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

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

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

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.

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.

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.

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.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.


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.



Keterangan:

W = energi radiasi persatuan waktu (Watt/m²)

e = emisitivitas permukaan

= konstanta stefan-Boltzman (5,67 . 10^-8watt/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 = m₂c₂ 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 ΔT₂ + 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.

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.


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 - 20 ⁰C) = 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

m_l. c_l . ΔT_l= m_air. c_air . ΔT_air

50 gr. c_l . (90 ⁰C  – 35 ⁰C) = 100 gr. 1 kal/gr.⁰C (35 ⁰C – 29,5 ⁰C)

c_l . 55 ⁰C = 2 kal/gr.⁰C . 5,5 ⁰C

c_l = 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 L_es = 80 kal/gr, c_air = 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

m_s . L + m_s . c_air . ΔT_s = m_l . c_air . ΔT_l

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

m_s . L + m_s . c_air . ΔT_s = m_l . c_air . ΔT_l

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

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.

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):

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.

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):

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

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

Soal Latihan suhu dan kalor

Nomor 1 
50 gram balok es 0 C dicelupkan pada 200 gram air yang bersuhu 30 C. Jika kalor jenis air 4200 J/kg.C dan kalor lebur es 336.000 J/kg maka suhu akhir campuran adalah...
A. 0 C
B. 4 C
C. 6 C
D. 8 C
E. 13 C

Nomor 2
Suhu tiga macam cairan bermassa sama A, B, dan C masing-masing adalah 10 C, 20 C, dan 30 C. Jika A dan B dicampur suhunya menjadi 16 C, sedangkan bila B dan C dicampur suhunya menjadi 24 C. Jika A dan B dicampur maka suhunya adalah...
A. 10 C
B. 15 C
C. 20 C
D. 25 C
E. 30 C

Nomor 3
320 gram campuran es dan air oada suhu 0 C berada dalam bejana yang kapasitas kalornya dapat diabaikan. Kemudian dimasukkan 79 gram uap air yang bersuhu 100 C ke dalam bejana tersebut. Suhu akhir menjadi 79 C. Jika kalor lebur es 79,0 kal/gram dan kalor penguapan air 540 kal/gram, maka banyaknya air mula-mula adalah ...gram
A. 4
B. 10
C. 35
D. 65
E. 79

Nomor 4
Sebuah alat pemanas listrik mempunyai hambatan sebesar 12 ohm dioperasikan pada beda potensial 120 volt. Apabila alat ini digunakan untuk memanaskan 40 kg air dari 15 C menjadi 80 C dan dianggap tidak ada kalor yang hilang, maka waktu yang dibutuhkan adalah...
A. 0,5 jam
B. 1,0 jam
C. 1,5 jam
D. 2,0 jam
E. 2,5 jam

Nomor 5
20 kg es dengan suhu 0 C berbentuk balok didorong di atas lantai kasar yang juga bersuhu 0 C. Koefisiesn gesekan antara balok es dan lantai 0,4. Jika kalor lebur es 80 kal/g, maka setelah menempuh jarak 20 m, jumlah es yang mencair adalah sebanyak...
A. 4,46 gram
B. 4,76 gram
C. 5,01 gram
D. 5,36 gram
E. 5,86 gram

Nomor 6
Air hanya menguap pada suhu 100 C
SEBAB
Air hanya menguap setelah mendidih.

Nomor 7
Zat yang kalor jenisnya besar, jika diberi kalor, lebih cepat panas dibandingkan zat yang kalor jenisnya kecil.
SEBAB
Kemampuan zat menyerap kalor sangat ditentukan oleh kalor jenis zat tersebut.

Nomor 8
1 kg air yang memiliki kalor jenis 1 kal/g.C bersuhu 0 C, jika diberi kalor sebanyak 2 kkal, akan memuai dan suhunya akan naik.
SEBAB
Air akan selalu memuai jika dipanaskan atau diberi kalor.

Nomor 9
Kalor akan dilepaskan saat suatu zat berubah wujudnya.
SEBAB
Saat terjadi perubahan wujud, suhu suatu zat tidak berubah.

Nomor 10
Pada kondisi yang sama, secangkir kopi panas lebih cepat kehilangan kalor dibanding secangkir kopi hangat.
SEBAB
Laju pendinginan sebuah benda berbanding lurus dengan suhu benda tersebut mula-mula.

Nomor 11
Sepotong buah semangka dan sepotong donat (keduanya bermassa sama) yang baru dikeluarkan dari lemari es akan mencapai suhu ruang secara bersamaan.
SEBAB
Laju pemanasan sebuah benda berbanding lurus dengan suhu mula-mula benda tersebut.

Pembahasan soal kalor video Youtube

.
Topik: #kalor #Materi ujian nasional fisika #Suhu