MATERI: SUHU DAN KALOR

Peta Konsep Suhu dan Kalor

Konduksi, Konveksi, Radiasi

Rumus-rumus yang berhubungan dengan

suhu dan kalor

Kesetimbangan Termal

Perpindahan Kalor Perubahan Fase/Wujud

Suhu

Kalor

T i m P e n e l i t i P e n e r a p a n S t r a t e g i P h y s i c s P r o b l e m S o l v i n g y a n g D i p a d u k a n P e t a K o n s e p F i s i k a d a l a m M a t a k u l i a h F i s i k a U m u m ( R a m l i d k k )

A. SKILL-SKILL UNTUK SUHU DAN KALOR

Soal Sehubungan dengan

Skill No Soal

Suhu dan Pengukurannya

 Memvisualisasikan soal dan mengidentifikasi besaran fisika yang diketahui dan ditanya

 Mampu mendefinisikan suhu dan alat ukurnya:

 Mampu mengkonversi suhu berdasarkan skala-skala termometer, dimana:

80 100

273 180

32 100

0 0

0

R K

F C

   

 .

beku titik -didih titik

beku titik 0 

 X

1 Nyatakan 68 0F, 5 0F dan 176 0F pada skala Celcius dan Kelvin.

2 Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 400X dan titik didih air adalah 2400X. Bila suatu benda diukur dengan termometer Celcius bersuhu 500C, maka berapakah suhu ini jika diukur dengan termometer X?

Pemuaian  Memvisualisasikan soal dan

mengidentifikasi besaran fisika yang diketahui dan ditanya

 Memahami pemuaian pada benda padat akibat pengaruh suhu, dimana:

- Pemuaian panjang,

T L

L _o

  , panjang akhir, L

L

L ₀ 

1 Sebuah gelas kaca biasa memiliki koefisien muai panjang 9 x 10-6/oC. Pada suhu kamar 250C gelas dapat menampung 1 mL air. Pada suhu 750C berapa air yang dapat ditampung?

- Pemuaian luas, AA_oT, dengan  2, luas akhir

A A

A ₀ 

- Pemuaian volume,

T V V  _o

  , dengan  3, Volume akhir, V V₀ V Memahami pemuaian zat cair dalam

wadah, dimana zat cair lebih cepat memuai dibandingkan wadah, sehingga ada zat cair yang tumpah, dimana:

T V

V  

 ' ₀

tumpah 

dengan ' _zat_cair _wadah

Memahami pemuaian pada gas, dimana volume gas sangat dipengaruhi oleh tekanan, Pemuaian gas diatur oleh:

- hukum Boyle, PV = konstan - hukum Gay-Lussac,

konstan



T V

- hukum tekanan, konstan T

P

dari bahan kaca, yang pada suhu 0oC berisi bensin sampai penuh. Jika suhu dinaikkan menjadi 30oC, apakah bensin akan tumpah? Jika ya, berapa banyak ? Koefisien muai volume bensin 1240 x 10-6/oC sedangkan koefisien muai volume kaca adalah 27 x 10-6/oC.

3 Suatu gas berada pada suhu 500C. Brapakah suhunya agar volume gas menjadi berlipat dua jika tekanan dijaga konstan?

Kalor  Memvisualisasikan soal dan

mengidentifikasi besaran fisika yang diketahui dan ditanya

 Memformulasikan kapasitas kalor dan kalor jenis,:

1 Berapa joule panas yang diperlukan untuk memanaskan 500 gram tembaga dari 100C sampai 600C jika kalor jenis tembaga 385 J/kg C0?

- Kapasitas kalor,

T Q C

  

Sehinga, kalor QCT - Kalor jenis,

T m

Q c

  

Sehinga, kalor QmcT  Mampu menghitung kalor yang

dilepas atau yang dibutuhkan ketika terjadi perubahan fase (wujud)., dimana Q = m L dengan L = kalor laten

 Kalor total Q_totalQ₁Q₂...  Mampu menggunakan Azas Black

dimana terima lepas Q

Q 

 Memahami bahwa kalorimeter sebagai alat ukur kalor jenis, bekerja berdasarkan azas Black.

2 Berapa banyakkah kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 g es pada suhu 00C menjadi uap air pada suhu 100oC? Kalor jenis air = 4200 J/kg K, kalor lebur es 336 J/g; kalor uap air 2260 J/g.

