Kalor

Photo by Thomas Kinto on Unsplash

Kalor:

1. Suhu dan Termometer
2. Kalor
3. Pemuaian
4. Perpindahan Kalor

Besaran yang ada di bab ini:

Besaran	Lambang	Satuan
Panjang (Jarak)	L	m
Luas	A	m2
Volume	V	m3
Kecepatan	v	m.s-1
Massa	m	kg
Suhu	T	°C, °F, °R, K
Kalor Jenis	c	J kg-1 °C-1
Kalor Lebur	L	J kg-1 °C-1
Kalor Uap	U	J kg-1 °C-1
Kapasitas Kalor	C	J °C-1
Kalor	Q	J
Koefisien Muai Panjang	α	°C-1
Koefisien Muai Luas	β	°C-1
Koefisien Muai Volume	γ	°C-1
Koefisien Konduksi	k	J m-1 s-1 °C-1
Koefisien Konveksi	h	J m-1 s-1 °C-1

Tetapan atau konstanta yang ada di bab ini:

Tetapan	Lambang	Nilai
Tetapan Boltzmann	σ	5,67 × 10-8 W m-2 K-4

Suhu dan Termometer

Skala Suhu

	Celcius	Fahrenheit	Reamur	Kelvin
Titik Didih	100	212	80	373
Titik Beku	0	32	0	273
Skala	100	180	80	100
	5	9	4	5

Konversi Suhu: Celcius, Fahrenheit dan Reamur
Untuk mengonversi skala suhu satu ke yang lain, dengan mengetahui titik didih dan titik beku kedua skala suhu, bisa digunakan persamaan:

$\text{1. }\frac{ T_{\text{didih}} - T }{ T_{\text{didih}} - T_{\text{beku}} } = \frac{ C_{\text{didih}} - C }{ C_{\text{didih}} - C_{\text{beku}} }$

Dari persamaan keatas, didapat rumus-rumus konversi skala suhu:

	Celcius	Fahrenheit	Reamur
Celcius		$F=\frac{9}{5}C+32$	$R=\frac{4}{5}C$
Fahrenheit	$C=\frac{5}{9}(F-32)$		$R=\frac{4}{9}(F-32)$
Reamur	$C=\frac{5}{4}R$	$F=\frac{9}{4}R+32$

Konversi Suhu: Kelvin

	Ke Kelvin	Dari Kelvin
Celcius	$K=C+273$	$C=K-273$
Fahrenheit	$K=\frac{5}{9}(F-32)+273$	$F=\frac{9}{5}(K-273)+32$
Reamur	$K=\frac{5}{4}R+273$	$R=\frac{4}{5}(K-273)$

Kalor

Kalor adalah energi panas yang berpindah dari suhu tinggi ke rendah.


Kalor Jenis adalah kemampuan benda menyerap / melepas kalor. Jika benda memiliki kalor jenis yang tinggi, berarti benda tersebut sulit menyerap kalor, seperti air. Sebaliknya, jika benda memiliki kalor jenis yang rendah, berarti benda tersebut mudah menyerap kalor, seperti besi.

Kalor dirumuskan dengan:

$\begin{align*} \text{2. }&Q=m c \Delta T \\ \text{3. }&Q=C \Delta T\\ \text{4. }&Q=m L\\ \text{5. }&Q=m U \end{align*}$

Pemuaian

Pemuaian pada zat padat:

$\begin{align*} \text{6. }L&=L_{o}+\Delta L\\ &=L_{o}+L_{o} \alpha \Delta T\\ \text{7. }A&=A_{o}+\Delta A\\ &=A_{o}+A_{o} \beta \Delta T\\ \text{7. }V&=V_{o}+\Delta V\\ &=V_{o}+V_{o} \gamma \Delta T \end{align*}$

Koefisien muai panjang, luas dan volume:
$\begin{align*} \alpha=\frac{1}{2}\beta=\frac{1}{3}\gamma \end{align*}$

Perpindahan Kalor

Konduksi:

• Tanpa perpindahan partikel.
• Terjadi pada zat padat.
• Contoh: panas yang menyebar di besi.

$\text{8. }H=k\frac{A \Delta T}{L}$

Konveksi:

• Dengan perpindahan partikel.
• Umumnya terjadi pada zat cair dan gas.
• Contoh: air mendidih.

$\text{9. }H=hA\Delta T$

Radiasi:

• Tanpa zat perantara
• Terjadi dalam gas atau ruang hampa.
• Contoh: panas dari cahaya matahari ke bumi, api unggun.

$\text{10. }P=e \epsilon A T^{4}$

Contoh Soal

Soal 1: UN 2016
Perhatika gambar di bawah ini!


Sebuah bejana perunggu dengan koefisien muai panjang 20 × 10^-6 °C^-1 diisi penuh dengan cairan yang memiliki koefisien muai volume 540 × 10^-6 °C^-1. Suhu bejana beserta isinya mula-mula 20 °C, kemudian dipanaskan sehingga suhunya naik menjadi 45°C. Volume cairan yang tumpah adalah ...

