Contoh Soal dan Pembahasan tentang Kalor dan Pemuaian

Fisikastudycenter.com- Contoh Soal dan Pembahasan tentang Kalor dan Pemuaian, Materi Fisika SMA Kelas 10 (X) mencakup kalor jenis, kalor laten (kalor lebur, kalor uap), Asas Pertukaran kalor / Asas Black dan pemuaian panjang, volume suatu bahan dan perpindahan kalor.

Soal No. 1
Panas sebesar 12 kj diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 gram yang memiliki suhu 30^oC. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 kalori/gr^oC, tentukan suhu akhir logam!
Pembahasan
Data :
Q = 12 kilojoule = 12000 joule
m = 2500 gram = 2,5 kg
T₁ = 30^oC
c = 0,2 kal/gr^oC = 0,2 x 4200 joule/kg ^oC = 840 joule/kg ^oC
T₂ =...?

Q = mcΔT
12000 = (2,5)(840)ΔT
ΔT = ¹²⁰⁰⁰/₂₁₀₀ = 5,71 ^oC

T₂ = T₁ + ΔT = 30 + 5,71 = 35,71 ^oC

Soal No. 2
500 gram es bersuhu −12^oC dipanaskan hingga suhu −2^oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/g^oC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam satuan joule!

Pembahasan
Data :
m = 500 gram
T₁ = −12^oC
T₂ = −2^oC
ΔT = T₂ − T₁ = −2^o − (−12 ) = 10^oC
c = 0,5 kalori/gr^oC
Q = ....?

Q = mcΔT
Q = (500)(0,5)(10) = 2500 kalori

1 kalori = 4,2 joule
Q = 2500 x 4,2 = 10500 joule

Soal No. 3
500 gram es bersuhu 0^oC hendak dicairkan hingga keseluruhan es menjadi air yang bersuhu 0^oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/g^oC, dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam kilokalori!

Pembahasan
Data yang diperlukan:
m = 500 gram
L = 80 kalori/gr
Q = ....?

Q = mL
Q = (500)(80) = 40000 kalori = 40 kkal

Soal No. 4
500 gram es bersuhu 0^oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5^oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/g^oC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/g^oC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan!

Pembahasan
Data yang diperlukan:
m = 500 gram
c_air = 1 kalori/gr^oC
L_es = 80 kalori/gr
Suhu akhir → 5^oC
Q = .....?

Untuk menjadikan es 0^oC hingga menjadi air 5^oC ada dua proses yang harus dilalui:
→ Proses meleburkan es 0^oC menjadi air suhu 0^oC, kalor yang diperlukan namakan Q₁
Q₁ = mL_es = (500)(80) = 40000 kalori

→ Proses menaikkan suhu air 0^oC hingga menjadi air 5^oC, kalor yang diperlukan namakan Q₂
Q₂ = mc_airΔT_air = (500) (1)(5) = 2500 kalori

Kalor total yang diperlukan:
Q = Q₁ + Q₂ = 40000 + 2500 = 42500 kalori

Soal No. 5
500 gram es bersuhu −10^oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5^oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/g^oC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/g^oC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan!

Pembahasan
Data yang diperlukan:
m = 500 gram
c_es = 0,5 kalori/gr^oC
c_air = 1 kal/gr^oC
L_es = 80 kal/gr
Suhu akhir → 5^oC
Q = .....?

Untuk menjadikan es − 10^oC hingga menjadi air 5^oC ada tiga proses yang harus dilalui:
→ Proses untuk menaikkan suhu es dari −10^oC menjadi es bersuhu 0^oC, kalor yang diperlukan namakan Q₁
Q₁ = mc_esΔT_es = (500)(0,5)(10) = 2500 kalori

→ Proses meleburkan es 0^oC menjadi air suhu 0^oC, kalor yang diperlukan namakan Q₂
Q₂ = mL_es = (500)(80) = 40000 kalori

→ Proses menaikkan suhu air 0^oC hingga menjadi air 5^oC, kalor yang diperlukan namakan Q₃
Q₃ = mc_airΔT_air = (500)(1)(5) = 2500 kalori

Kalor total yang diperlukan:
Q = Q₁ +Q₂ + Q₃ = 2500 + 40000 + 2500 = 45000 kalori

Soal No. 6
200 gram air bersuhu 80^oC dicampurkan dengan 300 gram air bersuhu 20^oC. Tentukan suhu campurannya!

Pembahasan
Data yang diperlukan:
m₁ = 200 gram
m₂ = 300 gram
ΔT₁ = 80 − t
ΔT₂ = t − 20
Suhu akhir = t = ......?

