Mustan periaatteen esimerkkikysymyksiä

15 Contoh Soal Asas Black

1. Es bermassa 0,2 kg dicampur dengan teh hangat bermassa 0,2 kg. Suhu es = – 10^oC, suhu teh hangat = 40^oC. Kalor jenis es = 2100 J/kg C^o, kalor jenis air = 4200 J/kg C^o, kalor lebur air = 334.000 J/kg. Jika es dan teh hangat dicampur dalam sistem tertutup terisolasi, tentukan suhu akhir campuran.

Keskustelu
Se tiedetään :
Massa es (m es) = 0,2 kg
Massa air teh hangat (m teh) = 0,2 kg
Veden ominaislämpökapasiteetti (c vesi) = 4180 J/kg C^o
Jään ominaislämpökapasiteetti (c es) = 2100 J/kg C^o
Veden sulamislämpö (L)_f air) = 334.000 J/kg
Jään lämpötila (T es) = -10^oC
Suhu air teh hangat (T teh) = 40^oC
Kysytty : suhu akhir campuran (T campuran) ?
Jawab :
Langkah pertama, perkirakan keadaan akhir.
Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,2 kg teh hangat dari 40^oC:stä 0:aan^oC:
Kalor yang diserap oleh 0,2 kg es untuk menaikkan suhunya dari -10^oC:stä 0:aan^oC:
Kalor yang diserap untuk mencairkan 0,2 kg es (kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es menjadi air) :
Berdasarkan perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :
Q lepas = 33,444 kJ
Q terima = 4,2 kJ
Q lebur = 66,8 kJ

Ketika teh hangat melepaskan kalor sebanyak 33,44 kJ, suhu teh hangat berubah dari 40oC menjadi 0oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) digunakan untuk menaikkan suhu es dari -10 ^oC:stä 0:aan^oC. 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Untuk meleburkan semua es menjadi air diperlukan kalor sebesar 66,8 kJ.  Kalor yang tersisa adalah 29,24 kJ.

Dapat disimpulkan bahwa kalor yang dilepaskan oleh teh hangat digunakan hanya untuk menaikkan suhu es dari -10 ^oC:stä 0:aan^oC dan meleburkan sebagian es. Sebagian es telah berubah menjadi air, sebagiannya belum. Selama proses perubahan wujud padat menjadi cair, suhu tidak berubah. Karenanya suhu akhir campuran adalah 0^oC.

2. Massa teh panas = 0,4 kg, massa es = 0,2 kg, suhu es batu = -10^oC, suhu teh panas = 90^oC. Jika keduanya dicampur, berapakah suhu akhir campuran ?
Keskustelu
Langkah pertama : perkirakan keadaan akhir
Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,4  kg air teh panas dari 90^oC:stä 0:aan^oC:
Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es untuk menaikkan suhunya dari -10^oC:stä 0:aan^oC:
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es (kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es menjadi air) :
Berdasarkan perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :
Q lepas = 150,48 kJ
Q terima = 4,2 kJ
Q lebur = 66,8 kJ
Ketika teh panas melepaskan kalor sebanyak 150,48 kJ, suhu teh panas berubah dari 90oC menjadi 0oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (4,2 J) digunakan untuk menaikkan suhu es dari -10 oC sampai 0oC. 150,48 kJ – 4,8 kJ = 146,28 kJ. Kalor yang tersisa = 146,28 kJ.
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es menjadi air hanya sebesar 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. Teh panas tidak perlu melepaskan semua kalor hingga suhunya berkurang menjadi 0^oC. Kesimpulannya suhu akhir campuran pasti lebih besar daripada 0^oC.