1. 3,1 cc
2. 3,3 cc
3. 3,6 cc
4. 3,8 cc
5. 3,9 cc

Volume akhir cairan dikurangi volume akhir benda padat:
$\begin{align*} V&=V_{o} \gamma \Delta T - V_{o} 3 \alpha \Delta T\\ &=V_{o} \Delta T (\gamma - 3 \alpha )\\ &=(300)(25) (540 \times 10^{-6} - 60 \times 10^{-6})\\ &=(7500)(480 \times 10^{-6})\\ &=3,6\text{ }cc \end{align*}$

Soal 2: UN 2016
Dua batang logam P dan Q yang mempunyai panjang dan luas penampang sama disambung menjadi satu pada salah satu ujungnya dan pada ujung-ujung yang lain dikenakan suhu berbeda seperti gambar. Bila konduktivitas termal logam P = 4 kali konduktivitas termal logam Q, maka suhu pada sambungan kedua logam saat terjadi keseimbangan termal adalah ...

1. 120°C
2. 100°C
3. 90°C
4. 80°C
5. 60°C

Dengan Persamaan 8:
$\begin{align*} H_{P}&=H_{Q}\\ k_{P}\frac{A \Delta T_{P}}{L}&=k_{Q}\frac{A \Delta T_{Q}}{L}\\ k \Delta T&= k \Delta T\\ k_{P} \Delta T_{P}&= k_{Q} \Delta T_{Q}\\ 4(x-25)&=(200-x)\\ 4x-100&=200-x\\ 5x&=300\\ x&=60\text{ }^{\circ}C \end{align*}$

Jadi, suhu keseimbangannya adalah 60°C

Soal 3: UN 2016
Es dengan massa 200 gram bersuhu -5°C dicampur dengan sejumlah air bersuhu 30°C sehingga mencapai keadaan akhir berupa seluruhnya bersuhu 0°C. Kalor jenis es 0,5 kal.g^-1.°C^-1. Kalor lebur es 80 kal.g^-1, dan kalor jenis air 1 kal.g^-1.°C^-1. Massa air mula-mula adalah ...

1. 0,10 kg
2. 0,15 kg
3. 0,25 kg
4. 0,35 kg
5. 0,55 kg

Perhitungan massa dalam kg: $\begin{align*} m_{\text{es}} c_{\text{es}} \Delta T + m_{\text{es}} L_{\text{es}} &= m_{\text{air}} c_{\text{air}} \Delta T\\ (0,2)(0,5)(0-(-5))+(0,2)(80)&=m_{\text{air}} (1)(30)\\ 0,5+16&=30 m_{\text{air}}\\ m_{\text{air}}&=0,55\text{ }kg \end{align*}$

Jadi, massa air mula-mula adalah 0,55 kg.

Soal 4: UN 2017
Sebanyak 75 gram air yang suhunya 20°C dicampurkan dengan 50 gram air yang suhunya tak diketahui. Jika suhu akhirnya campuran 40°C, maka suhu air 50 gram mula-mula adalah ...

1. 70°C
2. 60°C
3. 50°C
4. 30°C
5. 20°C

Perhitungan massa dalam g:
$\begin{align*} (75)(20)+(50)x&=(40)(125)\\ 1500+50x&=5000\\ 50x&=3500\\ x&=70\text{ }^{\circ}C \end{align*}$

Jadi, suhu air yang dimaksud adalah 70°C.

Soal 5: UN 2017
Tiga batang konduktor P, Q, dan R dari jenis berbeda memiliki panjang dan luas penampang sama disambungkan seperti gambar.

Suhu T₁ = 20°C dan T₄ = 90°C, koefisien konduksi k_P=2 k_Q= 4 k_R, maka suhu T₂ dan T₃ adalah ...

1. T₂ = 40°C , T₃ = 75°C
2. T₂ = 40°C , T₃ = 60°C
3. T₂ = 35°C , T₃ = 65°C
4. T₂ = 30°C , T₃ = 50°C
5. T₂ = 30°C , T₃ = 40°C

Batang P dengan Q:
$\begin{align*} H_{P}&=H_{Q}\\ k_{P}\Delta T_{P}&=k_{Q} \Delta T_{Q}\\ 2(T_{2}-20)&=(T_{3}-T_{2})\\ 2T_{2}-40&=T_{3}-T_{2}\\ 3T_{2}-T_{3}&=40\\ \end{align*}$

Batang Q dengan R:
$\begin{align*} H_{Q}&=H_{R}\\ k_{Q}\Delta T_{Q}&=k_{R} \Delta T_{R}\\ 2(T_{3}-T_{2})&=(90-T_{3})\\ 2T_{3}-2T_{2}&=90-T_{3}\\ 3T_{3}-2T_{2}&=90\\ \end{align*}$

Eliminasi kedua persamaan yang didapat:
$\begin{align*} 3T_{2}-T_{3}&=40\\ -2T_{2}+3T_{3}&=90\\ \\ 9T_{2}-3T_{3}&=120\\ -2T_{2}+3T_{3}&=90\\ 7T_{2}&=210\\ \\ T_{2}&=30\text{ }^{\circ}C\\ T_{3}&=50\text{ }^{\circ}C\\ \end{align*}$

Jadi, kombinasi suhu yang sesuai terdapat pada Pilihan D.