1
BAB SUHU DAN KALOR Contoh 7.1 Alkohol–etil mendidih pada 78,50C dan membeku pada -1170C pada tekanan 1 atm. Nyatakan kedua suhu ini dalam (a) Kelvin, (b) Fahrenheit. Penyelesaian: a. Sesuai dengan persamaan (7.1) Untuk titik didih: K = C + 273 = 78,50 + 273 = 351,5 K Untuk titik beku : K = -117 + 273 = 156 K b. Sesuai persamaan (7.3) Untuk titik didih : F = 9/5C + 32 = 9/5(78,5) + 32 = 1730F Untuk titik beku: F = 9/5(-117) + 32 = -1790F
Contoh 7.2 Sebuah silinder yang diameternya 1,000 00 cm pada suhu 300C akan dimasukkan ke dalam sebuah lubang pada sebuah pelat baja yang diameternya 0,999 70 cm pada suh 390C. Berapakah suhu pelat baja agar silinder bisa tetap dimasukkan ke dalam lubang tersebut? Koefisien muai panjang baja diketahui 1,1 x 10-5/0C. Penyelesaian: Agar silinder tetap bisa masuk, diameter lubang harus sama dengan diameter silinder. Dengan demikian diameter lubang harus bertambah sebesar L L = (1,000 00 – 0,999 70) cm = 0,00030 cm. Ini berarti bahwa lubang tersebut harus memuai sebesar 0,000 30 cm. Sesuai dengan persamaan (7.4) L = L0 T L 0,000 30 T = L0 = (1,1 x 10-5 /0C) (0,999 90 cm) T = 27,30C Dengan demikian, suhu pelat baja harus (300 + 27,30C) = 57,30C
http://atophysics.wordpress.com
2 Contoh 7.3 Suatu lempeng tembaga mempunyai luas 500 cm2 pada suhu 100C. Hitunglah luasnya pada suhu 700C. Diketahui koefisien muai panjang tembaga = 1,67 x 10-5/0C. Penyelesaian: Sesuai dengan Persamaan (7.5) A = A0 (1+2 T) A = (500 cm2) {1 + 2 x 1,67 x 10-5 (700-100)} = 501,002 cm2 Jadi, luas lempeng tembaga pada suhu 700 adalah 501,002 cm2.
Contoh 7.4 Sebuah wadah yang terbuat dari alumunium berisi penuh dengan 300mL gliserin pada suhu 200C. Berapakah banyaknya gliserin yang tumpah jika wadah ini dipanaskan sampai suhu 1100C? Koefisien muai panjang alumunium 2,55 x 10-5/0C dan koefisien muai volume gliserin 5,3 x 10-4/0C. Penyelesaian: Soal ini bisa kita selesaikan dengan dua cara, pertama dengan menghitung secara terpisah pemuaian wadah dengan pemuaian gliserin dan cara kedua dengan menggunakan Persmaan (7,3). Akan kita gunakan cara kedua yaitu: fluida = tampak + wadah atau tampak = fluida – wadah tampak = fluida – wadah = 5,3 x 10-4 -3(2,55 x 10-5) = 4,535 x 10-4/0C Sesuai persamaan (7.8) V = V0 T = (300 mL) (4,535 x 10-4/0C(1100C – 200C) V = 12,24 mL Jadi volume gliserin yang tumpah adalah 12,24 mL.
Contoh 7.5 Pada suhu 00C, massa jenis raksa 13.600 kg/m3. Hitunglah massa jenis raksa pada suhu 500C jika diketahui muai volume raksa sama dengan 1,82 x 10-4/0C. Penyelesaian: Sesuai dengan persamaan (7.10) 0
=1+
T
13.600 = 1+ (1,82 x 10-4 (50) = 13.477 kg/m3 Jadi massa jenis raksa pada suhu 500C sama dengan 13.477 kg/m3.
http://atophysics.wordpress.com
3 Contoh 7.6 Sejumlah massa gas, pada suhu 00C memiliki volume 100 cm3. Jika suhu gas dinaikkan sampai 1300C, berapakah volume gas sekarang? Tekanan gas dijaga konstan. Penyelesaian: Sesuai dengan hukum Charles pada Persamaan (7.12), kita peroleh V1 T1 100 cm3 (00 + 273) K
V2 T2 V2 = (130 + 273) K =
100 x 403 V2 = 273 = 147,6 cm3. 0 Jadi,volume gas pada 130 C sama dengan 147,6 cm3. Catatan: Harus selalu diingat bahwa suhu yang digunakan adalah dalam Kelvin.
