Contoh soal Suhu dan Kalor

15 Contoh soal Suhu dan Kalor

Kalibrasi Termometer

1. Termometer X yang telah ditera menunjukkan angka -30^o pada titik beku air dan 90^o pada titik didih air. Suhu 60^oX sama dengan …

A. 20 ^oC

B. 45 ^oC

C. 50 ^oC

D. 75 ^oC

E. 80 ^oC

Pembahasan

Diketahui :

Titik beku air pada termometer X = -30^o

Titik didih air pada termometer X = 90^o

Ditanya : 60^oX = ….. ^oC

Jawab :

Pada skala Fahrenheit, titik beku air adalah 32^oF dan titik didih air adalah 212^oF. Antara titik beku dan titik didih air terdapat selisih 212^o – 32^o = 180^o.

Pada skala Celcius titik beku air adalah 0^oC dan titik didih air adalah 100^oC. Antara titik beku dan titik didih air terdapat selisih 100^o – 0^o = 100^o.

Pada skala X, titik beku air adalah -30^oX dan titik didih air adalah 90^oX. Antara titik beku dan titik didih air terdapat selisih 90^o – (-30^o) = 90^o + 30^o = 120^o.

Ubah skala X ke skala Celcius :

Jawaban yang benar adalah D.

Pemuaian

2. Sebatang logam dipanaskan sehingga suhunya 80^oC panjangnya menjadi 115 cm. Jika koefisien muai panjang logam 3.10^{-3 o}C^-1 dan suhu mula-mula logam 30^oC, maka panjang mula-mula logam adalah….

A. 100 cm

B. 101,5 cm

C. 102 cm

D. 102,5 cm

E. 103 cm

Pembahasan

Diketahui :

Suhu awal (T₁) = 30^oC

Suhu akhir (T₂) = 80^oC

Perubahan suhu (ΔT) = 80^oC – 30^oC = 50^oC

Koefisien muai panjang logam (α) = 3.10^{-3 o}C^-1

Panjang akhir logam (L) = 115 cm

Ditanya : Panjang logam mula-mula (L_o)

Jawab :

Rumus pemuaian panjang :

Jawaban yang benar adalah A.

3. Suatu batang kuningan mula-mula panjangnya 40 cm. Saat dipanaskan pada suhu 80^oC panjangnya menjadi 40,04 cm. Jika koefisien muai panjang kuningan 2,0 x 10^{-5 o}C^-1 maka suhu awal batang kuningan tersebut adalah….

A. 20 ^oC

B. 22 ^oC

C. 25 ^oC

D. 30 ^oC

E. 50 ^oC

Pembahasan

Diketahui :

Suhu akhir (T₂) = 80^oC

Panjang awal (L_o) = 40 cm

Panjang akhir (L) = 40,04 cm

Pertambahan panjang (ΔL) = 40,04 cm – 40 cm = 0,04 cm

Koefisien muai panjang kuningan (α) = 2,0 x 10^{-5 o}C^-1

Ditanya : Suhu awal (T₁)

Jawab :

Rumus pemuaian logam :

0,04 = (2,0 x 10^-5)(40)(80 – T₁)

0,04 = (80 x 10^-5)(80 – T₁)

0,04 = 0,0008 (80 – T₁)

0,04 = 0,064 – 0,0008 T₁

0,0008 T₁ = 0,064 – 0,040

0,0008 T₁ = 0,024

T₁ = 30^oC

Jawaban yang benar adalah D.

Perpindahan Kalor Secara Konduksi

4. Batang logam yang sama ukurannya, tetapi terbuat dari logam yang berbeda digabung seperti pada gambar di samping ini. Jika konduktivitas termal logam I = 4 kali konduktivitas logam II, maka suhu pada sambungan kedua logam tersebut adalah…

A. 45⁰ C

B. 40⁰ C

C. 35⁰ C

D. 30⁰ C

E. 25⁰ C

Pembahasan

Diketahui :

Ukuran batang sama

Konduktivitas termal logam I = 4k

Konduktivitas termal logam II = k

Suhu ujung logam I = 50⁰ C

Suhu ujung logam II = 0⁰ C

Ditanya : Suhu pada sambungan kedua logam

Jawab :

Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi :

Keterangan : Q/t = laju perpindahan kalor, k = konduktivitas termal, A = luas permukaan, T₁-T₂ = perubahan suhu, l = panjang batang

Suhu pada bidang batas P dan Q :

Dua batang logam A dan B berukuran sama sehingga luas permukaan (A) dan panjang (l) batang dilenyapkan dari persamaan.