Q_lepas = Q_terima
m₁c₁ΔT₁ = m₂c₂ΔT₂
(200)(1) (80 − t) = (300)(1)(t − 20)
(2)(1)(80 − t) = (3)(1)(t − 20)
160 − 2t = 3t − 60
5t = 220
t = 44^oC

Soal No.7
Sepotong es bermassa 100 gram bersuhu 0°C dimasukkan kedalam secangkir air bermassa 200 gram bersuhu 50°C.



Jika kalor jenis air adalah 1 kal/gr°C, kalor jenis es 0,5 kal/gr°C, kalor lebur es 80 kal/gr dan cangkir dianggap tidak menyerap kalor, berapa suhu akhir campuran antara es dan air tersebut?
Pembahasan
Soal di atas tentang pertukaran kalor / Asas Black. Kalor yang dilepaskan air digunakan oleh es untuk mengubah wujudnya menjadi air dan sisanya digunakan untuk menaikkan suhu es yang sudah mencair tadi.



dengan Q₁ adalah kalor yang dilepaskan air, Q₂ adalah kalor yang digunakan es untuk melebur/mencair dan Q₃ adalah kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu es yang telah mencair.

Berikutnya adalah contoh soal tentang pencampuran air panas dan air dingin dengan memperhitungkan kalor yang diserap oleh bejana atau wadahnya:

Soal No. 8
Air bermassa 100 g bersuhu 20°C berada dalam wadah terbuat dari bahan yang memiliki kalor jenis 0,20 kal/g°C dan bermassa 200 g. Ke dalam wadah kemudian dituangkan air panas bersuhu 90°C sebanyak 800 g. Jika kalor jenis air adalah 1 kal/g°C, tentukan suhu akhir air campuran!

Pembahasan
Kalor yang berasal dari air panas 90°C saat pencampuran, sebagian diserap oleh air yang bersuhu 20° dan sebagian lagi diserap oleh wadah. Tidak ada keterangan terkait dengan suhu awal wadah, jadi anggap saja suhunya sama dengan suhu air di dalam wadah, yaitu 20°C.

Data :
-Air panas
m₁ = 800 g
c₁ = 1 kal/g°C

-Air dingin
m₂ = 100 g
c₂ = 1 kal/g°C

-Wadah
m₃ = 200 g
c₃ = 0,20 kal/g°C



Q_lepas = Q_terima
m₁c₁ΔT₁ = m₂c₂ΔT₂ + m₃c₃ΔT₃



Soal No. 9
Perhatikan gambar berikut! Dua buah logam terbuat dari bahan yang sama disambungkan.



Jika panjang logam P adalah dua kali panjang logam Q tentukan suhu pada sambungan antara kedua logam!

Pembahasan
Banyaknya kalor persatuan waktu yang melalui logam P sama dengan kalor yang melalui logam Q. Gunakan rumus perpindahan kalor secara konduksi :



Soal No. 10
Logam P yang ujungnya bersuhu 10°C disambung dengan logam Q yang suhu ujungnya 115°C seperti gambar berikut!



Konduktivitas thermal logam P adalah 2,5 kali dari konduktivitas thermal logam Q. Jika luas penampang kedua batang sama, maka suhu sambungan antara logam P dan Q adalah.....
A. 20°C
B. 30°C
C. 40°C
D. 50°C
E. 60°C

Pembahasan
Data:
Kp : Kq = 2,5 : 1
Luas dan panjangnya sama.

suhu sambungan = x =....?

Dari perpindahan kalor secara konduksi:



Misal suhu sambungan adalah x, dengan luas (A) dan panjang (L) yang sama dan
ΔTp = x − 10
ΔTq = 115 − x

diperoleh suhu sambungan:



Soal No. 11
Sebuah jendela kaca suatu ruangan tingginya 2 m, lebarnya 1,5 m dan tebalnya 6 mm. Suhu di permukaan dalam dan permukaan luar kaca masing-masing 27°C dan 37°C.



Jika konduktivitas termal = 8 x 10⁻¹ Wm⁻¹K⁻¹, tentukan jumlah kalor yang mengalir ke dalam ruangan melalui jendela itu setiap sekon !

Pembahasan
Data:
Konduktivitas termal k = 8 x 10⁻¹ Wm⁻¹K⁻¹
Luas A = 2 m × 1,5 m = 3 m²
Selisih suhu ΔT = 37 − 27 = 10°C
Panjang pada arah aliran kalor L = 6 mm = 6 × 10⁻³ m
Q/t =........

Dari rumus konduksi:



masuk data:



Soal No. 12
Sebuah tangki baja yang memiliki koefisien muai panjang 12 x 10^-6/°C, dan bervolume 0,05 m³ diisi penuh dengan bensin yang memiliki koefisien muai ruang 950 x 10^-6/°C pada temperatur 20°C. Jika kemudian tangki ini dipanaskan sampai 50°C, tentukan besar volume bensin yang tumpah! (Sumber : Soal SPMB)

Pembahasan



Soal No. 13
Plat baja dipanaskan hingga suhunya mencapai 227°C hingga kalor radiasi yang dipancarkan sebesar E J/s. Jika plat terus dipanasi hingga suhunya mencapai 727° tentukan kalor radiasi yang dipancarkan!

