Kamis, 14 Februari 2013

BAB II. SUHU DAN KALOR

Suhu dan Kalor

Definisi Suhu dan Kalor
(Klas X  Semester 2)

Definisi Suhu
Suhu merupakan ukuran relative panas dinginnya suatu benda atau sistem. Alat ukur untuk mengukur perubahan suhu yaitu thermometer. Ada beberapa jenis thermometer yang memiliki skala bawah dengan acuan es pada saat membeku dan skala atas dengan acuan air mendidih.
Acuan ini ditentukan pada tekanan 1 atm = 76 cm Hg.

Lihat gambar(1) berikut
Gambar 1


Dari gambar (1) diatas, rentang skala Celcius adalah 100 skala, Reamur 80 skala, Fahrenheit 180 skala dan Kelvin 100 skala. Jika skala C, R, F dan K kita bandingkan melalui pembagian skalanya akan didapat : C : R : F : K adalah 100 : 80 : 180 : 100 dan disederhanakan menjadi C : R : F : K adalah 5 : 4 : 9 : 5. Dari gambar (1), kita mendapatkan hubungan anatar C, R, F dan K sebagai berikut (gambar 2)
Gambar 2


Contoh Soal :
Sejumlah air didalam teko dpanaskan hingga suhunya 50° C. Hitunglah suhu air tersebut jika diukur dalam skala Reamur, Fahrenheit dan Kelvin.
Jawab :
           50° C = 4/5 X 50° R = 40° R
                     = 9/5 X 50° + 32° F = 122° F
                     = 50° + 273 K = 323 K
Definisi Kalor
adalah bentuk Energi yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Jika suatu benda menerima / melepaskan kalor maka suhu benda itu akan naik/turun atau wujud benda berubah.


BEBERAPA PENGERTIAN KALOR

1 kalori: adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1ºC.
1 kalori = 4.18 joule atau 1 joule = 0.24 kalori
Kapasitas kalor (C): adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan oleh zat untuk menaikkan suhunya 1ºC (satuan kalori/ºC).
Kalor jenis (c): adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 gram atau 1 kg zat sebesar 1ºC (satuankalori/gram.ºC atau kkal/kg ºC).
Kalor yang digunakan untuk menaikkan/menurunkan suhu tanpa mengubah wujud zat, mempunyai persamaan :

Gambar 3
hubungan antar Q, m, c, C dan ^t

Keterangan :

Q = kalor yang di lepas/diterima (kalori, Joule)

C = kapasitas kalor ( kal/°C, Joule/K)
m = massa benda ( gram. kg)
c = kalor jenis benda (kal/gr°C, Joule/kg K)
^t = kenaikan/penurunan suhu, perubahan suhu (°C, K)




Konversi Suhu


Test kemampuan anda sebelum anda klik tombol Convert. Anda ingin memasukkan angka /skala yang lain?
Klik Konversi Suhu

Perubahan wujud Zat



           Suhu dan Kalor 



Soal No. 1
Panas sebesar 12 kj diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 gram yang memiliki suhu 30oC. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 kalori/groC, tentukan suhu akhir logam!
Pembahasan
Data :
Q = 12 kilojoule = 12000 joule
m = 2500 gram = 2,5 kg
T1 = 30oC
c = 0,2 kal/groC = 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 −12oC dipanaskan hingga suhu −2oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam satuan joule!

Pembahasan
Data :
m = 500 gram
T1 = −12oC
T2 = −2oC
ΔT = T2 − T1 = −2o − (−12 ) = 10oC
c = 0,5 kalori/groC
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 0oC hendak dicairkan hingga keseluruhan es menjadi air yang bersuhu 0oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, 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 0oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan!

Pembahasan
Data yang diperlukan:
m = 500 gram
cair = 1 kalori/groC
Les = 80 kalori/gr
Suhu akhir → 5oC
Q = .....?

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

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

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

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

Pembahasan
Data yang diperlukan:
m = 500 gram
ces = 0,5 kalori/groC
cair = 1 kal/groC
Les = 80 kal/gr
Suhu akhir → 5oC
Q = .....?

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

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

→ Proses menaikkan suhu air 0oC hingga menjadi air 5oC, kalor yang diperlukan namakan Q3
Q3 = mcairΔTair = (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 80oC dicampurkan dengan 300 gram air bersuhu 20oC. Tentukan suhu campurannya!

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

Qlepas = Qterima
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 = 44oC

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



Qlepas = Qterima
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



Soal No. 11
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. 12
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