Benang Lurus
Kalor dan Perpidahannya
-
MODUL 01Simulasi Konversi Suhu Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin
-
MODUL 02Kalor dan Perpidahannya
-
MODUL 03Simulasi Grafik Perubahan Suhu dan Perubahan Wujud Air
-
MODUL 04Simulasi Asas Black
-
MODUL 05Latihan Soal Konversi Suhu
-
MODUL 06Latihan Soal Konversi Suhu 02
-
MODUL 07Latihan Soal Perhitungan Kalor
-
MODUL 08Latihan Soal Asas Black
-
MODUL 09Latihan Soal Asas Black 02
-
MODUL 10Kuis Kalor untuk Perubahan Suhu dan Perubahan Wujud Zat 01
Suhu dan kalor merupakan dua konsep fundamental dalam ilmu fisika. Suhu menyatakan derajat atau tingkat panas-dinginnya suatu benda, sedangkan kalor adalah energi termal yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi menuju benda bersuhu lebih rendah.
1. Skala Termometer
Termometer memanfaatkan sifat termometrik zat cair (seperti raksa atau alkohol) yang memuai secara teratur. Rentang skala ditentukan dari Titik Tetap Bawah (TTB, titik lebur es murni pada 1 atm) dan Titik Tetap Atas (TTA, titik didih air murni pada 1 atm).
Perbandingan Skala Termometer:
\text{Skala } C : R : (F \:-\: 32) : (K \:-\: 273) = 100 : 80 : 180 : 100 = 5 : 4 : 9 : 5
\]
\[
\frac{T_X \:-\: X_b}{X_a \:-\: X_b} = \frac{T_Y \:-\: Y_b}{Y_a \:-\: Y_b}
\]
Keterangan: \(X_a, Y_a\) = titik tetap atas; \(X_b, Y_b\) = titik tetap bawah. Satuan SI untuk suhu adalah Kelvin (K) tanpa lambang derajat.
2. Kalor untuk Menaikkan Suhu Zat
\[Q = m \cdot c \cdot \Delta T\]
Konversi Satuan dan Tetapan:
Kalor jenis air: \(c_{\text{air}} = 4.200\text{ J/kg}^\circ\text{C} = 1\text{ kal/g}^\circ\text{C}\)
Kalor jenis es: \(c_{\text{es}} = 2.100\text{ J/kg}^\circ\text{C} = 0{,}5\text{ kal/g}^\circ\text{C}\)
3. Kalor Laten (Perubahan Wujud Zat)
Kalor laten adalah energi kalor yang diserap atau dilepas oleh suatu zat untuk merubah wujud zat tersebut pada suhu yang tetap (tanpa mengalami perubahan suhu).
| Kalor Lebur / Beku (\(L_f\)) | Kalor Uap / Embun (\(L_u\)) |
|---|---|
| \[Q = m \cdot L_f\]
Untuk es melebur menjadi air (\(0^\circ\text{C}\)): \(L_f = 336.000\text{ J/kg} = 80\text{ kal/g}\) |
\[Q = m \cdot L_u\]
Untuk air mendidih menjadi uap (\(100^\circ\text{C}\)): \(L_u = 2.260.000\text{ J/kg} = 540\text{ kal/g}\) |
4. Asas Black dan Perpindahan Kalor
\[Q_{\text{lepas}} = Q_{\text{terima}}\] \[m_1 \cdot c_1 \cdot (T_1 \:-\: T_{\text{campuran}}) = m_2 \cdot c_2 \cdot (T_{\text{campuran}} \:-\: T_2)\] Benda yang bersuhu lebih tinggi melepaskan kalor, dan benda yang bersuhu lebih rendah menyerap kalor hingga dicapai kesetimbangan termal.
| Konduksi (Hantaran) | Konveksi (Aliran) | Radiasi (Pancaran) |
|---|---|---|
| Perpindahan kalor melalui kontak molekuler langsung tanpa disertai perpindahan fisik partikel medium. Terjadi dominan pada zat padat konduktor.
