1 )(40 cm 2 )(T 2-30 o C) 0,2 = (1920 x 10-6 )(T 2-30) 0,2 = (1,920 x 10-3 )(T 2-30) 0,2 = (2 x 10-3 )(T 2 30) 0,2 / (2 x 10-3 ) = T ,1 x 10 3 = T x 10 2 = T = T = T 2 T 2 = 130 Suhu akhir = 130 o C 3. Suatu benda berbentuk lingkaran pada suhu 20 o C mempunyai jari-jari 20 cm. Jika pada suhu 100 o C jari-jarinya bertambah menjadi 20,5 cm maka koefisien muai panjang benda tersebut adalah... Suhu awal (T 1 ) = 30 o C Suhu akhir (T 2 ) = 100 o C Perubahan suhu ( T) = 100 o C 30 o C = 70 o C Jari-jari awal (r 1 ) = 20 cm Jari-jari akhir (r 2 ) = 20,5 cm Ditanya : Koefisien muai luas benda (b) Luas awal lingkaran (A 1 ) = p r 1 2 = (3,14)(20 cm) 2 = (3,14)(400 cm 2 ) = 1256 cm 2 Luas akhir lingkaran (A 2 ) = p r 2 2 = (3,14)(20,5 cm) 2 = (3,14)(420,25 cm 2 ) = 1319,585 cm 2 Pertambahan luas lingkaran ( A) = 1319,585 cm cm 2 = 63,585 cm 2 Rumus perubahan luas ( A) : A = A 1 T

7 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Koefisien muai luas : A = A 1 T 63,585 cm 2 = (1256 cm 2 )(70 o C) 63,585 = (87920 o C) = 63,585 / o C = 0,00072 / o C = 7,2 x 10-4 / o C = 7,2 x 10-4 o C -1 Koefisien muai panjang ( ) : = 2 = / 2 = (7,2 x 10-4 ) / 2 = 3,6 x 10-4 o C -1 Contoh soal pemuaian volume 1. Bola pejal terbuat dari aluminium dengan koefisien muai panjang 24 x 10-6 o C -1. Jika pada suhu 30 o C volume bola adalah 30 cm 3 maka agar volume bola itu bertambah menjadi 30,5 cm 3, bola tersebut harus dipanaskan hingga mencapai suhu... o C Koefisien muai panjang ( ) = 24 x 10-6 o C -1 Koefisien muai volume ( ) = 3 = 3 x 24 x 10-6 o C -1 = 72 x 10-6 o C -1 Suhu awal (T 1 ) = 30 o C Volume awal (V 1 ) = 30 cm 3 Volume akhir (V 2 ) = 30,5 cm 3 Perubahan volume (V) = 30,5 cm 3 30 cm 3 = 0,5 cm 3 Ditanya : Suhu akhir (T 2 ) ΔV = g (V 1 )(ΔT) ΔV = g (V 1 )(T 2 - T 1 ) 0,5 cm 3 = (72 x 10-6 o C -1 )(30 cm 3 )(T 2-30 o C) 0,5 = (2160 x 10-6 )(T 2-30) 0,5 = (2,160 x 10-3 )(T 2-30) 0,5 = (2,160 x 10-3 )(T 2-30) 0,5 / (2,160 x 10-3 ) = T ,23 x 10 3 = T ,23 x 1000 = T = T = T 2 T 2 = 260 o C 2. Bola berongga terbuat dari kaca mempunyai koefisien muai panjang 9 x 10-6 o C -1. Pada suhu 20 o C diameter dalam bola adalah 2,2 