Langkah kedua : menentukan suhu akhir (T)
Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu es dari -10^oC:stä 0:aan^oC adalah4200 J.
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es menjadi air (kalor laten) = 66.800 J
Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu air (air hasil peleburan semua es) dari 0^oC sampai T^oC = (massa es)(kalor jenis air)(T – 0) = (0,2)(4180)(T) = 836 T
Kalor yang dilepaskan oleh teh hangat untuk menurunkan suhunya dari 90oCsampai T = (massa jenis air)(90-T) = (0,4)(4180)(90 – T) = 1672 (90-T) = 150.480 – 1672 T

 

3. Air sebanyak 60 gram bersuhu 90^oC (kalor jenis air = 1 kal.g^-1.^oC^-1) dicampur 40 gram air sejenis bersuhu 25^oC. Jika tidak ada faktor lain yang mempengaruhi proses ini, maka suhu akhir campuran adalah…

15,4 ^oC
B. 23,0 ^oC
C. 46,0 ^oC
D. 64,0 ^oC
E.77,0 ^oC

Keskustelu
Se tiedetään :
Massa air 1 (m₁) = 60 grammaa
Suhu air 1 (T₁) = 90^oC
Massa air 2 (m₂) = 40 grammaa
Suhu air 2 (T₂) = 25^oC
Ominaislämpö air (c) = 1 kal.g^-1.^oC^-1
Kysytty : suhu akhir campuran
Jawab :
Kalor yang dilepas air bersuhu tinggi (Q lepas) = kalor yang diserap air bersuhu rendah (Q serap)
m₁ c (ΔT) = m₂ c (ΔT)
(60)(1)(90 – T) = (40)(1)(T – 25)
(60)(90 – T) = (40)(T – 25)
5400 – 60T = 40T – 1000
5400 + 1000 = 40T + 60T
6400 = 100T
T = 6400/100
T = 64^oC
Oikea vastaus on D.

4. Sepotong aluminium bermassa 500 gram dan memiliki suhu 30 ^oC dimasukkan ke dalam bejana berisi air bermassa 200 gram dan memiliki suhu 90 ^oC. Jika diketahui kalor jenis alumunium 0,22 kal/g C^o dan kalor jenis air 1 kal/g C^o, maka suhu akhir air dan aluminium adalah…
20,3 ^oC
B. 42,2 ^oC
C. 68,7 ^oC
D. 80,5 ^oC
E.100 ^oC
Keskustelu:
Satuan massa, gram (g) tidak perlu diubah ke kilogram (kg) karena kalor jenis aluminium dan kalor jenis air dinyatakan dalam kal/g C^o.
Se tiedetään :
m aluminium = 500 gram
c aluminium = 0,22 kal/gC^o
T aluminium = 30 ^oC
m air = 200 gram
c air = 1 kal/gC^o
T air = 90 ^oC
Kysytty :
Suhu (T) akhir air dan aluminium ?
Jawab :

Rumus kalor : Q = (m)(c)(delta T)

Q air = = (200 gram)(1 kal/gC^o)(90 ^oC – T)
Q aluminium = (500 gram)(0,22 kal/gC^o)(T– 30 ^oC)

Rumus asas Black K _lepas = Q _serap

Air mempunyai suhu awal lebih tinggi (90 ^oC) sehingga air melepaskan kalor, aluminium mempunyai suhu awal lebih rendah (30 ^oC) sehingga aluminium menyerap kalor. Suhu akhir campuran air dan aluminium pasti lebih rendah dari suhu awal air dan lebih tinggi dari suhu awal aluminium.
(200 gram)(1 kal/gC^o)(90 ^oC – T) = (500 gram)(0,22 kal/g C^o)(T– 30 ^oC)
(200)(1)(90-T) = (500)(0,22)(T-30)
(200)(90 - T) = (110)(T - 30)
18000 – 200 T = 110 T – 3300
18000 + 3300 = 110 T + 200 T
42 000 = 310 tonnia
T = 68,7 ^oC
Suhu akhir gabungan air dan aluminium adalah 68,7 ^oC.
Oikea vastaus on C.

