CONTOH SOAL SKL 3

1.   320 gram campuran es dan air pada suhu 0^oC berada dalam bejana yang kapasitas kalornya dapat diabaikan. Kemudian dimasukkan 79 gram uap air yang bersuhu 100^oC ke dalam bejana tersebut. Suhu akhir menjadi 79^oC. jika kalor lebur es 79,0 kal/gram dan kalor penguapan air 540 kal/gram, maka banyaknya air mula – mula adalah . . . gram.

Jawaban:

Ø  Kalor yang dilepas uap air (100^oC)

 Ø  Kalor yang diterima campuran es dan air (0^oC)

 

 \

 asas black

 

2. Dalam botol termos terdapat 230 gram kopi pada suhu 90^oC. Ditambahkan susu sebanyak 20 gram bersuhu 5^oC. Berapakah suhu campuran ? (Misalkan tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos c_air = c_kopi = c_susu = 1,00 kal/g^oC)

 Jawaban:

Kalor yang dilepaskan kopi = kaor yangdiserap suhu

 

3. Jika 75 gram air yang suhunya 0^oC dicampur dengan 50 gram air yang suhunya 100^oC, maka suhu akhir campuran itu adalah . . .

Jawaban:

Misal suhu akhir T^oC, maka sesuai asas Black :

4. Suatu kalorimeter berisi es (kalor jenis es = 0,5 kal/g K, kalor lebur es 80 kal/g) sebanyak 36 g pada suhu -6^oC. kapasitas kalor kalorimeter ialah 27 kal/K. Kemudian ke dalam kalorimeter itu dituangkan alkohol (kalor jenis 0,58 kal/g K) pada suhu 50^oC yang menyebabkan suhu akhir menjadi 8^oC. Maka massa alkohol yang dituangkan adalah . . . gram

Jawaban:

Asas Black ;

5.    Dalam sebuah bejana yang massanya diabaikan terdapat a gram air 42^oC dicampur dengan b gram es -4^oC. Setelah diaduk ternyata 50% es melebur. Jika titik lebur es = 0^oC, kalor jenis es = 0,5 kal/g^oC, kalor lebur es = 80 kal/g, maka perbandingan a dan b adalah . . .

Jawaban:

Sesuai dengan asas Black, kalor yang dilepas air (Q₃) sama dengan kalor yang diserap es untuk menaikkan temperaturnya (Q₁) dan untuk melebur 50% es (Q₂).

 

 

KALOR

KONDUKSI

PENYERAPAN KALOR

Mengurangi/Mencegah Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor umumnya dapat sangat menguntungkan bagi kehidupan manusia.  Namun pada beberapa hal, perpindahan kalor dapat juga menyebabkan kerugian. Di antaranya adalah pada air minum yang telah kita masak, akan segera dingin setelah beberapa waktu. Demikian pula pada bahan-bahan makanan yang kita masak, juga dapat segera dingin. Hal itu disebabkan kalor dari air dan bahan makanan terlepas keluar untuk mengimbangi keadaan ruangnya. Untuk mengatasi kerugian tersebut, dibuatlah alat yang dapat memperkecil laju perpindahan kalor. Beberapa di antaranya adalah termos air panas, termos es, dan termos nasi. Untuk lebih jelasnya, perhatikan skema termos air panas berikut ini. 

 

Termos adalah alat yang dapat digunakan untuk mengurangi laju perpindahan kalor dalam termos. Air atau nasi yang kita simpan di dalam termos, suhunya dapat kita jaga sampai beberapa lama. Termos semacam ini mencegah kalor yang dimiliki air panas atau nasi agar tidak terlepas keluar termos. Pada termos air, dinding termos dibuat rangkap, yaitu dinding bagian dalam dan luar. Sementara ruang antara kedua dinding tersebut, dibuat vakum agar tidak terjadi perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi. Selain itu, bagian dalam dinding termos dibuat mengkilap agar kalor yang akan keluar dipancarkan kembali ke dalam termos.

Kalori meter

Kalori meter adalah alat untuk mengukur kalor jenis suatu zat. Salah satu bentuk kalori meter adalah kalori meter campuran. Kalori meter ini terdiri dari sebuah bejana logam yang kalor jenisnya diketahui. Bejana ini biasanya ditempatkan didalam bejana lain yang agak lebih besar.kedua bejana dipisahkan oleh bahan penyekat misalkan gabus atau wol. Kegunaan bejana luar adalah sebagai isolator agar perukaran kalor dengan sekitar kalori meter dapat dikurangi.