cm. Apabila diameter dalam bola bertambah menjadi 2,8 maka suhu akhir adalah... Koefisien muai panjang (a) = 9 x 10-6 o C -1 Koefisien muai volume (g ) = 3 a = 3 x 9 x 10-6 o C -1 = 27 x 10-6 o C -1 Suhu awal (T 1 ) = 20 o C Diameter awal (D 1 ) = 2,2 cm Diameter akhir (D 2 ) = 2,8 cm Jari-jari awal (r 1 ) = D 1 / 2 = 2,2 cm 3 / 2 = 1,1 cm 3 Jari-jari akhir (r 2 ) = D 2 / 2 = 2,8 cm 3 / 2 = 1,4 cm 3 Volume awal (V 1 ) = 4/3 p r 1 3 = (4/3)(3,14)(1,1 cm) 3 = (4/3)(3,14)(1,331 cm 3 ) = 5,57 cm 3

8 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Volume akhir (V 2 ) = 4/3 p r 2 3 = (4/3)(3,14)(1,4 cm) 3 = (4/3)(3,14)(2,744 cm 3 ) = 11,48 cm 3 Perubahan volume (ΔV) = 11,48 cm 3-5,57 cm 3 = 5,91 cm 3 Ditanya : Suhu akhir (T 2 ) ΔV = g (V 1 )(ΔT) 5,91 cm 3 = (27 x 10-6 o C -1 )(5,57 cm 3 )(T 2-20 o C) 5,91 = (150,39 x 10-6 )(T 2-20) 5,91 / 150,39 x 10-6 = T ,039 x 10 6 = T x 10 3 = T = T = T 2 T 2 = o C Contoh soal kalor 1. Timah bermassa 2 kilogram mempunyai kalor jenis 1400 J.kg -1 o C -1. Banyaknya kalor yang diserap timah untuk menaikkan suhunya dari 50 o C sampai 100 o C adalah... Massa (m) = 2 kg Kalor jenis timah (c) = 1400 J.kg -1 C -1 Perubahan suhu (ΔT) = 100 o C 50 o C = 50 o C Ditanya : Kalor (Q) yang diserap timah Rumus kalor : Q = m c ΔT Keterangan : Q = kalor, m = massa, c = kalor jenis, ΔT = perubahan suhu Kalor yang diserap timah : Q = (2 kg)(1400 J.kg -1 C -1 )(50 o C) Q = (100)(1400) Q = Joule Q = 1,4 x 10 5 Joule 2. Tembaga dengan kalor jenis 0,1 kal.gr -1 o C -1 mengalami perubahan suhu 40 o C. Apabila kalor yang diserap tembaga selama suhunya berubah adalah 200 kalori, maka massa tembaga tersebut adalah... Kalor jenis tembaga (c) = 0,1 kal.gr -1 o C -1 Perubahan suhu (ΔT) = 40 o C Kalor (Q) = 200 kalori Ditanya : Massa (m) tembaga Q = m c ΔT 200 kal = (m)(0,1 kal.gr -1 o C -1 )(40 o C) 200 = (m)(0,1 gr -1 )(40) 200 = (m)(1 gr -1 )(4) 200 = (m)(4 gr -1 ) m = 200 / 4 gr -1 m = 50 gr Massa tembaga adalah 50 gram. 3. Air bermassa 20 gram dengan kalor jenis 1 kal g -1 o C -1 pada mulanya bersuhu 30 o C. Tentukan suhu akhir air jika banyaknya kalor yang diserap air adalah 300 kalori!