5. Sepotong logam bermassa 300 gram bersuhu 80 ^oC dicelupkan ke dalam 200 gram air bersuhu 40 ^oC. Kalor jenis air = 1 kal/g C^o. Jika suhu akhir campuran logam dan air adalah 50^o C dan wadahnya tidak menyerap kalor, maka kalor jenis logam adalah…
A. 0,15 kal/g C^o
B. 0,22 kal/g C^o
C. 1,50 kal/g C^o
D. 4,8 kal/g C^o
E. 7,2 kal/g C^o
Keskustelu:
Se tiedetään :
m logam = 300 gram
T logam = 80 ^oC
m air = 200 gram
T air = 40 ^oC
c air = 1 kal/g C^o
T akhir campuran logam dan air = 50 ^oC
Kysytty :
c logam ?
Jawab :
Q logam = (m)(c)(delta T) = (300 gram)(c logam)(80^oC - 50^oC) = (300 gram)(c logam)(30 C^o)
Q air = (m)(c)(delta T) = (200 gram)(1 kal/g C^o)(60^oC - 50^oC) = (200 gram)(1 kal/g C^o)(10 C^o)

Rumus asas Black K _lepas = Q _serap

Logam mempunyai suhu awal lebih tinggi (80 ^oC) sehingga logam melepaskan kalor, air mempunyai suhu awal lebih rendah (40 ^oC) sehingga air menyerap kalor.
(300 gram)(c logam)(30 C^o) = (200 gram)(1 kal/g C^o)(10 C^o)
(300)(c)(30) = (200)(1)(10)
9000 c = 2000
c = 2000 / 9000
c = 0,22 kal/g C^o
Kalor jenis logam adalah 0,22 kal/g C^o.
Oikea vastaus on B.

6. Dua buah bola sejenis bersuhu sama 40 ^oC, kedua bola massanya masing-masing 10 gram dan 40 gram. Kedua bola dimasukan ke dalam suatu fluida, sehingga suhu kedua bola naik menjadi 60^oC. Apabila kalor jenis bola 2 kal/gr C^o dan 1 kalori = 4,2 Joule maka selisih kalor yang diserap oleh masing-masing bola adalah…
A. 5,04 x 10³ Joule
B. 7,50 x 10³ Joule
Noin 10,6 x 10³ Joule
Halkaisija 40 x 10³ Joule
E. 42 x 10³ Joule
Keskustelu:
Se tiedetään :
m₁ = 10 grammaa
m₂ = 40 grammaa
T₁ = T.₂ = 40 ^oC
T _loppu = 60 ^oC
c bola = 2 kal/gr C^o
Kysytty :
Selisih kalor yang diserap oleh masing-masing bola ?
Jawab :
Suhu kedua bola meningkat karenanya kedua bola pasti menyerap kalor.
Q₁ = (10 gr)(2 kal/gr C^o)(60^oC-40^oC) = (10 gr)(2 kal/gr C^o)(20 C^o) = 400 kal = (400)(4,2 J) = 1680 Joule
Q₂ = (40 gr)(2 kal/gr C^o)(60^oC-40^oC) = (40 gr)(2 kal/gr C^o)(20 C^o) = 1600 kal = (1600)(4,2 J) = 6720 Joule
Selisih kalor yang diserap oleh masing-masing bola :
6720 J – 1680 J = 5040 J = 5,04 x 10³ J
Oikea vastaus on A.

7. Air bermassa 200 gram bersuhu 30°C dicampur air mendidih bermassa 100 gram dan bersuhu 90°C. (Kalor jenis air = 1 kal.gram^-1° C^-1). Suhu air campuran pada saat keseimbangan termal adalah….

A. 10 °C

B. 30 °C

50 °C

D. 75 °C

E. 150 °C

Keskustelu

Se tiedetään :

Massa air 1 (m₁) = 200 grammaa

Suhu air 1 (T₁) = 30^oC

Massa air 2 (m₂) = 100 grammaa

Suhu air 2 (T₂) = 90^oC

Kalor jenis air (c) = 1 kal.gram^-1° C^-1

Kysytty : seoksen lopullinen lämpötila

Jawab :

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

Oikea vastaus on C.