Jawaban yang benar adalah B.

5. Perhatikan pernyataan berikut!

(1) Konduktivitas logam

(2) Perbedaan suhu ujung-ujung logam

(3) Panjang logam

(4) Massa logam

Faktor-faktor yang menentukan laju perambatan kalor pada logam adalah…

A. (1), (2) dan (3)

B. (1) dan (4)

C. (2) dan (4)

D. (3) dan (4)

E. (4) saja

Pembahasan

Berdasarkan rumus laju perpindahan kalor secara konduksi, faktor-faktor yang menentukan laju perpindahan kalor adalah konduktivitas logam (k), perbedaan suhu ujung-ujung logam (T) dan panjang logam (l). Massa logam tidak berpengaruh.

Jawaban yang benar adalah A.

6. Dua buah batang PQ dengan ukuran yang sama, tetapi jenis logam berbeda dilekatkan seperti gambar di bawah ini. Jika koefisien konduksi termal P adalah dua kali koefisien konduksi termal Q, maka suhu pada bidang batas P dan Q adalah …

A. 84°C

B. 78°C

C. 72°C

D. 70°C

E. 90°C

Pembahasan

Diketahui :

Batang PQ mempunyai ukuran yang sama.

Koefisien konduksi termal logam P (k_P) = 2k

Koefisien konduksi termal logam Q (k_Q) = k

Ditanya : Suhu pada bidang batas P dan Q

Jawab :

Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi :

Keterangan : Q/t = laju perpindahan kalor, k = konduktivitas termal, A = luas permukaan, T₁-T₂ = perubahan suhu, l = panjang batang

Suhu pada bidang batas P dan Q :

Batang PQ mempunyai ukuran yang sama sehingga A dan l dilenyapkan dari persamaan.

Tidak ada jawaban yang benar.

Perubahan Wujud

7. 1 kg es pada suhu 0 ^oC dicampur dengan 0,5 kg air pada suhu 0 ^oC, maka …

A. sebagian air membeku

B. sebagian es mencair

C. semua es mencair

D. semua air membeku

E. jumlah massa es dalam air tetap

Pembahasan

Kata es menunjukkan air berwujud padat, sedangkan kata air menunjukkan air berwujud cair.

Pada suhu 0^oC es mengalami perubahan wujud padat menjadi cair. Agar wujudnya berubah maka harus ada kalor yang diserap oleh es. Es dicampur dengan air sehingga es seharusnya menyerap kalor dari air. Walaupun demikian, suhu air juga 0^oC sehingga tidak ada kalor yang dapat diserap es. Dengan demikian, jumlah massa es dalam air tetap.

Jawaban yang benar adalah E.

Asas Black

8. Di dalam sebuah bejana besi bermassa 200 gr terdapat 100 gr minyak bersuhu 20 ^oC. Di dalam bejana dimasukkan 50 gr besi bersuhu 75 ^oC. Bila suhu bejana naik 5^oC dan kalor jenis minyak = 0,43 kal/g ^oC, maka kalor jenis besi adalah …

A. 0,143 kal/g ^oC

B. 0,098 kal/g ^oC

C. 0,084 kal/g ^oC

D. 0,075 kal/g ^oC

E. 0,064 kal/g ^oC

Pembahasan

Diketahui :

Massa bejana besi (m) = 200 gr

Suhu awal bejana besi (T₁) = 20^oC

Minyak berada di dalam bejana besi sehingga suhu minyak = suhu bejana besi.

Suhu akhir bejana besi (T₂) = 20^oC + 5^oC = 25^oC

Massa minyak (m) = 100 gram

Kalor jenis minyak (c minyak) = 0,43 kal/g ^oC

Suhu awal minyak (T₁) = 20^oC

Minyak berada di dalam bejana sehingga minyak setimbang termal dengan bejana besi. Jadi apabila suhu akhir bejana besi adalah 25^oC maka suhu akhir minyak adalah 25^oC.