3 Sepotong logam 50 g yang suhunya 950C dicelupkan ke dalam 250 g air yang suhunya 170C. Suhu akhirnya

berubah menjadi 19,40C. Berapakah kalor jenis logam ini?

Perpindahan Kalor  Memvisualisasikan soal dan mengidentifikasi besaran fisika yang diketahui dan ditanya

 Mampu menentukan laju aliran kalor pada perpindahan kalor, dimana:

- Pada konduksi

        

    

l T kA t

Q

konduksi

1 Pengaduk terbuat dari aluminium dengan luas penampang 5 mm2 dan panjang 10 cm. Jika suhu air dalam bejana 60oC , suhu di ujung pengaduk 62oC, dan konduktivitas termal pengaduk 200 W/mCo, tentukanlah:

a. kecepatan aliran kalor pada pengaduk

- Pada konveksi T hA t

Q _ _

     

konveksi - Pada radiasi

4

radiasi

AT e t

Q _

      

B. PENYELESAIAN SOAL-SOAL SUHU DAN KALOR

Suhu dan Pengukurannya

1. Nyatakan 68 0F, 5 0F dan 176 0F pada skala Celcius dan Kelvin.

Penyelesaian: Inti Permasalahan

Berapa 68 0F, 5 0F dan 176 0F pada skala Celcius dan Kelvin Tentukan:

Skala Celcius dan Kelvin Pendekatan

Menggunakan konversi skala-skala termometer Situasi Fisika

Target kuantitas

o

C = ....?

o

K = ....?

Hubungan kuantitatif



180 32 100

0

0 

 F

C



180 32 100

273 0 



 F

K

Rencana Solusi

o

F oC oK





32



9 5 0

0  

F C





32



9 5

273 0

0   

F K

Solusi

Untuk 68 0F









K

K C C 0 0 0 0 293 273 32 68 9 5 20 32 68 9 5       

Untuk 5 0F









K

K C C 0 0 0 0 258 273 32 5 9 5 15 32 5 9 5        

Untuk 176 0F









K

K C C 0 0 0 0 353 273 32 176 9 5 80 32 176 9 5        Evaluasi Jawaban

Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah dijawab.

2. Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 400X dan titik didih air adalah 2400X. Bila suatu benda diukur dengan

termometer Celcius bersuhu 500C, maka berapakah suhu ini jika diukur dengan termometer X?

Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 400X dan titik didih air adalah 2400X

Tentukan:

Berapa bacaan termometer X, untuk suhu 500C Pendekatan

Menggunakan konversi skala-skala termometer Situasi Fisika

Target kuantitas

o

X = ....?

Hubungan kuantitatif  100 0 C beku titik -didih titik beku titik 0 _  X Rencana Solusi

Dari hubungan kuantitatif, skala termometer X dengan termometer Celcius, diperoleh

o

X oC

40o 00 titik beku

?

500

X X X

0 0

40 -X 240

40



= 100

0 C

, atau

) ( 2 400 0 0

C X   Solusi

0 0

140 40

) 50 (

2  



X

Evaluasi Jawaban

Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah dijawab.

Pemuaian

1. Sebuah gelas kaca biasa memiliki koefisien muai panjang 9 x 10-6/oC. Pada suhu kamar 250C gelas dapat menampung 1 mL air. Pada suhu 750C berapa air yang dapat ditampung? Penyelesaian:

Inti Permasalahan

Pada suhu kamar 250C volume gelas kaca 1 mL. Koefisien muai panjang kaca 9 x 10-6/oC.

Tentukan:

Berapa volume gelas kaca pada suhu 750C. Pendekatan

Menggunakan persamaan pemuaian volume zat padat Situasi Fisika

Volume awal V0 = 1 mL

α = 9 x 10-6/oC. ∆ T = 750

C - 250C = 500C

Target kuantitas V = ....?

 V VoT , dengan  3

 V V₀ V Rencana Solusi

Untuk mencari volume gelas setelah suhu naik, maka perlu dicari pertambahan volume, V V_oT, sehingga volume akhir, V V₀ V₀T

) 1

(

0 T

V

V 

Tetapi  3, sehingga: )

3 1 (

0 T

V

V    Satuan

 V = mL

 α = 1/C0

 ∆ T = 0

C Solusi





mL 1,00135

) 50 )( / 3(9x10 1

(1mL)

) 3 1 (

0 0 6 -0



 

  

C C

T V

V 

2. Misalkan Anda memiliki sebuah botol 50 mL yang terbuat dari bahan kaca, yang pada suhu 0oC berisi bensin sampai penuh. Jika suhu dinaikkan menjadi 30oC, apakah bensin akan tumpah? Jika ya, berapa banyak ? Koefisien muai volume bensin 1240 x 10-6/oC sedangkan koefisien muai volume kaca adalah 27 x 10-6/oC.