Contoh 7.7 Sebanyak 5m3 gas berada dalam suatu wadah dengan suhu 270C dan tekanan 5 x 104 Pa. Berapakah volumenya pada keadaan standar (STP = standard temperature and pressure) Penyelesaian: Yang dimaksud keadaan standar (STP) adalah tekanan 1 atm (1,01 x 105 Pa dan suhu 273 K(00C). Kita bisa selesaikan menyelesaikan soal ini dengan persamaan (7.14) p1V1 p2V2 T1 = T2 dengan p1 = 5 x 104 Pa p2 = 1,01 x 105 Pa T1 = 27 + 273 = 300K T2 = 273 K V1 = 5 m3 V2 = ....? Dengan memasukkan nilai-nilai ini ke persamaan di atas, diperoleh (5 x 104)(5) (1,01 x 105)V2 300 = 273 5 x 104 x 5 x 273 V2 = 300 x 1,01 x 105
m3 = 2,25 m3
Contoh 7.8 Sebuah balok besi yang massanya 1,0 kg dipanaskan dari suhu 140C sampai 300C. Ternyata energi yang diperlukan sama dengan 7200 J. Hitung kalor jenis besi Penyelesaian: Sesuai dengan persamaan (7.16), Q=mc T http://atophysics.wordpress.com
4 Atau c=
Q m T
7200 = (1,0)(30-14)
=
7200 16
c = 450 J/kg.K Jadi kalor jenis besi sama dengan 450 J/kg.K.
Contoh 7.9 Hitunglah kapasitas kalor segelas air jika massa gelas 200 g dan massa air 150 g. Kalor jenis air sama dengan 4200 J kg-1.K-1, dan kalor jenis gelas sama dengan 669 J kg-1.K-1. Penyelesaian: Kapasitas kalor gelas = massa x kalor jenis gelas = (2 x 10-1 kg) (669 J kg-1.K-1) = 133,8 JK-1 Kapasitas kalor air = massa x kalor jenis air = (1,5 x 10-1 kg) (4200 J kg-1.K-1) = 630 JK-1 Kapasitas segelas air = (133,8 + 630) JK-1 = 764 JK-1.
Contoh 7.10 Hitunglah banyaknya kalor yang diperlukan untuk melebur 100 g es pada suhu -100C menjadi air pada suhu 100C. (Kalor jenis air = 4200 J kg-1.K-1; kalor jenis es = 2100 J kg-1.K-1; kalor lebur es = 336 kJ kg-1) Penyelesaian: - Kalor yang diperlukan untuk mengubah es dari -100C menjadi es pada 00C sama dengan Q1, dimana Q1 = mes ces T = (100 x 10-3) (2100) (0-(-10) Q1 = 2100 J - Kalor yang diperlukan untuk mengubah es pada 00C menjadi es pada 00C sama dengan Q2, dimana Q2 = mes Les = (100 x 10-3) (336 000) Q2 = 33 600 J - Kalor yang diperlukan untuk mengubah air pada 00C menjadi air pada 100C sama dengan Q3, dimana Q3 = mair cair T = (100 x 10-3) (4200) (10 – 0) Q3 = 4200 J Total kalor yang diperlukan sama dengan Q = Q1 + Q2 + Q3 Q = 2100 J + 336 00J + 4200J Q = 39 900 J
http://atophysics.wordpress.com
5
Contoh 7.11 Dalam sebuah bejana yang massanya diabaikan terdapat gram air 420C dicampur dengan b gram es -40C. Setelah diaduk ternyata 50% es melebur. Jika titik lebur es = 00C, kalor jenis es = 0,5 kal/g 0C,kalor lebur es = 80 kal/g0C, hitung perbandingan dan . Penyelesaian: Sesuai dangan asas Black, maka kalor yang dilepas air (Q3) sama dengan kalor yang diserap es untuk menaikkan temperaturnya (Q1) dan untuk melebur 50% es (Q2). Q3 = Q1 +Q2 mair cair tair = mes ces tes + 0,5mes Les (1) 42 = (0,5) 4 + 0,5 ( 80 42 = 42 atau a : b = 1:1
Contoh7.12 Sebuah lempeng besi yang tebalnya 2 cm dan luas penampangnya 5000 cm2, salah satu sisinya bersuhu 1500C sedangkan suhu yang lain bersuhu 1400C. Jika konduktivitas termal besi sama dengan 0,115 kal/s.cm0C, berapakah laju perpindahan kalor dalam lempeng besi tersebut? Penyelesaian: Sesuai dengan persamaan (7.21) Q A(Tpanas – Tdingin) t =k l
= 0,115 x
5000 (150 – 140) 2 = 2880 kal/s
Jad, laju perpindahan kalornya 2880 kal/s.
http://atophysics.wordpress.com