Contoh: Sendok logam terasa panas saat mengaduk kuah sayur mendidih; dasar setrika listrik memanaskan pakaian. |
Perpindahan kalor yang disertai gerakan materi partikel zat perantara akibat perbedaan kerapatan (massa jenis). Terjadi pada zat cair dan gas.
Contoh: Gerakan memutar air mendidih saat direbus di panci; terjadinya angin laut di siang hari dan angin darat di malam hari. |
Perpindahan energi termal dalam bentuk gelombang elektromagnetik tanpa memerlukan zat perantara (medium).
Contoh: Hangatnya pancaran sinar Matahari yang merambat melewati ruang hampa antariksa sampai ke Bumi; kehangatan di dekat perapian atau api unggun. |
Latihan Soal dan Pembahasan
Soal 01
Seorang siswa membuat sebuah termometer zat cair baru dengan skala \(X\). Termometer tersebut menunjukkan angka \(-10^\circ\text{X}\) pada saat es murni melebur dan menunjukkan angka \(140^\circ\text{X}\) saat air murni mendidih pada tekanan udara normal.
Jika suatu larutan diukur menggunakan termometer skala Celcius menunjukkan nilai \(60^\circ\text{C}\), maka suhu yang ditunjukkan pada termometer skala \(X\) adalah ….
(A) \(75^\circ\text{X}\)
(B) \(80^\circ\text{X}\)
(C) \(85^\circ\text{X}\)
(D) \(90^\circ\text{X}\)
Opsi B (80°X)
Skala X: \(X_b = -10^\circ\text{X}\), \(X_a = 140^\circ\text{X}\), rentang skala = \(140 \:-\: (-10) = 150\).
Skala Celcius: \(C_b = 0^\circ\text{C}\), \(C_a = 100^\circ\text{C}\), rentang skala = \(100 \:-\: 0 = 100\).
\[
\begin{aligned}
\frac{T_X \:-\: X_b}{X_a \:-\: X_b} &= \frac{T_C \:-\: C_b}{C_a \:-\: C_b} \\
\frac{T_X \:-\: (-10)}{150} &= \frac{60 \:-\: 0}{100} \\
\frac{T_X + 10}{150} &= \frac{3}{5} \\
T_X + 10 &= \frac{3}{5} \times 150 \\
T_X + 10 &= 90 \\
T_X &= 90 \:-\: 10 = 80^\circ\text{X}
\end{aligned}
\] Jadi, suhu pada skala \(X\) adalah \(80^\circ\text{X}\).
Soal 02
Sebanyak \(2\text{ kg}\) air murni bersuhu mula-mula \(25^\circ\text{C}\) dipanaskan di dalam panci hingga suhunya naik terukur menjadi \(75^\circ\text{C}\). Jika kalor jenis air bernilai \(4.200\text{ J/kg}^\circ\text{C}\), berapakah total energi kalor yang diserap oleh air tersebut?
(A) \(210.000\text{ Joule}\)
(B) \(315.000\text{ Joule}\)
(C) \(420.000\text{ Joule}\)
(D) \(630.000\text{ Joule}\)
Opsi C (420.000 Joule)
\Delta T = T_{\text{akhir}} \:-\: T_{\text{awal}} = 75^\circ\text{C} \:-\: 25^\circ\text{C} = 50^\circ\text{C}
\]
\begin{aligned}
Q &= m \cdot c \cdot \Delta T \\
&= 2\text{ kg} \times 4.200\text{ J/kg}^\circ\text{C} \times 50^\circ\text{C} \\
&= 420.000\text{ Joule} \quad (420\text{ kJ})
\end{aligned}
\] Jadi, energi kalor yang diserap oleh air tersebut adalah \(420.000\text{ Joule}\).
Soal 03
Sebongkah es murni bermassa \(500\text{ gram}\) berada tepat pada titik leburnya \(0^\circ\text{C}\). Jika kalor lebur es tersebut bernilai \(80\text{ kal/g}\), berapakah kalor yang dibutuhkan agar seluruh es tersebut mencair seluruhnya menjadi air bersuhu \(0^\circ\text{C}\)?