Pada suhu 00C volume gelas kaca 50 mL diisi penuh bensin. Koefisien muai volume kaca 27 x 10-6/oC.

Koefisien muai volume bensin 1240 x 10-6/oC. Tentukan:

Berapa volume bensin yang tumpah pada suhu 300C. Pendekatan

Menggunakan persamaan pemuaian volume zat cair dalam wadah.

Situasi Fisika

Volume awal V0 = 1 mL

cair

zat

 = 1240 x 10-6/oC. wadah

 = 27 x 10-6/oC. ∆ T = 300

C - 00C = 300C Target kuantitas

∆Vtumpsh = ....?

 V_tumpah 'V₀T

 zat cair wadah

'  

  

Rencana Solusi

Untuk mencari volume minyak yang tumpah setelah suhu naik, digunakan persamaan V_tumpah 'V₀T dengan

wadah cair

zat

'  

   .





V T

V   wadah 

 _tumpah _zat_cair  ₀

Satuan

 V0 = mL  γ = 1/C0

 ∆ T = 0

C Solusi

















mL 1,82

30 50

/ 10 27 /

10 1240

6 0 6 0 0

0 cair

zat tumpah



 

 

 

 

C mL C

x C x

T V V  _wadah

Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah dijawab

3. Suatu gas berada pada suhu 500C. Brapakah suhunya agar volume gas menjadi berlipat dua jika tekanan dijaga konstan?

Suatu gas berada pada tekanan konstan pada suhu 500C. Bila volume dijadikan dua kali semula, maka berapa suhu gas. Tentukan:

Pendekatan

Menggunakan persamaan pemuaian volume gas pada tekanan konstan (hukum Boyle-Gay Lusac)

Situasi Fisika

Volume gas, V = 2 V0

T0 = 500C = 323 K

Target kuantitas T = ....?

 konstan T

V



0 0 T V T V



Rencana Solusi

Untuk mencari suhu gas bila volumenya berubah, digunakan persamaan

0 0 T V T V

 .

0 0

T V

V T 

Satuan

 V dan V0 = L  T dan T0 = 0C

Solusi

C T T V

V T

0

0 0 0

0

373

K 646

K) (323 2

2 2

  

 

Kalor

1. Berapa joule panas yang diperlukan untuk memanaskan 500

gram tembaga dari 100C sampai 600C jika kalor jenis tembaga 385 J/kg C0?

500 gram tembaga dipanaskan dari 100C sampai 600C Tentukan:

Berapa panas (kalor) yang diperlukan? Pendekatan

Menggunakan persamaan kalor jenis. Situasi Fisika

∆ T = 600

C - 100C = 500C Target kuantitas

∆Q = ....?



T m

Q c

  

Rencana Solusi

Dari definisi kalor jenis,

T m

Q c

 

 , diperoleh jumlah kalor, T

mc Q 



Satuan

 m= kg

 ∆T = 0C

 c = J/kg C0

 ∆Q = joule

Solusi

joule 9625

) 50 )( 5J/kgC (0,5kg)(38

o 0

 

  

C T

mc Q

2. Berapa banyakkah kalor yang diperlukan untuk mengubah 2

g es pada suhu 00C menjadi uap air pada suhu 100oC? Kalor jenis air = 4200 J/kg K, kalor lebur es 336 J/g; kalor uap air 2260 J/g.

2 gram es pada 00C diubah menjadi uap air pada 1000C Tentukan:

Berapa kalor yang diperlukan? Pendekatan

 Menggunakan persamaan kalor jenis.

 Menggunakan persamaan kalor laten Situasi Fisika

Massa = 2 g = 2 x 10-3 kg cair = 4200 J/kg K

∆ Tair = 1000C - 00C = 1000C= 100 K

Llebur =336 J/g = 336.000 J/kg

Luap =2260 J/g = 2.260.000 J/kg

Target kuantitas ∆Q = ....?

