Ringkasan materi dan pembahasan soal UN tentang suhu dan kalor

RINGKASAN MATERI DAN PEMBAHASAN SOAL UN FISIKA SMA TENTANG KALOR

Ringkasan materi dan pembahasan soal-soal ujian nasional fisika sma tentang suhu dan kalor ini meliputi pemuaian, kalor, Azas Black, dan cara perpindahan kalor. Pemuaian yang dibahas meliputi pemuaian panjang, pemuaian luas dan pemuaian volume. Kalor terbagi menjadi dua yaitu kalor secara umum dan kalor laten. Pada bahasan perpindahan kalor mencakup perpindahan secara konduksi, konveksi dan radiasi. Ringkasan ini juga dilengkapi dengan soal-soal latihan untuk mengukur tingkat pemahaman. Jadi pas buat menghadapi ujian nasional, ulangan harian atau ujian lainnya.

PEMUAIAN

Pemuaian panjang

rumus 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 (0C).
T0 = suhu mula-mula (0C).
T1 = suhu setelah memuai (0C).

Pemuaian luas

Rumus pemuain 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 (0C).
T0 = suhu mula-mula (0C).
T1 = suhu setelah memuai (0C).

Pemuaian volume

Rumus pemuaian volume
Ketarangan:
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 (0C).
T0 = suhu mula-mula (0C).
T1 = suhu setelah memuai (0C).

KALOR

Kalor adalah energi yang berpindah karena perbedaan suhu.
Rumus kalor
Keterangan:
Q = kalor (Joule atau kalori).
m = massa (kg).
c = kalor jenis (Joule/kg.0C atau kalori/gr.0C).
ΔT = T2 – T1 = perubahan suhu (0C).
T2 = suhu tinggi (0C).
T1 = suhu rendah (0C).

KALOR LATEN

Kalor laten adalah kalor yang diserap oleh suatu benda selama proses dengan suhu konstan.
Rumus kalor laten
Keterangan:
Q = kalor laten (Joule).
m = massa zat (kg).
L = kalor lebur/kalor beku/kalor uap (J/kg).

ASAS BLACK

Asas Black menjabarkan:1) Jika kedua benda yang berbeda suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama.
2) Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas.
Persamaan azas Black

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.
Rumus konduksi

Keterangan:
H = laju hantaran kalor (J/s).
k = koefisien konduktivitas termal (J/m.s.K atau J/m.s.0C).
A = luas permukaa (m2).
ΔT = perbedaan suhu (K atau 0C).
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.
rumus konveksi

Keterangan:
H = laju hantaran (J/s).
k = koefisien konveksi (J/s.m2.K) atau (J/s.m2.0C).
ΔT = perbedaan suhu (K atau 0C).
A = luas permukaan (m2).

Radiasi

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

Rumus radiasi

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

CONTOH SOAL DAN PEMBAHASAN SUHU DAN KALOR

Nomor 1 (UN 2012)
Air sebanyak 60 gram bersuhu 90 C (kalor jenis air = 1 kal/gr.C) dicampur 40 gram air sejenis bersuhu 25 C. Jika tidak ada faktor lain yang mempengaruhi proses ini, maka suhu akhir campuran adalah...
A. 15,4 C
B. 23,0 C
C. 46,0 C
D. 64,0 C
E. 77,0 C

Pembahasan:
Gunakan asas Black
Qlepas = Qserap
m1 c1 ΔT1 = m2 c2 ΔT2
m1 ΔT1 = m2 ΔT2
60 (90 - T) = 40 (T - 25)
540 - 6T = 4T - 100
6T + 4T = 540 + 100
10T = 640
T = 64 C
Jawaban: D

Nomor 2 (UN 2013)
Es bermassa M gram bersuhu 0 C, dimasukkan kedalam air bermassa 340 gram suhu 20 C yang ditempatkan dalam bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap/melepas kalor. Jika Les = 80 kal/gram, Cair = 1 kal/g.C, 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

Pembahasan
Gunakan asas Black
Qlepas = Qserap
m1 c1 ΔT1 = m2 c2 ΔT+ Mes Les
340 . 1 . (20 - 5) = Mes. 1 . (5 - 0) + Mes . 80
5100 = 5 Mes + 80 Mes
5100 = 85 Mes
Mes = 5100 /85 = 60 gram
Jawaban: A