(A) \(4.000\text{ kalori}\)
(B) \(8.000\text{ kalori}\)
(C) \(40.000\text{ kalori}\)
(D) \(80.000\text{ kalori}\)
Opsi C (40.000 kalori)
Karena perubahan wujud terjadi pada suhu tetap (\(0^\circ\text{C}\)), digunakan rumus kalor lebur:
\[
\begin{aligned}
Q &= m \cdot L_f \\
&= 500\text{ g} \times 80\text{ kal/g} \\
&= 40.000\text{ kalori}
\end{aligned}
\]
Jika dikonversikan ke satuan Joule (\(1\text{ kal} = 4{,}2\text{ J}\)):
\[
Q = 40.000 \times 4{,}2\text{ J} = 168.000\text{ Joule}
\]
Jadi, kalor yang dibutuhkan adalah \(40.000\text{ kalori}\).
Soal 04
Perhatikan grafik perubahan wujud dan kenaikan suhu dari pemanasan \(500\text{ gram}\) es batu berikut ini:
Jika kalor lebur es \(L_f = 336.000\text{ J/kg}\) dan kalor jenis air \(c_{\text{air}} = 4.200\text{ J/kg}^\circ\text{C}\), berapakah total kalor yang diperlukan pada tahap \(B\) ke \(D\)?
(A) \(168.000\text{ Joule}\)
(B) \(63.000\text{ Joule}\)
(C) \(231.000\text{ Joule}\)
(D) \(241.500\text{ Joule}\)
Opsi C (231.000 Joule)
Massa materi: \(m = 500\text{ g} = 0{,}5\text{ kg}\).
- Tahap B – C: Proses peleburan es bersuhu \(0^\circ\text{C}\) menjadi air bersuhu \(0^\circ\text{C}\).
- Tahap C – D: Proses menaikkan suhu air dari \(0^\circ\text{C}\) menuju suhu \(30^\circ\text{C}\).
\[
Q_{BC} = m \cdot L_f = 0{,}5\text{ kg} \times 336.000\text{ J/kg} = 168.000\text{ J}
\] Hitung kalor kenaikan suhu air (\(Q_{CD}\)):
\[
Q_{CD} = m \cdot c_{\text{air}} \cdot \Delta T = 0{,}5\text{ kg} \times 4.200\text{ J/kg}^\circ\text{C} \times (30 \:-\: 0)^\circ\text{C} = 63.000\text{ J}
\] Total kalor dari titik \(B\) ke \(D\):
\[
\begin{aligned}
Q_{\text{total}} &= Q_{BC} + Q_{CD} \\
&= 168.000\text{ J} + 63.000\text{ J} \\
&= 231.000\text{ Joule}
\end{aligned}
\] Jadi, total kalor pada proses \(B \:-\: D\) adalah \(231.000\text{ Joule}\).
Soal 05
Sebanyak \(1\text{ kg}\) air mendidih bersuhu \(100^\circ\text{C}\) dicampurkan dengan \(3\text{ kg}\) air dingin bersuhu \(20^\circ\text{C}\) ke dalam bejana tertutup yang terisolasi termal sempurna.
Jika kalor yang diserap wadah diabaikan, maka suhu akhir kesetimbangan termal campuran air tersebut adalah ….
(A) \(35^\circ\text{C}\)
(B) \(40^\circ\text{C}\)
(C) \(45^\circ\text{C}\)
(D) \(50^\circ\text{C}\)
Opsi B (40°C)
Benda bersuhu lebih tinggi (air \(100^\circ\text{C}\)) bertindak sebagai pendonor kalor (\(Q_{\text{lepas}}\)) sehingga suhunya menurun, sedangkan benda bersuhu lebih rendah (air \(20^\circ\text{C}\)) bertindak sebagai penerima kalor (\(Q_{\text{terima}}\)) sehingga suhunya meningkat.