Kalori meter juga dilengkapi dengan batang pengaduk. Pada waktu zat dicampurkan didalam kalori meter, air dalam kalori meter perlu diaduk agar diperoleh suhu merata sebagai akibat percampuran dua zat yang suhunya berbeda. Asas penggunaan kalori meter adalah asas black. Setiap dua benda atau lebih dengan suhu berbeda dicampurkan maka benda yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalornya, sedangkan benda yang bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor hingga mencapai keseim- bangan yaitu suhunya sama. Pelepasan dan penyerapan kalor ini besarnya harus imbang. Kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap sehingga berlaku hukum kekekalan energi. Pada sistem tertutup, kekekalan energi panas (kalor) ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Q_lepas = Q_terima

Dengan Q = m . c . ∆t

dengan:

Q = banyaknya kalor yang diperlukan (J)

m = massa suatu zat yang d iberi kalor (kg)

c = kalor jenis zat (J/kg^oC)

∆t = kenaikan/perubahan suhu zat (^oC)

C = kapasitas kalor suatu zat (J/^oC)

 

Pertukaran energi kalor merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor. Untuk melakukan pengukuran kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat digunakan kalorimeter. Gambar 6.17 menunjukkan skema kalorimeter air sederhana. Salah satu kegunaan yang penting dari kalorimeter adalah dalam penentuan kalor jenis suatu zat. Pada teknik yang dikenal sebagai “metode campuran”, satu sampel zat dipanaskan sampai temperatur tinggi yang diukur dengan akurat, dan dengan cepat ditempatkan pada air dingin kalorimeter. Kalor yang hilang pada sampel tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter. Dengan mengukur suhu akhir campuran tersebut, maka dapat dihitung kalor jenis zat tersebut.

Zat yang ditentukan kalor jenisnya dipanasi sampai suhu tertentu. Dengan cepat zat itu dimasukkan kedalam kalori meter yang berisi air dengan suhu dan massanya sudah diketahui. Kalori meter diaduk sampai suhunya tidak berubah lagi. Dengan menggunakan hukum kekekalan energy, kalor jenis yang dimasukkan dapat dihitung.

Asas Black

Apabila kita akan membuat segelas air teh hangat, kita mencampur air panas dan air dingin. Untuk memahami proses pertukaran kalor pada campuran tersebut, perhatikan gambar berikut.
 

Bejana (a) kita isi dengan air panas massanya m₁dan suhunya T₁

Bejana (b) kita isi dengan air dingin massanya m₂ dan suhunya T₂

Bejana (c) adalah campuran air dari bejana (a) dan bejana (b). Suhu campuran air pada bejana (c), yaitu Tc. 

Hasil pengamatan diperoleh, suhu T₁< Tc< T₂. Dalam hal ini, air panas yang berasal dari bejana (a) melepaskan kalor sehingga suhunya turun. Sementara air dingin yang berasal dari bejana (b) menyerap kalor sehingga  suhunya naik. Kalau kita hitung, jumlah kalor yang dilepas oleh air panas adalah

  Q lepas = m₁.c_a (T₁-T_c))

 Kalor yang diserap oleh air dingin adalah 

Q serap = m₂.c_a (T_c-T_c)

Kalau kita bandingkan, akan diperoleh Q lepas sama dengan Q serap. Perumusan banyaknya kalor yang diserap dan kalor yang dilepas suatu benda dikenal dengan asas Black, yang berbunyi 

 Jika dua benda yang berbeda suhunya dicampur, benda yang suhunya lebih tinggi akan melepas kalor yang jumlahnya sama dengan kalor yang diserap oleh benda yang suhunya lebih rendah.  

Secara matematis, asas black dapat dituliskan sebagai berikut.

 Q_lepas  = Q_serap

CONTOH SOAL SKL 2

1. Suatu plat besi berbentuk persegi, memiliki luas bidang 2000 cm2 dan tebal 4 cm. Jika perbedaan suhu kedua permukaan 40 K dan konduktivitas termal bahan adalah 4,8 W/mK, tentukan laju perpindahan kalor pada plat tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:

A = 2000cm2=0,2m2
L=4cm=0,04m
∆T=40K
K=4,8W/mK

Ditanyakan: Q/t=…?

Jawab:
Q/t = kA∆T / l
Q/t = 4,8.0,2.40 / 0,04 =960J/s

2. Suhu udara di dalam suatu kamar adalah 26 0C. Seseorang yang luas permukaan tubuhnya 1 m2 dan memiliki suhu badan 36 0C, berada di dalam kamar tersebut. Jika koefisien konveksi orang tersebut 7 W/m2K, tentukan jumlah kalor yang dilepas orang tersebut selama 1 menit!

Penyelesaian:

Diketahui:
∆T = 10 0C
A = 1 m2
h = 7 W/m2K
t = 1 menit = 60 s

Ditanyakan: Q = ... ?
Jawab:
Q = h A ∆T t
Q = 7.1.10.60
= 4200 J

3. Suatu benda hitam dengan luas permukaan 100 cm2, memiliki suhu 127 0C. Tentukan jumlah energi yang dipancarkan benda hitam tersebut selama 1 menit!
Penyelesaian:
Diketahui:
A = 100 cm2 = 0,01 m2
T = 127 0C = 400 K
t = 1 menit = 60 s
e = 1
σ = tetapan Stefan (5,67 x 10 -8 W/m2K4)
Ditanyakan: Q = …?
Q = e σAT4t
Q = 1.(5,67 x 10 -8.0,01.(400)4.60
Q = 87,09 J

Radiasi

Kalian tentunya pernah mengikuti kegiatan pramuka, bukan? Dalam kegiatan pramuka terutama pada saat kemah, lazim diadakan api unggun pada malam hari dan para anggota pramuka duduk mengitari api unggun tersebut. Pada saat itu, setiap anggota pramuka merasakan hangatnya api unggun karena badan mereka menerima panas.