Nomor 3 (UN 2009)
Dua batang logam P dan Q disambungkan pada salah satu ujungnya dan pada ujung-ujung yang lain diberi suhu yang berbeda.
contoh soal konduksi
Bila panjang dan luas penampang logam sama tetapi konduktivitas logam P dua kali konduktivitas logam Q, maka suhu tepat disambungan B adalahA. 20 C
B. 30 C
C. 40 C
D. 50 C
E. 60 C

Pembahasan
Laju konduktivitas termal kedua logam sama
Kp . Ap . ΔTp / Lp = Kq . Aq . ΔTq / Lq
2 Kq . (60 - T) = Kq (T - 30)
120 - 2T = T - 30
T + 2T = 120 + 30 =150
T = 150 / 3 = 50 C
Jawaban: D

Nomor 4
Sebatang tembaga panjangnya 1 m dipanaskan hingga suhunya naik 80 0C. Jika koefisien muai panjang termbaga 2 . 10-4 /0C, 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

Pembahasan
Terlebih dahulu hitung perubahan panjang tembaga.
ΔL = L0 . a . ΔT  = 1 m . 2 . 10-4 /0C (80 0C= 16 . 10-3 m
Menghitung panjang tembaga setelah dipanaskan:
L = Lo + ΔL = 1 m + 16 . 10-4 m = 1,016 m
Jawaban: C

Nomor 5
Pelat besi pada suhu 20 0C memiliki ukuran seperti gambar.

Contoh soal pemuaian luas
Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 0C dan koefisien muai panjang besi 1,1 . 10-7 /0C maka luasnya sekarang menjadi...
A.       4,0000106 m2
B.       4,0000140 m2
C.       4,0000376 m2
D.       4,0000704 m2
E.        4,0000726 m2

Pembahasan
Hitung terlebih dahulu perubahan luas pelat besi:
ΔA = A0 . β . ΔT = 4 m2 . 2 . 1,1 . 10-7 /0C (100 0C - 20C) = 7,4 . 10-6 m2
Menghitung luas pelat besi
A = Ao + ΔA = 4 m2 + 70,4 . 10-6 m2 =  4,0000704 m2
Jawaban: D

Nomor 6
Sepotong logam bermassa 50 gram bersuhu 90 0C dicelupkan ke dalam 100 gram air bersuhu 29,5 0C (kalor jenis air 1 kal/gr.0C). Jika suhu akhir 35 0C, maka kalor jenis logam adalah...
A.       0,20 kal/gr.0C
B.       0,16 kal/gr.0C
C.       0,15 kal/gr.0C
D.       0,12 kal/gr.0C
E.        0,10 kal/gr.0C

Pembahasan
Kalor serap = Kalor lepas
ml. cl . ΔTl = mair. cair . ΔTair
50 gr. cl . (90 0C  – 35 0C) = 100 gr. 1 kal/gr.0C (35 0– 29,5 0C)
cl . 55 0C = 2 kal/gr.0C . 5,5 0C
cl = 0,2 kal/gr.0C
Jawaban: A

Nomor 7
Es bermassa M gram bersuhu 0 0C dimasukkan ke dalam air bermassa 340 gram dan suhu 20 0C yang ditempatkan pada bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap kalor. Jika Les = 80 kal/gr, cair = 1 kal/gr.0C, semua es mencair dan kesetimbangan termal tercapai pada suhu 5 0C, maka massa es (M) adalah.,...
A.       60 gram
B.       68 gram
C.       75 gram
D.       80 gram
E.        170 gram

Pembahasan
Kalor serap = kalor lepas
ms . L + ms . cair . ΔTs = ml . cair . ΔTl
M . 80 + M . 1 . (5 - 0) = 340 . 1 . (20 - 5)
80 M + 5 M = 5100
85 M = 5100
M = 5100 / 85 = 60 gram
Jawaban: A

Nomor 8
Sepotong es yang massanya 75 gram saat berada pada titik leburnya dimasukkan ke dalam bejana berisi 150 gram air bersuhu 100 0C (kalor jenis air 1 kal/gr.0C dan kalor lebur es 80 kal/gr.0C). jika dianggap tidak ada kalor yang terserap pada wadahnya setelah terjadi kesetimbangan termal, maka suhu akhir adalah...
A.       60 0C
B.       50 0C
C.       45 0C
D.       40 0C
E.        36 0C