9 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Massa (m) = 20 gr Suhu awal (T 1 ) = 30 o C Kalor jenis air (c) = 1 kal gr -1 o C -1 Kalor (Q) = 300 kal Ditanya : Suhu akhir air Q = m c ΔT 300 kal = (20 gr)(1 kal gr -1 o C -1 )(ΔT) 300 = (20)(1)(ΔT) 300 = 20 (ΔT) ΔT = 300 / 20 ΔT = 15 Perubahan suhu adalah 15 o C. Suhu akhir air = 15 o C + 30 o C = 45 o C. Contoh soal tara kalor mekanik 1. 2 kkal (kilokalori) =... kalori? 1 kkal = 1000 kalori 2 kkal = 2 (1000 kalori) = 2000 kalori 2. 4 Kalori =... kalori? 1 Kalori (huruf K besar) = 1 kkal = 1000 kalori 4 Kalori = 4 (1000 kalori) = 4000 kalori kalori =... Joule? 1 kalori = 4,186 Joule 10 kalori = 10 (4,186 Joule) = 41,86 Joule 4. 5 kkal =... Joule? 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule 5 kkal = 5 (4186 Joule) = Joule Joule =... kkal? 4186 Joule = 1 kkal 8372 Joule = 8372 / 4186 = 2 kkal 2000 Joule = 2000 / 4186 = 0,4777 kkal Contoh soal kalor jenis dan kapasitas kalor 1. Manakah yang lebih cepat panas jika dijemur bersamaan pada terik matahari, aluminium atau tembaga? Kalor jenis aluminium = 900 J/kg o C dan kalor jenis tembaga = 390 J/kg o C. Semakin besar kalor jenis benda, semakin lama panas benda tersebut, sebaliknya semakin kecil kalor jenis benda, semakin cepat panas benda tersebut. Kalor jenis tembaga lebih kecil dari kalor jenis aluminium karenanya tembaga lebih cepat panas. 2. Suatu benda bermassa 2 kg menyerap kalor sebanyak 100 kalori ketika suhunya berubah dari 20 o C hingga 70 o C. Kalor jenis benda tersebut adalah...

10 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Massa (m) = 2 kg = 2000 gr Kalor (Q) = 100 kal Perubahan suhu (ΔT) = 70 o C 20 o C = 50 o C Ditanya : Kalor jenis benda (c) c = Q / m ΔT c = 100 kal / (2000 gr)(50 o C) c = 100 kal / gr o C c = 10 2 kal / 10 5 gr o C c = (10 2 kal)(10-5 gr -1 o C -1 ) c = 10-3 kal gr -1 o C -1 c = 10-3 kal/gr o C Kalor jenis benda tersebut adalah 10-3 kal/gr o C 3. Kalor jenis air adalah 4180 J/kg C o. Kapasitas kalor 2 kg air adalah... Kalor jenis air (c) = 4180 J/kg C o Massa (m) = 2 kg Ditanya : Kapasitas kalor (C) C = m c C = (2 kg)(4180 J/kg C o ) C = (2)(4180 J/C o ) C = 8360 J/C o 4. Kalor jenis aluminium adalah 900 J/kg C o. Kapasitas kalor 2 gram aluminium adalah... Kalor jenis aluminium (c) = 900 J/kg C o = 9 x 10 2 J/kg C o Massa (m) = 2 gram = 2/1000 kg = 2/10 3 kg = 2 x 10-3 kg Ditanya : Kapasitas kalor (C) C = m c C = (2 x 10-3 kg)(9 x 10 2 J/kg C o ) C = 18 x 10-3 x 10 2 J/C o C = 18 x 10-1 J/C o C = 1,8 J/C o Contoh soal kalor laten, kalor lebur, kalor uap 1. Banyaknya kalor yang harus diserap untuk mengubah wujud 1 gram emas dari padat menjadi cair adalah... Kalor lebur emas = 64,5 x 10 3 J/kg Massa emas (m) = 1 gram = 1 x 10-3 kg Kalor lebur emas (L F ) = 64,5 x 10 3 J/kg Ditanya : Kalor (Q) yang diserap emas Q = m L F Q = (1 x 10-3 kg)(64,5 x 10 3 J/kg) Q = 64,5 Joule 2. Banyaknya kalor yang harus dilepaskan 1 gram raksa untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat adalah... Kalor lebur raksa = 11,8 x 10 3 J/kg