Suhu akhir campuran (\(T_c\)) selalu berada di antara suhu awal kedua zat (\(20^\circ\text{C} \lt T_c \lt 100^\circ\text{C}\)) dan posisinya lebih dekat ke suhu air dingin karena massanya jauh lebih besar (\(3\text{ kg} \gt 1\text{ kg}\)).
\begin{aligned}
Q_{\text{lepas}} &= Q_{\text{terima}} \\
m_1 \cdot c \cdot (T_1 \:-\: T_c) &= m_2 \cdot c \cdot (T_c \:-\: T_2)
\end{aligned}
\] Karena kedua zat adalah air murni, kalor jenis \(c\) dapat saling membagi habis:
\[
\begin{aligned}
1 \times (100 \:-\: T_c) &= 3 \times (T_c \:-\: 20) \\
100 \:-\: T_c &= 3T_c \:-\: 60 \\
100 + 60 &= 3T_c + T_c \\
160 &= 4T_c \\
T_c &= \frac{160}{4} = 40^\circ\text{C}
\end{aligned}
\] Jadi, suhu akhir kesetimbangan campuran air tersebut adalah \(40^\circ\text{C}\).
Soal 06
Dua buah logam silinder \(P\) dan \(Q\) bermassa identik (\(m_P = m_Q\)) dipanaskan bersamaan dengan laju kalor pemanas yang sama kuat. Setelah dipanaskan selama waktu tertentu, kenaikan suhu logam \(P\) terukur dua kali lebih tinggi daripada kenaikan suhu logam \(Q\) (\(\Delta T_P = 2\,\Delta T_Q\)). Perbandingan kalor jenis logam \(P\) terhadap logam \(Q\) (\(c_P : c_Q\)) adalah ….
(A) \(1 : 4\)
(B) \(1 : 2\)
(C) \(2 : 1\)
(D) \(4 : 1\)
Opsi B (1 : 2)
\[
Q = m \cdot c \cdot \Delta T \implies c = \frac{Q}{m \cdot \Delta T}
\] Karena jumlah kalor (\(Q\)) dan massa (\(m\)) sama, nilai kalor jenis berbanding terbalik terhadap perubahan suhu (\(c \propto \frac{1}{\Delta T}\)):
\[
\frac{c_P}{c_Q} = \frac{\Delta T_Q}{\Delta T_P}
\] Substitusikan \(\Delta T_P = 2\,\Delta T_Q\):
\[
\frac{c_P}{c_Q} = \frac{\Delta T_Q}{2\,\Delta T_Q} = \frac{1}{2}
\] Jadi, perbandingan nilai kalor jenis logam \(P\) dan \(Q\) adalah \(1 : 2\).
Soal 07
Ujung sendok perak yang dicelupkan ke dalam semangkuk sup mendidih akan terasa panas hingga ke bagian gagangnya dalam beberapa detik. Penjelasan fisis tingkat mikroskopis yang paling tepat mengenai mekanisme perpindahan kalor tersebut adalah ….
(A) partikel-partikel atom perak mengalir membawa kalor dari dasar sendok menuju gagang
(B) partikel atom logam bergetar lebih kencang lalu menumbuk atom di dekatnya sehingga energi termal merambat tanpa perpindahan massa zat
(C) kalor merambat secara konveksi karena massa jenis ujung bawah sendok mengecil dan mengapung ke atas
(D) logam sendok memancarkan radiasi elektromagnetik yang menembus batang sendok
Opsi B
Pada zat padat (khususnya logam konduktor), atom terikat dalam kisi kristal padat. Ketika ujung bawah menerima kalor, energi kinetik partikel bertambah sehingga bergetar lebih kuat. Getaran kisi ini membentur atom di dekatnya dan diteruskan sepanjang batang logam oleh bantuan elektron bebas tanpa adanya perpindahan partikel zat perantara.