Suhu akhir minyak (T₂) = 20^oC + 5^oC = 25^oC

Massa besi (m) = 50 gram

Suhu awal besi (T₁) = 75^oC

Besi dicelupkan ke dalam minyak yang berada di dalam bejana karenanya besi setimbang termal dengan minyak dan bejana. Jadi jika suhu akhir bejana adalah 25^oC maka suhu akhir besi adalah 25^oC.

Ditanya : Kalor jenis besi (c besi)

Jawab :

Kalor yang dilepaskan oleh besi :

Q = m c ΔT = (50)(c)(75-25) = (50)(c)(50) = 2500c kalori

Kalor yang diserap oleh bejana besi :

Q = m c ΔT = (200)(c)(25-20) = (200)(c)(5) = 1000c kalori

Kalor yang diserap oleh minyak :

Q = m c ΔT = (100)(0,43)(25-20) = (43)(5) = 215 kalori

Asas Black menyatakan bahwa di dalam sistem tertutup terisolasi, kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi diserap oleh benda bersuhu rendah.

Q lepas = Q serap

2500c = 1000c + 215

2500c – 1000c = 215

1500c = 215

c = 215/1500

c = 0,143 kal/g ^oC

Jawaban yang benar adalah A.

9. Gelas berisi 200 gram air bersuhu 20°C dimasukkan 50 gram es bersuhu -2°C. Jika hanya terjadi pertukaran kalor antara air dan es saja, setelah terjadi kesetimbangan akan diperoleh… (c air = 1 kal/gr°C; c_es = 0,5 kal/gr°C; L = 80 kal/gr)

A. seluruh es mencair dan suhunya di atas 0°C

B. seluruh es mencair dan suhunya 0°C

C. tidak seluruh es mencair dan suhunya 0°C

D. suhu seluruh sistem di bawah 0°C

E. sebagian air membeku dan suhu sistem 0°C

Pembahasan

Diketahui :

Massa air (m_air) = 200 gram

Suhu air (T_air) = 20^oC

Kalor jenis air (c_air) = 1 kal/gr°C

Massa es (m_es) = 50 gram

Suhu es (T_es) = -2^oC

Kalor jenis es (c_es) = 0,5 kal/gr°C

Kalor lebur air (L) = 80 kal/gr

Jawab :

Kalor untuk menaikkan suhu es dari -2^oC sampai 0^oC :

Q = m c ΔT

Q = (50 gram)(0,5 kal/gr°C)(0^oC – (-2^oC))

Q = (50)(0,5 kal)(2)

Q = 50 kalori

Kalor untuk mencairkan semua es menjadi air :

Q = m L = (50 gram)(80 kal/gram) = 4000 kalori

Kalor untuk menurunkan suhu semua air dari 20^oC sampai 0^oC :

Q = m c ΔT

Q = (200 gram)(1 kal/gr°C)(0^oC – (20^oC))

Q = (200)(1 kal)(-20)

Q = -4000 kalori

Tanda positif artinya kalor ditambahkan, tanda negatif artinya kalor dilepaskan.

Kalor untuk menaikkan suhu es ke 0^oC adalah 50 kalori dan kalor untuk mencairkan semua es adalah 4000 kalori. Jadi kalor total untuk mencairkan semua es adalah 4050 kalori. Kalor yang tersedia adalah kalor yang dilepaskan air sebanyak 4000 kalori.

Dapat disimpulkan bahwa kalor yang tersedia tidak cukup untuk mencairkan semua es menjadi air. Sebagian besar es telah mencair menjadi air tetapi sebagian kecil belum mencair. Air dan sisa es ini berada pada suhu 0^oC.

Jawaban yang benar adalah C.

10. Potongan aluminium bermassa 200 gram dengan suhu 20^oC dimasukan ke dalam bejana air bermassa 100 gram dan suhu 80^oC. Jika diketahui kalor jenis aluminium 0,22 kal/g ^oC dan kalor jenis air 1 kal/g ^oC, maka suhu akhir aluminium mendekati…

A. 20^oC

B. 42^oC

C. 62^oC

D. 80^oC

E. 100^oC

Pembahasan

Diketahui :

Massa aluminium = 200 gram

Suhu aluminium = 20^oC

Massa air = 100 gram

Suhu air = 80^oC

Kalor jenis aluminium = 0,22 kal/g ^oC

Kalor jenis air = 1 kal/g ^oC

Ditanya : suhu akhir aluminium

Jawab :

Aluminium berada di dalam air sehingga suhu akhir aluminium = suhu akhir air.