11 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Massa raksa (m) = 1 gram = 1 x 10-3 kg Kalor lebur raksa (L F ) = 11,8 x 10 3 J/kg Ditanya : Kalor (Q) yang dilepaskan raksa Q = m L F Q = (1 x 10-3 kg)(11,8 x 10 3 J/kg) Q = 11,8 Joule 3. Kalor yang diserap untuk menguapkan 1 kg air adalah... Kalor uap air = 2256 x 10 3 J/kg Massa air (m) = 1 kg Kalor uap air (L V ) = 2256 x 10 3 J/kg Ditanya : Kalor (Q) yang diserap air Q = m L V Q = (1 kg)(2256 x 10 3 J/kg) Q = 2256 x 10 3 Joule 4. Kalor yang dilepaskan untuk mencairkan 1 gram gas nitrogen adalah... Kalor uap nitrogen = 200 x 10 3 J/kg Massa air (m) = 1 gram = 1 x 10-3 kg Kalor uap nitrogen (L V ) = 200 x 10 3 J/kg Ditanya : Kalor (Q) yang dilepaskan gas nitrogen Q = m L V Q = (1 x 10-3 kg)(200 x 10 3 J/kg) Q = 200 Joule Contoh soal perpindahan kalor secara konveksi 1. Jelaskan menggunakan contoh, pengertian perpindahan kalor secara konveksi? Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan benda. Misalnya tinjau air dalam wadah aluminium dipanaskan menggunakan kompor. Pada mulanya kalor berpindah secara konduksi dan radiasi dari api ke wadah aluminium, setelah itu kalor berpindah secara konduksi dari wadah aluminium ke air. Perpindahan kalor secara konveksi dimulai ketika air yang berada dekat dengan wadah aluminium menerima tambahan kalor sehingga suhunya bertambah lalu memuai. Karena memuai maka kerapatan (massa jenis) berkurang sehingga air ini mengapung ke permukaan. Posisi air ini digantikan oleh air yang suhunya lebih rendah dan kerapatannya lebih besar. Proses ini berlangsung terus menerus sehingga timbul aliran konveksi air dalam wadah tersebut. Proses terhenti setelah semua air mencapai suhu sama atau ketika air mendidih. Contoh lain adalah terjadinya angin. Angin adalah udara yang bergerak. Udara bergerak agar kalor bisa berpindah dari bagian udara bersuhu tinggi ke bagian udara bersuhu rendah. 2. Mungkinkah perpindahan kalor secara konveksi terjadi antara atom/molekul zat padat? Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan materi, misalnya perpindahan udara dan perpindahan air laut. Udara yang berpindah disebut angin. Ketika udara berpindah, kalor juga berpindah bersama udara tersebut. Perpindahan kalor secara konveksi hanya terjadi pada zat yang dapat mengalir, yang disebut sebagai fluida. Zat yang dapat mengalir adalah zat cair dan zat gas, sedangkan zat padat tidak dapat mengalir. 3. Perpindahan kalor secara konveksi bisa terjadi secara alamiah dan buatan. Sebutkan dan jelaskan beberapa contoh!