Soal 08
Perhatikan ilustrasi sirkulasi hembusan angin di wilayah pesisir pantai pada siang hari berikut:
Terjadinya angin laut dari perairan menuju daratan pada siang hari didasarkan pada prinsip konveksi udara dan perbedaan kalor jenis zat, yaitu ….
(A) kalor jenis air laut lebih kecil dibanding daratan sehingga air laut lebih cepat panas
(B) kalor jenis tanah daratan lebih kecil daripada air laut, sehingga daratan lebih cepat panas dan udara di atasnya memuai naik menghasilkan daerah bertekanan rendah
(C) daratan menahan kalor lebih lama dibandingkan lautan
(D) udara dingin di atas daratan mengalir ke laut yang bertekanan lebih rendah
Opsi B
- Kalor jenis pasir dan tanah daratan (\(c \approx 800\text{ J/kg}^\circ\text{C}\)) jauh lebih kecil daripada air laut (\(c \approx 4.200\text{ J/kg}^\circ\text{C}\)).
- Pada siang hari disinari Matahari, daratan mengalami kenaikan suhu yang jauh lebih cepat daripada lautan.
- Udara panas di atas daratan memuai, massa jenisnya mengecil, lalu membubung ke atas (daerah tekanan rendah).
- Udara sejuk di atas laut yang lebih bertekanan tinggi bergerak mendatar menuju darat menggantikan posisi udara tersebut (angin laut).
Soal 09
Sebuah botol termos dirancang menggunakan dinding kaca rangkap dua dengan ruang di antaranya dibuat hampa udara (vakum), serta dinding dalamnya dilapisi cermin perak yang mengilap.
Fungsi dari ruang hampa udara (vakum) dan lapisan perak mengilap pada botol termos tersebut berturut-turut adalah ….
(A) mencegah perpindahan kalor secara radiasi; mencegah konduksi dan konveksi
(B) mencegah perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi; memantulkan kembali radiasi kalor
(C) mempercepat perpindahan kalor secara konveksi; menyerap radiasi inframerah
(D) mencegah radiasi kalor; memperlancar perpindahan kalor secara konduksi
Opsi B
- Ruang Hampa (Vakum): Karena tidak terdapat partikel materi, perambatan kalor melalui konduksi maupun konveksi tidak dapat terjadi.
- Lapisan Perak Mengilap: Bertindak sebagai cermin pemantul yang efisien untuk memantulkan radiasi termal inframerah kembali ke air panas.
- Sumbat Isolator: Menutup jalur konveksi udara hangat keluar dari mulut termos.
Soal 10
Dua unit tenda perkemahan didirikan di lahan terbuka di bawah terik sinar Matahari. Tenda pertama berwarna hitam pekat kusam, sedangkan tenda kedua berwarna putih bersih mengilap. Suhu udara di dalam tenda hitam terasa jauh lebih panas dan gerah. Penjelasan ilmiah yang tepat untuk fenomena radiasi tersebut adalah ….
(A) permukaan hitam kusam menyerap kalor radiasi sangat baik dan pemancar kalor paling buruk
(B) permukaan hitam kusam merupakan penyerap radiasi termal yang sangat baik dibandingkan permukaan putih mengilap
(C) permukaan putih mengilap menyerap seluruh spektrum kalor lalu menghantarkannya lewat konduksi
(D) warna putih mengilap menyerap kalor radiasi jauh lebih kuat dibanding warna hitam
Opsi B
Kemampuan penyerapan kalor radiasi ditentukan oleh nilai emisivitas permukaan (\(e\)):
- Benda hitam dan gelap kusam: Memiliki koefisien emisivitas mendekati 1 (\(e \approx 1\)), menjadikannya sebagai penyerap radiasi termal yang sangat baik sehingga suhu tenda hitam meningkat lebih drastis.
- Benda putih dan cerah mengilap: Memiliki koefisien emisivitas mendekati 0 (\(e \approx 0\)), memantulkan kembali sebagian besar radiasi termal (reflektor yang efektif) sehingga suhu ruangan di dalamnya tetap sejuk.