8. ir sebanyak 60 gram bersuhu 90^oC (kalor jenis air = 1 kal.g^-1.^oC^-1) dicampur 40 gram air sejenis bersuhu 25^oC. Jika tidak ada faktor lain yang mempengaruhi proses ini, maka suhu akhir campuran adalah…

15,4 ^oC

B. 23,0 ^oC

C. 46,0 ^oC

D. 64,0 ^oC

E.77,0 ^oC

Keskustelu

Se tiedetään :

Massa air 1 (m₁) = 60 grammaa

Suhu air 1 (T₁) = 90^oC

Massa air 2 (m₂) = 40 grammaa

Suhu air 2 (T₂) = 25^oC

Kalor jenis air (c) = 1 kal.g^-1.^oC^-1

Kysytty : seoksen lopullinen lämpötila

Jawab :

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

Oikea vastaus on D.

9. Es bermassa M gram bersuhu 0^oC, dimasukkan ke dalam air bermassa 340 gram suhu 20^oC yang ditempatkan pada bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap/melepaskan kalor. Jika L_es = 80 kal g^-1, C_ilma = 1 kal g^{-1 o}C^-1, semua es mencair dan kesetimbangan termal dicapai pada suhu 5^oC, maka massa es (M) adalah…

A. 60 grammaa

B. 68 grammaa

Noin 75 grammaa

D. 1 520 grammaa

E. 170 gram

Keskustelu

Se tiedetään :

Massa air (m) = 340 gram

Jään lämpötila (T_es) = 0^oC

Veden lämpötila (T_ilma) = 20^oC

Suhu kesetimbangan termal (T) = 5^oC

Jään sulamislämpö (L_es) = 80 kal g^-1

Veden ominaislämpökapasiteetti (c_ilma) = 1 kal g^{-1 o}C^-1

Kysytty : Massa es (M)

Jawab :

Musta periaate menyatakan bahwa dalam sistem tertutup terisolasi, kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah.

Kalor yang dilepas air (Q lepas) = kalor yang diserap es (Q serap)

Oikea vastaus on A.

Catatan:

Jika dinyatakan es bersuhu 0^o maka air masih berwujud padat. Jika dinyatakan air bersuhu 0^oC maka air berwujud cair. Bedakan penggunaan kata es dan air. Karena air masih berwujud padat atau es, maka kalor yang diserap terlebih dahulu digunakan untuk mencairkan semua es menjadi air, karenanya pada ruas kanan persamaan di atas ditambahkan rumus untuk menghitung banyaknya kalor untuk mencairkan es (m_es L_es). Setelah semua es mencair menjadi air, kalor tambahan digunakan untuk menaikan suhu es dari 0^oC:stä tulee 5^oC.

10. Logam tembaga bersuhu 100^oC dimasukkan ke dalam air yang bermassa 128 gram dan bersuhu 30 ^oC. Kalor jenis air 1 kal.g^-1oC^-1 dan kalor jenis tembaga 0,1 kal.g^-1oC^-1. Jika kesetimbangan termal terjadi pada suhu 36 ^oC, maka massa logam tersebut adalah….

A. 140 grammaa

B. 120 grammaa

Noin 100 grammaa

D. 1 520 grammaa

E. 75 gram

Keskustelu

Tiedetään, että:

Suhu tembaga (T₁) = 100 ^oC

Kalor jenis tembaga (c₁) = 0,1 kcal.g^-1oC^-1

Veden massa (m₂) = 128 grammaa

Veden lämpötila (T₂) = 30 ^oC

Veden ominaislämpökapasiteetti (c₂) = 1 kcal.g^-1oC^-1

Suhu kesetimbangan termal (T) = 36 ^oC

Kysytty: Massa tembaga (m₁)

Vastaus:

Asas Black menyatakan bahwa kalor yang dilepaskan benda bersuhu tinggi = kalor yang diterima benda bersuhu rendah.

Oikea vastaus on B.