12 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Contoh perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi secara alamiah adalah proses terjadinya angin (misalnya angin darat dan angin laut), proses terjadinya air panas, asap api yang selalu bergerak ke atas, dll. Contoh perpindahan kalor secara konveksi hasil buatan manusia adalah perpindahan asap melalui cerobong, perpindahan air dalam alat penyedia air panas, alat peniup rambut, dll. Contoh soal perpindahan kalor secara konduksi 1. Jelaskan menggunakan contoh, pengertian perpindahan kalor secara konduksi? Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi melalui tumbukan antara atom/molekul penyusun benda. Misalnya tinjau sebatang besi yang dipanaskan. Salah satu ujung besi disentuhkan ke api dan ujung lainnya dipegang. Walaupun ujung besi yang dipegang tidak bersentuhan dengan api tetapi karena kalor/panas berpindah melalui batang besi maka ujung besi yang dipegang terasa panas. Bagaimana cara kalor berpindah dari satu satu ujung besi ke ujung besi lainnya? Ujung besi yang dipanaskan mendapat tambahan kalor. Kalor adalah energi yang secara alamiah berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Adanya tambahan energi menyebabkan atom/molekul penyusun besi bergetar semakin jauh dari posisi setimbangnya. Ketika bergetar semakin jauh, atom/molekul tersebut menumbuk atom/molekul di sebelahnya sehingga atom/molekul yang ditumbuk bergetar semakin jauh dan mempunyai energi semakin besar. Proses ini berlangsung seterusnya hingga kalor tiba pada ujung besi yang dipegang. 2. Mungkinkah perpindahan kalor secara konduksi terjadi antara atom/molekul zat cair? Cermati contoh berikut ini. Ketika sebatang besi dipanaskan, kalor berpindah dari suatu atom/molekul besi ke atom/molekul besi lainnya sehingga bisa dikatakan perpindahan kalor secara konduksi terjadi antara atom/molekul zat padat. Perpindahan kalor secara konduksi tidak terjadi antara atom/molekul zat cair karena antara atom/molekul zat cair terjadi perpindahan kalor secara konveksi dan demikian juga antara atom/molekul zat gas terjadi perpindahan kalor secara konveksi. 3. Konduktivitas termal bata adalah 0,84 J/m.s.C o dan konduktivitas termal wol adalah 0,040 J/m.s.C o. Manakah yang merupakan konduktor kalor yang lebih baik, bata atau wol? Benda yang memiliki konduktivitas termal besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik) sedangkan benda yang memiliki konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk). Berdasarkan soal, konduktivitas termal bata lebih besar daripada konduktivitas termal wol sehingga bata merupakan penghantar kalor yang lebih baik dibandingkan wol. 4. Sebatang baja berbentuk silinder pejal mempunyai panjang 1 meter dan luas penampang 0,2 meter kuadrat. Konduktivitas termal baja adalah 40 J/m.s.C o. Jika selisih suhu antara kedua ujung baja adalah 10 o C, tentukan laju perpindahan kalor secara konduksi pada batang baja tersebut! Panjang baja (l) = 1 m Luas penampang baja (A) = 0,2 m 2 Konduktivitas termal baja (k) = 40 J/m.s.C o Perbedaan suhu kedua ujung baja (ΔT) = 10 o C Ditanya : Laju perpindahan kalor secara konduksi (Q/t) Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi : Q/t = k A ΔT / l Q/t = (40)(0,2)(10) / 1 Q/t = 80 / 1 Q/t = 80 Joule/sekon Contoh soal perpindahan kalor secara radiasi 1. Jelaskan menggunakan contoh, pengertian perpindahan kalor secara radiasi?