Kalor yang dilepas air bersuhu lebih tinggi (Q lepas) = kalor yang diserap aluminium bersuhu lebih rendah (Q serap)

m_air c (ΔT) = m_aluminium c (ΔT)

(100)(1)(80 – T) = (200)(0,22)(T – 20)

(100)(80 – T) = (44)(T – 20)

8000 – 100T = 44T – 880

8000 + 880 = 44T + 100T

8880 = 144T

T = 62^oC

Jawaban yang benar adalah C.

11. Sepotong uang logam bermassa 50 g bersuhu 85 °C dicelupkan ke dalam 50 g air bersuhu 29,8 °C (kalor jenis air = 1 kal.g ^—1 .°C^—1 ). Jika suhu akhirnya 37 °C dan wadah tidak menyerap kalor, maka kalor jenis logam adalah…

A. 0,15 kal.g ^-1 .°C^-1

B. 0,30 kal.g ^-1 .°C^-1

C. 1,50 kal.g ^-1 .°C^-1

D. 4,8   kal.g ^-1 .°C^-1

E. 7,2   kal.g ^-1 .°C^-1

Pembahasan

Diketahui :

Massa logam (m_logam) = 50 gram

Suhu logam = 85^oC

Massa air (m_air) = 50 gram

Suhu air = 29,8^oC

Kalor jenis air (c_air) = 1 kal.g ^-1 .°C^-1

Suhu akhir campuran = 37^oC

Ditanya : kalor jenis logam (c logam)

Jawab :

Kalor yang dilepas logam bersuhu lebih tinggi (Q lepas) = kalor yang diserap air bersuhu lebih rendah (Q serap)

m_logam c (ΔT) = m_air c (ΔT)

(50)(c)(85 – 37) = (50)(1)(37 – 29,8)

(c)(85 – 37) = (1)(37 – 29,8)

48 c = 7,2

c = 0,15 kal.g ^-1 .°C^-1

Jawaban yang benar adalah A.

12. Balok es bermassa 50 gram bersuhu 0°C dicelupkan pada 200 gram air bersuhu 30°C yang diletakkan dalam wadah khusus. Anggap wadah tidak menyerap kalor. Jika kalor jenis air 1 kal.g^{– 1} °C ^–1 dan kalor lebur es 80 kal.g ^–1, maka suhu akhir campuran adalah….

A. 5°C

B. 8°C

C. 11°C

D. 14°C

E. 17°C

Pembahasan

Diketahui :

Massa es (m_es) = 50 gram

Suhu es = 0°C

Massa air (m_air) = 200 gram

Suhu air = 30^oC

Kalor jenis air (c_air) = 1 kal.g^{– 1} °C ^–1

Kalor lebur es (L_es) = 80 kal.g ^–1

Ditanya : suhu akhir campuran

Jawab :

Terlebih dahulu perkirakan keadaan akhir :

Kalor yang dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhunya dari 30^oC sampai 0^oC :

Q_lepas = m_air c_air (ΔT) = (200)(1)(30-0) = (200)(30) = 6000

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es :

Q_lebur = m_es L_es = (50)(80) = 4000

Kalor yang digunakan untuk meleburkan semua es hanya 4000 sedangkan jumlah kalor yang tersedia adalah 6000. Dapat disimpulkan bahwa suhu akhir campuran berada di atas 0^oC.

Asas Black :

Kalor yang dilepas oleh air = kalor untuk meleburkan semua es + kalor untuk menaikan suhu air es

(m_air)(c_air)(ΔT) = (m_es)(L_es) + (m_es)(c_air)(ΔT)

(200)(1)(30-T) = (50)(80) + (50)(1)(T-0)

(200)(30-T) = (50)(80) + (50)(T-0)

6000 – 200T = 4000 + 50T – 0

6000 – 4000 = 50T + 200T

2000 = 250T

T = 2000/250

T = 8^oC

Jawaban yang benar adalah B.