11. Tiga kilogram batang timah hitam dengan kalor jenis 1400 J.kg^-1C^-1 bersuhu 80^oC dicelupkan ke dalam 10 kg air dengan kalor jenis 4200 J.kg^-1C^-1. Setelah terjadi kesetimbangan termal, suhu akhir campuran 20^oC. Suhu air mula-mula adalah….

20 ^oC

B. 18 ^oC

C. 14 ^oC

D. 12 ^oC

E.10 ^oC

Keskustelu

Tiedetään, että:

Massa timah (m₁) = 3 kg

Kalor jenis timah (c₁) = 1400 J.kg^-1C^-1

Suhu timah (T₁) = 80 ^oC

Veden massa (m₂) = 10 kg

Veden ominaislämpökapasiteetti (c₂) = 4200 J.kg^-1C^-1

Suhu kesetimbangan termal (T) = 20 ^oC

Kysytty: Suhu air mula-mula (T₂)

Vastaus:

Oikea vastaus on C.

12. Sekeping uang logam bermassa 50 gram dipanaskan sampai suhu 85^oC, kemudian dicelupkan ke dalam bejana berisi 50 gram air bersuhu 29,8^oC (kalor jenis air = 1 kal.g^-1.^oC^-1). Jika suhu akhir sistem 37^oC dan anggap tidak ada perubahan kalor melalui bejana, maka kalor jenis logam adalah…

A. 0,12 kcal/g^-1.^oC^-1

B. 0,30 kcal/g^-1.^oC^-1

C. 1,50 kcal/g^-1.^oC^-1

D. 4,8 kal.g^-1.^oC^-1

E. 7,2 kal.g^-1.^oC^-1

Keskustelu

Tiedetään, että:

Massa uang logam (m) = 50 gram

Suhu awal uang logam (T₁) = 85^oC

Massa air (m) = 50 gram

Suhu awal air (T₂) = 29,8^oC

Kalor jenis air = 1 kal.g^-1.^oC^-1

Suhu akhir sistem (T) = 37^oC

Kysytty: Kalor jenis logam (c)

Vastaus:

Asas Black menyatakan bahwa kalor yang dilepas = kalor yang diserap. Kalor dilepaskan oleh uang logam dan kalor diserap oleh air, hingga setimbang termal.

Semua satuan dinyatakan dalam gram sehingga tidak perlu melakukan konversi satuan.

Q _lepas = Q _serap

m_logam c ΔT = m_ilma c ΔT

(50)(c)(85-37) = (50)(1)(37-29,8)

(50)(c)(48) = (50)(7,2)

(50)(c)(48) = (50)(7,2)

(c)(48) = 7,2

c = 7,2 / 48

c = 0,15 kcal/g^-1.^oC^-1

13. Logam tembaga bersuhu 100^oC dimasukkan ke dalam air yang bermassa 128 gram dan bersuhu 30 ^oC. Kalor jenis air 1 kal.g^-1 oC^-1 dan kalor jenis tembaga 0,1 kal.g^{-1 o}C^-1. Jika kesetimbangan termal terjadi pada suhu 36 ^oC, maka massa logam tersebut adalah….

A. 140 grammaa
B. 120 grammaa
Noin 100 grammaa
D. 1 520 grammaa
E. 75 gram

Keskustelu
Tiedetään, että:
Suhu tembaga (T₁) = 100 ^oC
Kalor jenis tembaga (c₁) = 0,1 kcal.g^{-1 o}C^-1

Veden massa (m₂) = 128 grammaa
Veden lämpötila (T₂) = 30 ^oC
Veden ominaislämpökapasiteetti (c₂) = 1 kcal.g^{-1 o}C^-1

Suhu kesetimbangan termal (T) = 36 ^oC
Ditanya : Massa tembaga (m₁)
Vastaus:

Asas Black menyatakan bahwa kalor yang dilepaskan benda bersuhu tinggi = kalor yang diterima benda bersuhu rendah.
Q tembaga = Q air
m₁ c₁ ΔT = m₂ c₂ AT
(m₁)(0,1)(100-36) = (128)(1)(36-30)
(m₁)(0,1)(64) = (128)(1)(6)
(m₁)(6,4) = 768
m₁ = 768/6,4
m₁ = 120
Massa tembaga adalah 120 gram.
Oikea vastaus on B.