Contoh radiasi kalor dalam kehidupan sehari-hari, antara lain: 

a. pancaran kalor dari api unggun,

b. pancaran kalor dari lampu, dan

c. cahaya dari matahari. 

Pembahasan radiasi kalor, akan menghantarkan kita pada bahasan tentang kemampuan suatu benda dalam memancarkan dan menyerap kalor. Benda yang permukaanya putih mengkilap adalah pemancar dan penyerap kalor yang jelek  Sementara benda yang permukaannya hitam atau gelap adalah pemancar dan penyerap kalor yang baik. Itulah sebabnya, mengapa pada siang hari yang panas, kita lebih nyaman memakai baju putih daripada baju hitam. Baju putih akan menyerap kalor jauh lebih sedikit daripada baju hitam. Sebaliknya, ketika kita ingin mempertahankan kalor yang dimiliki tubuh agar tetap hangat, kita akan memilih baju hitam. Analisislah mengapa demikian. Laju pancaran kalor suatu benda diselidiki oleh Stefan dengan menggunakan pendekatan terhadap benda hitan sempurna. Menurut Stefan, laju pancaran kalor tiap satuan luas permukaan dari benda hitam sempurna berbanding lurus dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Secara matematis, laju pancaran kalor dapat dituliskan sebagai berikut.

Q/t = e σAT⁴

Keterangan:

e = emisivitas bahan(untuk benda hitam sempurna nilai e =1)

σ = tetapan Stefan (5,67 x 10^-8w/m²K)

A=luas penampang (m²)

T=suhu mutlak (K)

Q/t =laju kalor (j/s atau watt)

Besarnya harga e tergantung pada macam permukaan benda 0 £ e £ 1

e = 1

Ø  Permukaan hitam sempurna (black body)

Ø  Sebagai pemancar panas ideal.

Ø  Sebagai penyerap panas yang baik.

Ø  Sebagai pemantul panas yang jelek.

e = 0

Ø Terdapat pada permukaan yang lebih halus.

Ø Sebagai pemancar panas yang jelek.

Ø Sebagai penyerap panas yang jelek.

Ø Sebagai pemantul yang baik.

Botol thermos dibuat dengan dinding rangkap dua dan diantaranya terdapat ruang hampa serta dinding-dindingnya dilapisi dengan perak, maksudnya adalah :

Ø Karena adanya ruang hampa tersebut, praktis pemindahan panas lewat konduksi dan konveksi tidak terjadi.

Ø Lapisan mengkilap dari perak dimaksudkan untuk memperkecil terjadinya pemindahan panas secara radiasi. (Permukaan mengkilap e = 0)

Konveksi

  Perhatikan percobaan berikut.

Lihatlah gambar di samping. Pada saat air dalam bejana dipanaskan, bagian air yang menerima panas mula-mula berada di bawah. Kemudian, partikel air yang panas tersebut bergerak ke atas sehingga meninggalkan ruang untuk ditempati oleh partikel  Contoh perpindahan kalor secara konveksi dalam kehidupan sehari-hari, antara lain:

a. perpindahan kalor pada air saat direbus,

b. perpindahan kalor dari pengering rambut,

c. aliran udara dari kipas angin.,

d. sistem pendingin ruangan, dan

e. kulkas.

 Hubungan laju perpindahan kalor dan luas penampang (A) 

Luas penampang permukaan air pada gambar

(a) lebih kecil daripada luas penampang air pada gambar

(b). Dengan pemanasan api yang sama maka air pada bejana (b) lebih cepat panas. Jadi, laju kalor secara konveksi berbanding lurus dengan luas penampang (A)

Hubungan laju perpindahan kalor dengan kenaikan suhu (∆T)

Pada saat yang sama, kenaikan suhu pada bejana (b) lebih besar daripada bejana (a). Ternyata air pada bejana (b) lebih cepat panas daripada air pada bejana (a). Jadi, laju perpindahan kalor secara konveksi berbanding kenaikkan suhu(∆T)

Hubungan laju perpindahan kalor dengan jenis bahan

Kedua bejana diisi dengan air yang berbeda jenisnya. Air pada bejana (b) lebih cepat panas daripada air bejana (a). Jadi, laju kalor secara konveksi tergantung pada jenis bahan.

            Dari uraian di atas, dapat disimpulkan bahwa laju kalor secara konveksi dipengaruhi oleh luas penampang (A), kenaikan suhu (∆T), dan jenis bahan. Secara matematis, persamaan laju kalor secara konveksi dapat dituliskan sebagai berikut.

Q/t = hA∆T   

Keterangan:

h   = koefisien konveksi(W/m²K)

A  = luas penampang (m²)

∆T = kenaikan suhu (K)   

Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W)