Perubahan wujud zat

13. Grafik di bawah ini menyatakan hubungan antara suhu (T) dengan kalor (Q) yang diberikan pada 1 gram zat padat. Besar kalor uap zat padat tersebut adalah…
A. 60 kalori/gram
B. 70 kalori/gram
C. 80 kalori/gram
D. 90 kalori/gram
E. 100 kalori/gram
Pembahasan :Kalor uap adalah banyaknya kalor yang diserap (atau dilepaskan) oleh 1 gram benda untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi gas (atau dari gas menjadi cair).
Diketahui :
Kalor yang diserap atau dilepas : Q = 140 kalori – 60 kalori = 80 kalori
Massa zat padat : m = 1 gram
Ditanya :
Kalor uap (L_v) zat padat ?
Jawab :
Rumus untuk menentukan kalor uap :
Q = m L_v
Keterangan : Q = kalor yang diserap atau dilepaskan, m = massa zat, L_v = kalor uap
L_v = Q / m
L_v = 80 kalori / 1 gram
L_v = 80 kalori/gram
Jawaban yang benar adalah C.

14. Di bawah ini adalah grafik kalor terhadap suhu dari 1 kg uap pada tekanan normal. Kalor didih air 2256 x 10³ J/kg dan kalor jenis air 4,2 x 10³ J/kg K, maka kalor yang dilepas pada perubahan dari uap menjadi air adalah…
A. 4,50 × 10³ Joule
B. 5,20 × 10³ Joule
C. 2,00 × 10⁶ Joule
D. 2,26 × 10⁶ Joule
E. 4,40 × 10⁶ Joule

Pembahasan :
Diketahui :
Kalor uap atau kalor didih (L_v) = 2.256 x 10³ J/kg
Kalor jenis air (c) = 4200 J/kg K
Massa uap (m) = 1 kg
Ditanya :
Kalor yang dilepas (Q) ?
Jawab :
Q = m L_v
Q = (1 kg)(2.256 x 10³ J/kg)
Q = 2256 x 10³ Joule
Q = 2,256 x 10⁶ Joule
Jawaban yang benar adalah D.

15. Banyaknya kalor yang diserap untuk menaikan suhu air bermassa 2 kg dari -2 ^oC sampai 10 ^oC adalah… Kalor jenis air = 4.200 J/kg C^o, kalor jenis es = 2.100 J/kg C^o, kalor lebur air (L_F) = 334.000 J/kg
A. 760.400 J
B. 750.000 J
C. 668.000 J
D. 600.000 J
E. 540.000 J
Pembahasan :
Diketahui :
Massa (m) air = 2 kg
Suhu (T) awal = -2 ^oC
Suhu (T) akhir = 10 ^oC
Kalor jenis es (c es) = 2100 J/kg C^o
Kalor jenis air (c air) = 4200 J/kg C^o
Kalor lebur air (L_F) = 334.000 J/kg
Ditanya :
Kalor yang diserap (Q) ?
Jawab :
Perubahan suhu dari -2 ^oC sampai 10 ^oC dilalui melalui beberapa tahap.
Tahap 1, suhu es meningkat dari -2 ^oC sampai 0 ^oC (kenaikan suhu es berhenti pada suhu titik beku air yakni 0 ^oC)
Tahap 2, semua es mencair (wujud padat berubah menjadi wujud cair pada suhu titik beku air yakni 0 ^oC)
Tahap 3, suhu air meningkat lagi dari 0 ^oC sampai 10 ^oC)
Jadi dari suhu -2 ^oC sampai 0 ^oC, air masih dalam wujud padat. Pada suhu 0 ^oC, terjadi perubahan wujud padat menjadi cair. Setelah wujud padat berubah menjadi wujud cair, suhu air meningkat lagi dari 0 ^oC sampai 10 ^oC.
Q₁ = (m)(c es)(delta T) = (2 kg)(2100 J/kg C^o)(0 ^oC – (-2 ^oC)) = (2)(2100 J)(2) = 8400 J
Q₂ = (m)(L_F) = (2 kg)(334.000 J/kg) = 668.000 J
Q₃ = (m)(c air)(delta T) = (2 kg)(4200 J/kg C^o)(10 ^oC – 0 ^oC)) = (2)(4200 J)(10) = 84000 J
Kalor yang diserap :
Q = Q₁ + Q₂ + Q₃
Q = 8400 J + 668.000 J + 84000 J
Q = 760.400 Joule
Jawaban yang benar adalah A.

Sumber soal:

Soal UN Fisika SMA/MA