14. Tiga kilogram batang timah hitam dengan kalor jenis 1400 J.kg^-1 C^-1 bersuhu 80^oC dicelupkan ke dalam 10 kg air dengan kalor jenis 4200 J.kg^-1 C^-1. Setelah terjadi kesetimbangan termal, suhu akhir campuran 20^oC. Suhu air mula-mula adalah….

20 ^oC
B. 18 ^oC
C. 14 ^oC
D. 12 ^oC
E.10 ^oC

Keskustelu
Tiedetään, että:
Massa timah (m₁) = 3 kg
Kalor jenis timah (c₁) = 1400 J.kg^-1 C^-1
Suhu timah (T₁) = 80 ^oC

Veden massa (m₂) = 10 kg
Veden ominaislämpökapasiteetti (c₂) = 4200 J.kg^-1 C^-1

Suhu kesetimbangan termal (T) = 20 ^oC
Ditanya : Suhu air mula-mula (T₂)
Vastaus:
Q lepas = Q terima
Q timah = Q air
m₁ c₁ ΔT = m₂ c₂ AT
(3)(1.400)(80-20) = (10)(4.200)(20-T)
(4.200)(60) = (42 000)(20 - T)
252.000 = 840.000 – 42.000 T
42 000 tonnia = 840 000 – 252 000
42 000 tonnia = 588 000
T = 588.000/42.000
T = 14
Suhu air mula-mula adalah 14^oC.
Oikea vastaus on C.

15. Es bermassa M gram bersuhu 0^oC, dimasukkan ke dalam air bermassa 340 gram suhu 20^oC yang ditempatkan pada bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap/melepaskan kalor. Jika L_es = 80 kal g^-1, C_ilma = 1 kal g^{-1 o}C^-1, semua es mencair dan terminen tasapaino dicapai pada suhu 5^oC, maka massa es (M) adalah…

A. 60 grammaa
B. 68 grammaa
Noin 75 grammaa
D. 1 520 grammaa
E. 170 gram

Keskustelu
Se tiedetään :
Massa air (m) = 340 gram
Jään lämpötila (T_es) = 0^oC
Lämpötila air (T_ilma) = 20^oC
Suhu kesetimbangan termal (T) = 5^oC
Jään sulamislämpö (L_es) = 80 kal g^-1
Veden ominaislämpökapasiteetti (c_ilma) = 1 kal g^{-1 o}C^-1
Kysytty : Massa es (M)
Jawab :

Musta periaate menyatakan bahwa dalam sistem tertutup terisolasi, kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah.
Kalor yang dilepas air (Q lepas) = kalor yang diserap es (Q serap)
m_ilma c_ilma ( T) = m_es L_es +m_es c_ilma ( T)
(340)(1)(20-5) = M (80) + M (1)(5-0)
(340)(15) = 80 miljoonaa + 5 miljoonaa
5100 = 85 miljoonaa
M = 5100/85
M = 60 grammaa
Oikea vastaus on A.

Catatan:
Jika dinyatakan es bersuhu 0^o maka air masih berwujud padat. Jika dinyatakan air bersuhu 0^oC maka air berwujud cair. Bedakan penggunaan kata es dan air. Karena air masih berwujud padat atau es, maka kalor yang diserap terlebih dahulu digunakan untuk mencairkan semua es menjadi air, karenanya pada ruas kanan persamaan di atas ditambahkan rumus untuk menghitung banyaknya kalor untuk mencairkan es (m_es L_es). Setelah semua es mencair menjadi air, kalor tambahan digunakan untuk menaikan suhu es dari 0^oC:stä tulee 5^oC.

Kysymyksen lähde:

Fysiikan kansalliset tenttikysymykset lukiolle/ammatilliseen lukioon