Contoh soal perpindahan kalor secara konduksi

1. Jelaskan menggunakan contoh, pengertian perpindahan kalor secara konduksi ?
Pembahasan
Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi melalui tumbukan antara atom/molekul penyusun benda. Misalnya tinjau sebatang besi yang dipanaskan. Salah satu ujung besi disentuhkan ke api dan ujung lainnya dipegang. Walaupun ujung besi yang dipegang tidak bersentuhan dengan api tetapi karena kalor/panas berpindah melalui batang besi maka ujung besi yang dipegang terasa panas. Bagaimana cara kalor berpindah dari satu satu ujung besi ke ujung besi lainnya ?
Ujung besi yang dipanaskan mendapat tambahan kalor. Kalor adalah energi yang secara alamiah berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Adanya tambahan energi menyebabkan atom/molekul penyusun besi bergetar semakin jauh dari posisi setimbangnya. Ketika bergetar semakin jauh, atom/molekul tersebut menumbuk atom/molekul di sebelahnya sehingga atom/molekul yang ditumbuk bergetar semakin jauh dan mempunyai energi semakin besar. Proses ini berlangsung seterusnya hingga kalor tiba pada ujung besi yang dipegang.

2. Mungkinkah perpindahan kalor secara konduksi terjadi antara atom/molekul zat cair ?
Pembahasan
Cermati contoh berikut ini. Ketika sebatang besi dipanaskan, kalor berpindah dari suatu atom/molekul besi ke atom/molekul besi lainnya sehingga bisa dikatakan perpindahan kalor secara konduksi terjadi antara atom/molekul zat padat. Perpindahan kalor secara konduksi tidak terjadi antara atom/molekul zat cair karena antara atom/molekul zat cair terjadi perpindahan kalor secara konveksi dan demikian juga antara atom/molekul zat gas terjadi perpindahan kalor secara konveksi.

3. Konduktivitas termal bata adalah 0,84 J/m.s.Co dan konduktivitas termal wol adalah 0,040 J/m.s.Co. Manakah yang merupakan konduktor kalor yang lebih baik, bata atau wol ?
Pembahasan
Benda yang memiliki konduktivitas termal besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik) sedangkan benda yang memiliki konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).
Berdasarkan soal, konduktivitas termal bata lebih besar daripada konduktivitas termal wol sehingga bata merupakan penghantar kalor yang lebih baik dibandingkan wol.

4. Sebatang baja berbentuk silinder pejal mempunyai panjang 1 meter dan luas penampang 0,2 meter kuadrat. Konduktivitas termal baja adalah 40 J/m.s.Co. Jika selisih suhu antara kedua ujung baja adalah 10oC, tentukan laju perpindahan kalor secara konduksi pada batang baja tersebut !
Pembahasan
Diketahui :
Panjang baja (l) = 1 m
Luas penampang baja (A) = 0,2 m2
Konduktivitas termal baja (k) = 40 J/m.s.Co
Perbedaan suhu kedua ujung baja (ΔT) = 10oC
Ditanya : Laju perpindahan kalor secara konduksi (Q/t)
Jawab :
Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi :
Q/t = k A ΔT / l
Q/t = (40)(0,2)(10) / 1
Q/t = 80 / 1
Q/t = 80 Joule/sekon

5. Logam A dan B mempunyai panjang dan luas penampang sama. Koefisien konduksi logam A = 1/6 kali koefisien konduksi logam B.  Kedua logam dipanaskan pada salah satu ujungnya dan ternyata keduanya mengalami perubahan suhu yang sama. Maka perbandingan kelajuan hantaran kalor logam A dan logam B adalah …
A. 6 : 1
B. 1 : 6
C. 1 : 5
D. 2 : 1
E. 4 : 1
Pembahasan :

Diketahui :
kA = 1/6 kB = 1/6
kB = 6/6 = 1
Ditanya :
Perbandingan laju perpindahan kalor melalui logam A dan logam B ?
Jawab :
Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi :
Perpindahan kalor - 1Keterangan : Q/t = laju perpindahan kalor, k = konduktivitas termal, A = luas penampang, T1 = suhu tinggi, T2 = suhu rendah, l = panjang benda.

Perpindahan kalor - 2Panjang dan luas penampang kedua logam sama besar sehingga l dan A dilenyapkan dari persamaan. Perubahan suhu kedua logam sama sehingga (T1 – T2) dilenyapkan dari persamaan.
kA : kB
1/6 : 6/6
1 : 6
Jawaban yang benar adalah B.

6. Dua zat padat P dan Q yang mempunyai ukuran yang sama tetapi jenisnya berbeda dilekatkan seperti pada gambar di bawah. Apabila koefisien konduksi termal P adalah tiga kali koefisien konduksi termal Q, maka suhu pada bidang batas P dan Q adalah …
A. 60 oC
B. 50 oC
C. 40 oC
D. 20 oC
E. 10 oC

Perpindahan kalor - 3Pembahasan :
Diketahui :
TP = 0 oC
TQ = 80 oC
kP = 3 kQ = 3
kQ = 1
Ditanya :
Suhu pada bidang batas P dan Q ?
Jawab :

Perpindahan kalor - 4Ukuran kedua benda sama sehingga A dan l dilenyapkan dari persamaan.
Perpindahan kalor - 5Jawaban yang benar adalah D.

7. Soal UN SMA/MA 2018 No.22

Besarnya kalor yang mengalir per detik melalui suatu bahan logam:

(1) berbanding terbalik dengan perbedaan suhu antara kedua ujungnya

(2) berbanding terbalik dengan luas penampang benda

(3) bergantung pada jenis bahan logam

(4) berbanding terbalik dengan panjang logam

Pernyataan yang benar untuk meningkatkan laju perpindahan kalor secara konduksi adalah…

Pembahasan

Rumus perpindahan kalor secara konduksi:

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 26

Besarnya kalor yang mengalir per detik (Q/t)

Berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara kedua ujungnya (T1 – T2).

Berbanding lurus dengan luas penampang benda (A).

Berbanding lurus dengan jenis bahan logam (k = konduktivitas termal)

Berbanding terbalik dengan panjang logam (l).

Pernyataan yang benar adalah 3 dan 4.

8. Soal UN SMA/MA 2018 No.23

Logam P, Q dan R berukuran sama. Konduktivitas logam P, Q dan R berturut-turut adalah 4k, 2k dan k. Ketiganya terhubung dengan suhu pada ujung-ujung terbuka seperti pada gambar berikut ini.

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 27

Suhu pada sambungan logam P dengan Q (Tx) adalah…

Pembahasan

Diketahui:

Konduktivitas logam P = 4k

Konduktivitas logam Q = 2k

Konduktivitas logam R = k

Suhu rendah di ujung logam P (TP) = 20oC

Suhu tinggi di ujung logam R (TR) = 160oC

Ditanya: Suhu pada sambungan logam P dengan Q (Tx)

Jawab:

Rumus perpindahan kalor secara konduksi :

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 28

Keterangan :

Q/t = laju perpindahan kalor, k = konduktivitas termal, A = luas penampang, T1 = suhu awal, T2 = suhu akhir, l = panjang batang.

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 29

Panjang (l) dan luas penampang (A) sama sehingga dilenyapkan dari persamaan.

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 30

Gunakan persamaan ini untuk menghitung suhu.

Tinjau batang logam P dan Q.

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 31

Tinjau batang logam Q dan R.

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 32

Untuk mendapatkan Tx, eliminasikan Ty:

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 33

Pembahasan soal UN fisika SMA tahun 2018 - 34