13 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Contoh perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalor dari matahari ke bumi. Di antara bumi dan matahari terdapat ruang hampa atau hampir hampa sehingga kalor yang datang dari matahari bersuhu lebih tinggi ke bumi bersuhu lebih rendah tidak mungkin melalui perantaraan materi. Cahaya yang datang dari matahari ke bumi termasuk gelombang elektromagnetik, demikian juga dengan beberapa gelombang elektromagnetik lainnya, sehingga dapat disimpulkan bahwa kalor berpindah dari matahari ke bumi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. 2. Mengapa tubuh terasa gerah dan kepanasan ketika menggunakan pakaian berwarna hitam pada siang hari yang terik? Jika demikian, apa warna pakaian yang cocok digunakan pada saat udara sangat sangat panas dan pada saat udara sangat dingin? Setiap warna mempunyai kemampuan yang berbeda dalam menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Warna hitam menyerap hampir semua kalor yang datang padanya, sedangkan warna putih memantulkan hampir semua kalor yang datang padanya. Tubuh terasa gerah ketika menggunakan pakaian berwarna hitam pada siang hari yang terik karena warna hitam menyerap hampir semua kalor yang datang dari matahari ke tubuh atau dari udara ke tubuh. Benda yang permukaannya berwarna hitam memiliki emisivitas mendekati 1, sedangkan benda yang berwarna putih memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas bernilai antara 0 sampai 1. Semakin besar emisivitas suatu benda (e mendekati 1), semakin banyak kalor yang dipancarkan atau diserap benda tersebut. Sebaliknya semakin kecil emisivitas suatu benda (e mendekati 0), semakin sedikit kalor yang dipancarkan atau diserap benda tersebut. Pada saat udara sangat panas, pakaian yang digunakan sebaiknya berwarna terang (misalnya putih) dan ketika udara sangat dingin, pakaian yang digunakan sebaiknya berwarna gelap (misalnya hitam). 3. Diketahui jari-jari bumi 149,6 x 10 6 km dan emisivitas bumi 0,95. Perkirakan laju perpindahan kalor secara radiasi dari matahari ke permukaan bumi pada siang hari ketika matahari tepat berada di atas kepala! Jari-jari bumi (r) = 149,6 x 10 6 km = 149,6 x 10 9 meter Luas permukaan bumi (A) = p r 2 = (3,14)(49,6 x 10 9 m) 2 = (3,14)(2460,16 x m 2 ) = 7725 x m 2 Emisivitas bumi = 0,95 Ditanya : Laju radiasi matahari (Q/t) Rumus laju radiasi matahari : Q/t = (1000 W/m 2 ) e A cos θ Keterangan : Q/t = laju radiasi matahari, 1000 W/m 2 = konstanta matahari, e = emisivitas, A = luas permukaan benda, θ = sudut yang terbentuk antara sinar matahari dengan garis normal permukaan bumi. Ketika matahari berada tepat di atas kepala, cahaya matahari tegak lurus dengan permukaan bumi. Ketika tegak lurus permukaan bumi, cahaya matahari membentuk sudut 0 o dengan garis normal yang tegak lurus permukaan bumi. Q/t = (1000 W/m 2 ) e A cos θ Q/t = (1000 W/m 2 )(0,95)(7725 x m 2 )(cos 0 o ) Q/t = (1000 W/m 2 )(0,95)(7725 x m 2 )(1) Q/t = (1000 W/m 2 )(0,95)(7725 x m 2 )(1) Q/t = x Q/t = 7,34 x Joule/sekon Contoh soal asas Black 1. Air panas bermassa 1 kg bersuhu 100 o C dicampur dengan air dingin bermassa 1 kg bersuhu 10 o C dalam sistem tertutup terisolasi. Kalor jenis air 4200 J/kg o C. Tentukan suhu akhir campuran? Massa air panas (m 1 ) = 1 kg Suhu air panas (T 1 ) = 100 o C Massa air dingin (m 2 ) = 1 kg Suhu air dingin (T 2 ) = 10 o C

