SOAL DAN PEMBAHASAN FISIKA SUHU KALOR

بِسْــــــــــــــــمِ اﷲِالرَّحْمَنِ اارَّحِيم

الحمد لله رب العالمين, وصلاة والسلام على أشرف المرسلين. أما بعد :

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 dan konduktivitas thermal logam P adalah setengah dari 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
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




Sumber: fisikastudycenter.com