 QmcT

 Q = m L

Rencana Solusi

Kalor total yang dibutuhkan, adalah:

- kalor laten untuk melebur es pada 00C, Q1 mLlebur

- kalor untuk menaikan suhu air dari 00C sampai 1000C,

air air T

mc Q₂  

- kalor laten untuk penguapan pada 1000C, Q3 mL_uap Kalor total yang dibutuhkan,

... 2 1 

Q Q

Q_total Satuan

 m= kg

 ∆T = 0

C

 c = J/kg C0

 ∆Q = joule

 L = J/kg Solusi



x kg





J kg



J mL

Q₁ _lebur  2 103 336.000 / 672



x kg





J kgK



K



J T

mc

Q₂  _air _air  2 103 4200 / 100 840



x kg





J kg



J

mL

Q₃  _uap 2 103 2.260.000 / 4520

Kalor total adalah:

J

J J

J Q Q Q Qtotal

6032

4520 840

672

3 2 1



 



  

3. Sepotong logam 50 g yang suhunya 950C dicelupkan ke dalam 250 g air yang suhunya 170C. Suhu akhirnya berubah menjadi 19,40C. Berapakah kalor jenis logam ini?

50 gram logam pada 950C dicelupkan dalam 250 g air pada 170C . Suhu akhir 19,40C.

Tentukan:

Berapa kalor jenis logam? Pendekatan

 Menggunakan persamaan kalor jenis.

 Menggunakan azas Black.

Situasi Fisika

mair = 250 g = 0,25 kg

mlogam = 50 g = 0,05 kg

cair = 4200 J/kg K

∆ Tair = 19,40C - 170C = 2,40C

∆ Tair = 950C – 19,40C = 75,60C

Target kuantitas clogam = ....?

 QmcT

Rencana Solusi

Dalam hal ini karena suhu logam lebih tinggi daripada air, maka logam melepaskan kalor dan air menerima kalor.: - Kalor yang dilepaskan logam: Q_lepasm_log_amc_log_amT_log_am - Kalor yang diterima oleh air , Q_terima mc_airT_air

Berdasarkan azas Black, Q_lepas Q_terima

am am air air air am air air air am am am T m T c m c T c m T c m log log log log log log       Satuan

 m= kg

 ∆T = 0

C

 c = J/kg C0

Solusi 0 0 0 0 log log log J/kgC 666,7 ) 6 , 75 )( 05 , 0 ( ) 4 , 2 )( / 4200 )( 25 , 0 (      C kg C kgC J kg T m T c m c am am air air air am Evaluasi Jawaban

Perpindahan Kalor

1. Pengaduk terbuat dari aluminium dengan luas penampang 5

mm2 dan panjang 10 cm. Jika suhu air dalam bejana 60oC , suhu di ujung pengaduk 62oC, dan konduktivitas termal pengaduk 200 W/mCo, tentukanlah:

a. kecepatan aliran kalor pada pengaduk

b. kalor yang mengalir melalui pengaduk selama 1

jam. Penyelesaian: Inti Permasalahan

Pengaduk aluminium dengan luas penampang 5 mm2 dan panjang 10 cm. Perbedaan suhu diantara ujung-ujung pengaduk 20C.

Tentukan:

a). kecepatan aliran kalor pada pengaduk

b). kalor yang mengalir selama 1 jam pada pengaduk

Pendekatan

 Menggunakan persamaan laju aliran kalor Situasi Fisika

A = 5 mm2 = 5 x 10-6 m2 l = 10 cm = 0,1 m

∆ T = 620C - 600C = 20C

k = 200 W/mCo

Target kuantitas a).  ...?

b). Q, selama t = 1 jam Hubungan kuantitatif                l T kA t Q konduksi Rencana Solusi

a). Laju aliran kalor pada perpindahan kalor secara konduksi ditentukan menurut persamaan:

              l T kA t Q konduksi

b).Selama waktu t kalor yang mengalir sejumlah: t l T kA Q         Satuan

a). Q/t = J/s b). Q = J Solusi

a). kecepatan aliran kalor

J/s 0,02 1 , 0 2 ) 10 5 )( / 200 ( 0 2 6 0                        m C m x mC W l T kA t Q konduksi b). J 72 ) 3600 ( 1 , 0 2 ) 10 5 )( / 200 ( 0 2 6 0                  s m C m x mC W t l T kA Q Evaluasi Jawaban