14 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X Ditanya : Suhu akhir campuran (T) Rumus asas Black menyatakan bahwa kalor yang dilepas oleh benda bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah. Q lepas = Q serap m c ΔT = m c ΔT Kalor jenis (c) air sama sehingga dilenyapkan dari persamaan. m ΔT = m ΔT m 1 (T 1 - T) = m 2 (T - T 2 ) (1)(100 - T) = (1)(T - 10) 100 T = T = T + T 110 = 2T T = 110 / 2 T = 55 Suhu akhir campuran adalah 55 o C. 2. Soal UN Fisika SMA/MA U-ZC-2013/2014 No.17 Tiga kilogram batang timah hitam dengan kalor jenis 1400 J.kg -1 C -1 bersuhu 80 o C dicelupkan ke dalam 10 kg air dengan kalor jenis 4200 J.kg -1 C -1. Setelah terjadi kesetimbangan termal, suhu akhir campuran 20 o C. Suhu air mula-mula adalah... Massa timah (m 1 ) = 3 kg Kalor jenis timah (c 1 ) = 1400 J.kg -1 C -1 Suhu timah (T 1 ) = 80 o C Massa air (m 2 ) = 10 kg Kalor jenis air (c 2 ) = 4200 J.kg -1 C -1 Suhu kesetimbangan termal (T) = 20 o C Ditanya : Suhu air mula-mula (T 2 ) Q lepas = Q terima Q timah = Q air m 1 c 1 ΔT = m 2 c 2 ΔT (3)(1.400)(80-20) = (10)(4.200)(20-T) (4.200)(60) = (42.000)(20-T) = T T = T = T = / T = 14 Suhu air mula-mula adalah 14 o C. 3. Logam tembaga bersuhu 100 o C dimasukkan ke dalam air yang bermassa 128 gram dan bersuhu 30 o C. Kalor jenis air 1 kal.g -1o C -1 dan kalor jenis tembaga 0,1 kal.g -1o C -1. Jika kesetimbangan termal terjadi pada suhu 36 o C, maka massa logam tersebut adalah... Suhu tembaga (T 1 ) = 100 o C Kalor jenis tembaga (c 1 ) = 0,1 kal.g -1o C -1 Massa air (m 2 ) = 128 gram Suhu air (T 2 ) = 30 o C Kalor jenis air (c 2 ) = 1 kal.g -1o C -1 Suhu kesetimbangan termal (T) = 36 o C Ditanya : Massa tembaga (m 1 ) Asas Black menyatakan bahwa kalor yang dilepaskan benda bersuhu tinggi = kalor yang diterima benda bersuhu rendah. Q tembaga = Q air

15 Soal Suhu dan Kalor Fisika SMA Kelas X m 1 c 1 ΔT = m 2 c 2 ΔT (m 1 )(0,1)(100-36) = (128)(1)(36-30) (m 1 )(0,1)(64) = (128)(1)(6) (m 1 )(6,4) = 768 m 1 = 768 / 6,4 m 1 = 120 Massa tembaga adalah 120 gram. 4. Soal UN Fisika SMA 2012/2013 SA 55 No.17 Es bermassa M gram bersuhu 0 o C, dimasukkan ke dalam air bermassa 340 gram suhu 20 o C yang ditempatkan pada bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap/melepaskan kalor. Jika L es = 80 kal g -1, c air = 1 kal g -1 o C -1, semua es mencair dan kesetimbangan termal dicapai pada suhu 5 o C, maka massa es (M) adalah... Massa air (m) = 340 gram Suhu es (T es ) = 0 o C Suhu air (T air ) = 20 o C Suhu kesetimbangan termal (T) = 5 o C Kalor lebur es (L es ) = 80 kal g -1 Kalor jenis air (c air ) = 1 kal g -1 o C -1 Ditanya : Massa es (M) Asas Black menyatakan bahwa dalam sistem tertutup terisolasi, kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah. Kalor yang dilepas air (Q lepas) = kalor yang diserap es (Q serap) m air c air (ΔT) = m es L es + m es c air (ΔT) (340)(1)(20-5) = M (80) + M (1)(5-0) (340)(15) = 80M + 5M 5100 = 85M M = 5100/85 M = 60 gram Jawaban yang benar adalah A. Catatan : Jika dinyatakan es bersuhu 0 o maka air masih berwujud padat. Jika dinyatakan air bersuhu 0 o C maka air berwujud cair. Bedakan penggunaan kata es dan air. Karena air masih berwujud padat atau es, maka kalor yang diserap terlebih dahulu digunakan untuk mencairkan semua es menjadi air, karenanya pada ruas kanan persamaan di atas ditambahkan rumus untuk menghitung banyaknya kalor untuk mencairkan es (m es L es ). Setelah semua es mencair menjadi air, kalor tambahan digunakan untuk menaikan suhu es dari 0 o C menjadi 5 o C.