Pembahasan
Data :
T₁ = 227°C = 227 + 273 = 500 K
T₂ = 727°C = 727 + 273 = 1000 K

Kalor yang diradiasikan oleh suatu permukaan benda berbanding lurus dengan pangkat empat suhu mutlaknya, sehingga:


Soal No. 14
Panjang batang rel kereta api masing-masing 10 meter, dipasang pada suhu 20°C. Diharapkan pada suhu 30°C rel tersebut saling bersentuhan. Koefisien muai rel batang rel kereta api 12×10^–6 /°C. Jarak antara kedua batang yang diperlukan pada suhu 20°C adalah...
A. 3,6 mm
B. 2,4 mm
C. 1,2 mm
D. 0,8 mm
E. 0,6 mm
(Soal Ebtanas 1988)

Pembahasan
Dengan asumsi rel sebelah kiri memanjang ke kanan sebesar Δl dan rel sebelah kanan memanjang ke kiri sebesar Δl, maka lebar celah yang diperlukan d adalah sama dengan dua kali Δl



sehingga



Soal No. 15
Sebuah wadah terbuat dari logam yang memiliki kalor jenis 350 J/kg °C. Jika massa wadah adalah 500 gram, tentukan kapasitas kalor dari wadah!

Pembahasan
Hubungan massa (m), kalor jenis (c) dan kapasitas kalor (C) sebagai berikut:

C = mc

Data:
c = 350 J/kg °C
m = 500 gram = 0,5 kg
C =.......

C = mc
C = 0,5(350)
C = 175 J/°C

Soal No. 16
Sebuah kalorimeter awalnya memiliki suhu 20°C. Air sebanyak 0,2 kilogram yang bersuhu 34°C kemudian dimasukkan ke dalam kalorimeter.



Jika suhu akhirnya 30°C, dan anggap saja pertukaran kalor hanya terjadi antara air dan kalorimeter, tentukan kapasitas kalor dari kalorimeter! Kalor jenis air = 4200 J/kg°C.

Pembahasan
Data:
Kalorimeter
ΔT_kal = 30 - 20 = 10°C
C_kal =.....

Air
m_air = 0,2 kg
ΔT_air = 34 - 30 = 4°C
c_air = 4200 J/kg°C


Catatan:
C (ce besar)untuk lambang kapasitas kalor.
c (ce kecil) untuk lambang kalor jenis.
Jika massa tidak diketahui di soal bisa dicari dari rumus massa jenis atau rapat massa ρ = m/V atau m = ρV
Soal No. 17
Pemanas air dari 210 watt, digunakan untuk memanaskan 2 liter air. Jika massa jenis air 1000 kg/m³ dan kalor jenis air 4200 J/kg°C, perkirakan lama waktu yang diperlukan untuk kenaikan suhu air sebesar 36°C!

Pembahasan
Hubungan materi suhu dan kalor dengan energi dan daya listrik:
Massa air yang dipanaskan
m = ρ V
m = 1000 kg/m³ x (2 x 10⁻³ m³ )= 2 kg

Waktu yang diperlukan, energi dari pemanas W = Pt diubah menjadi panas atau kalor Q = mcΔT untuk menaikkan suhu benda.
W = Q
Pt = mcΔT
(210)t = 2(4200)(36)
t = 1440 sekon = 1440 / 60 = 24 menit
Soal No. 18
Sebuah pemanas dengan daya 100 watt digunakan untuk memanaskan air. Jika 90% dayanya terpakai untuk memanaskan 300 gram air selama 1 menit dan suhu air mula-mula 25°C, kalor jenis air 4200 J/kg °C , Tentukan suhu akhir air!

Pembahasan
Data:
P = 100 watt
m = 300 gram = 0,3 kg
t = 1 menit = 60 detik
T₁ = 25°C
c = 4200 J/kg °C
η = 90%
T₂ =............

Efisiensinya (η) adalah 90%, artinya hanya 90% dari energi listrik (W) yang diubah menjadi panas (Q):
Q = η W
mcΔT = 90% (Pt)
0,3(4200)ΔT = 90/100 (100)(60)
ΔT = 4,29 °C

Kenaikan suhunya sebesar 4,29°C, jadi suhu akhirnya adalah T₂ = 25°C + 4,29°C = 29,29°C
Catatan: Hubungan Energi Listrik (W) dan daya (P) adalah W = P t

Sumber  :   http://fisikastudycenter.com/fisika-x-sma/6-suhu-dan-kalor