Pembahasan
Kalor serap = kalor lepas
ms . L + ms . cair . ΔTs = ml . cair . ΔTl
75 . 80 + 75 . 1 . (T - 0) = 150 . 1 . (100 - T)
6000 + 75 T = 15000 - 150 T
150 T + 75 T = 15000 - 6000 = 9000
225 T = 9000
T = 9000 / 225 = 40
Jawaban: D

Nomor 9
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.0C. Perbedaan suhu didalam dan diluar lemari 30 0C. Kalor yang lewat melalui dinding setiap detik adalah...
A.       5 J
B.       20 J
C.       30 J
D.       50 J
E.        60 J

Pembahasan
menghitung laju konduksi
Jawaban: E

Nomor 10
Dua batang logam P dan Q yang mempunyai panjang dan luas penampang yang sama disambung menjadi satu pada salah satu ujungnya seperti gambar.
Contoh soal konduksi
Bila konduktivitas logam P 4 kali konduktivitas logam Q, maka suhu pada sambungan kedua logam saat terjadi kesetimbangan termal adalah...
A.       120 0C
B.       100 0C
C.       90 0C
D.       80 0C
E.        60 0C

Pembahasan
Suhu pada sambungan kedua logam (T):
Pembahasan soal konduksi
4 Kq (T - 25) = Kq . (200 - T)
4T - 100 = 200 - T
5T = 300
T = 60
Jawaban: E

Nomor 11
Batang logam yang sama ukurannya tetapi terbuat dari logam yang berbeda digabung seperti pada gambar.

Contoh soal konduksi
Jika konduktivitas termal logam I = 2 kali konduktivitas termal logam II, maka suhu pada sambungan kedua logam adalah...
A.    45 0C
B.     40 0C
C.     35 0C
D.    30 0C
E.     25 0C

Pembahasan
Suhu pada sambungan kedua logam (T):
Pembahasan soal konduksi
2 K2 (60 - T) = K2 . (T - 0)
120 - 2T = T
3T = 120
T = 40
Jawaban: B

Nomor 12
Suatu benda hitam pada suhu 27 0C memancarkan energi R J/s. Jika dipanaskan sampai 327 0C, energi radiasinya menjadi...
A.       16 R J/s
B.       12 R J/s
C.       10 R J/s
D.       6 R J/s
E.        4 R J/s

Pembahasan
Pembahasan soal radiasi
W1/W2 =T14 / T24 = (300 K)4 / (600)4 = 1/16
W2 = 16 R
Jawaban: A

Nomor 13
Perbandingan jumlah energi radiasi kalor yang dipancarkan tiap detik satu satuan luas permukaan dari dua benda hitam sempurna masing-masing bersuhu 47 0C dan 367 0C adalah...
A.       1 : 2
B.       1 : 4
C.       1 : 16
D.       2 : 1
E.        16 : 1

Pembahasan
W1/W2 = T14 / T24 = (320 K)4 / (640)4 = 1/16
Jawaban: C


Nomor 14
Selembar baja pada suhu 20 oC memiliki ukuran seperti gambar.
Contoh soal pemuaian luas
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 15
Lempengan logam berbentuk persegi dengan ukuran seperti gambar dengan suhu 40 oC.
Contoh soal pemuaian luas
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

Nomor 16
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
Menghitung suhu campuran
Nomor 17
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

Menghitung kalor jenis menggunakan asas Black
Nomor 18
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

Menghitung suhu campuran dengan asas Black 

Nomor 19
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


Menghitung laju kalor konduksi
Nomor 20
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.

Contoh soal laju kalor pada logam yang disambung
Suhu (T) pada sambungan A dan B adalah...
A.80 oC
B.100 oC
C.120 oC
D.150 oC
E.160 oC

Menghitung suhu sambungan logam
Nomor 21
Dua batang logam P dan Q disambungkan pada salah satu ujungnya. Pada ujung-ujung yang lain diberi panas dengan suhu yang berbeda (lihat gambar).

Contoh soal laju kalor secara konduksi
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

Menghitung suhu sambungan dua logam
Nomor 22
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

Menghitung energi radiasi
Nomor 23
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

Menghitung perbandingan energi radiasi
Ringkasan materi dan pembahasan soal UN tentang suhu dan kalor Ringkasan materi dan pembahasan soal UN tentang suhu dan kalor Reviewed by Johan Akhmadin on Sunday, August 30, 2015 Rating: 5
Powered by Blogger.