Pembahasan Fisika UN: Kalor

Memuai: Sambungan rel KA rapat di siang hari

Pembahasan soal-soal Ujian Nasional SMA-IPA bidang studi Fisika dengan materi pembahasan Kalor, meliputi pemuaian, perpindahan kalor, dan asas Black.

Soal tentang Pemuaian UN 2014

Panjang sebatang besi ketika dipanaskan sampai suhunya mencapai 65 °C adalah 50,024 cm. Jika panjang besi sebelum dipanaskan 50 cm dan koefisien muai panjang besi 1,2 × 10⁻⁵ °C⁻¹ maka suhu batang besi sebelum dipanaskan adalah ….

A.   15 °C
B.   20 °C
C.   25 °C
D.   30 °C
E.   35 °C

Pembahasan

Sebatang besi yang dipanaskan akan mengalami pertambahan panjang sesuai dengan rumus:

Δl = α l_o Δt
 
dengan 

l_o = panjang mula-mula
    = 50 cm

Δl = pertambahan panjang
     = (50,024 − 50) cm
     = 0,024 cm
     = 24 × 10⁻³ cm

α = koefisien muai panjang
   = 1,2 × 10⁻⁵ °C⁻¹
   = 12 × 10⁻⁶ °C⁻¹

Δt = perubahan suhu
     = (65 − t_o) °C

Nah, sekarang tinggal memasukkan data-data tersebut pada rumus di atas.

          Δl = α l_o Δt
24×10⁻³ = 12×10⁻⁶×50×(65 − t_o)
          40 = 65 − t_o
           t_o = 65 − 40
               = 25

Jadi, suhu batang besi tersebut sebelum dipanaskan adalah 25 °C (C).

Soal tentang Pemuaian UN 2015

Pada sebuah bejana kaca yang volumenya 500 mL penuh berisi alkohol pada suhu 10 °C. Bejana dipanaskan sehingga suhunya menjadi 50 °C. Jika koefisien muai volume alkohol 1,1 × 10⁻⁴ °C⁻¹ maka volume alkohol yang tumpah adalah …. (koefisien muai panjang kaca = 3 × 10⁻⁶ °C⁻¹)

A.   0,20 mL
B.   1,20 mL
C.   2,02 mL
D.   2,22 mL
E.   3,012 mL

Pembahasan

Data yang dapat diperoleh dari soal:

volume alkohol sama dengan volume kaca (berlaku sebagai volume awal) 

V_a = V_k = V_o = 500 mL

 Δt = (50 − 10) °C
      = 40 °C

koefisien muai volume alkohol

γ = 1,1 × 10⁻⁴ °C⁻¹

koefisien muai panjang kaca 

α =  3 × 10⁻⁶ °C⁻¹

koefisien muai ruang kaca = 3α

3α =  9 × 10⁻⁶ °C⁻¹
     = 0,09 × 10⁻⁴ °C⁻¹

Volume alkohol yang tumpah merupakan selisih pemuaian volume alkohol dan bejana kaca.

V = ΔV_a − ΔV_k
   = γ V_o Δt − 3α V_o Δt
   = (γ − 3α) V_o Δt
   = (1,1×10⁻⁴ − 0,09×10⁻⁴) × 500 × 40
   = 1,01×10⁻⁴ × 2×10⁴
   = 2,02

Jadi, volume alkohol yang tumpah akibat pemanasan tersebut adalah 2,02 mL (C).

Soal Perpindahan Kalor UN 2011

Batang logam yang sama ukurannya tetapi terbuat dari logam yang berbeda digabung seperti pada gambar berikut.

Jika konduktivitas termal logam I = 4 kali konduktivitas logam II maka suhu pada sambungan logam tersebut adalah ….

A.   45 °C
B.   40 °C
C.   35 °C
D.   30 °C
E.   25 °C

Pembahasan

Hantaran kalor pada sebatang logam dinyatakan sebagai:



Kalor yang dilepas oleh logam I akan diserap oleh benda II sehingga berlaku: 

        H_I = −H_II


Panjang dan luas kedua logam adalah sama dan konduktivitas termal logam I = 4 kali konduktivitas logam II (k_I = 4k_II) sehingga diperoleh:

          k_I Δt_I = −k_II Δt_II
4k_II (t − 50) = −k_II (t − 0)

Konduktivitas termal k_II ruas kiri dan kanan bisa dicoret, sehingga diperoleh:

      4t − 200 = −t
                5t = 200
                  t = 40

Jadi, suhu pada sambungan logam tersebut adalah 40 °C (B).

Soal tentang Asas Black UN 2014

Sebanyak 150 gram air panas bersuhu 100 °C ditambahkan ke dalam bejana yang berisi 300 gram air yang bersuhu 10 °C sampai campuran air itu mencapai kesetimbangan termal. Suhu campuran saat mencapai kesetimbangan termal adalah ….

A.   25 °C
B.   30 °C
C.   35 °C
D.   40 °C
E.   50 °C

Pembahasan

Air yang bersuhu 100 °C akan melepas kalor sedangkan air yang bersuhu 10 °C akan menyerap kalor. Berlakulah asas Black, kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diserap.

       Q₁ = −Q₂ 
m₁cΔt₁ = −m₂cΔt₂

Indeks (1) adalah air yang bersuhu 10 °C dan indeks (2) adalah air yang bersuhu 100 °C.

Kalor jenis air c ruas kiri dan kanan bisa dicoret, sehingga diperoleh: 

m₁Δt₁ = −m₂Δt₂

Misalkan suhu akhir kesetimbangan termal adalah t, maka:

300(t − 10) = −150(t − 100)
    2(t − 10) = −(t − 100)
      2t − 20 = −t + 100
              3t = 120
                t = 40

Jadi, suhu campuran saat mencapai kesetimbangan termal adalah 40 °C (D).

Soal tentang Asas Black UN 2013

Es bermassa M gram bersuhu 0 °C dimasukkan ke dalam air bermassa 340 gram suhu 20 °C yang ditempatkan pada bejana khusus. Anggap bejana tidak menyerap/melepas kalor. Jika L_es = 80 kal/g, c_air = 1 kal/g°C, semua es mencair dan kesetimbangan termal dicapai pada suhu 5 °C, maka massa es (M) adalah ….

A.   60 gram
B.   68 gram
C.   75 gram
D.   80 gram
E.   170 gram

Pembahasan

Peristiwa tersebut dapat digambarkan sebagai berikut.

Mula-mula es menyerap kalor Q₁ untuk mengubah wujud menjadi air. Setelah itu, es yang telah berubah menjadi air tersebut menyerap kalor Q₁ untuk menaikkan suhu hingga mencapai kesetimbangan termal. Di lain pihak, air yang bersuhu 20 °C melepas kalor Q₃ untuk keadaan setimbang.

Sesuai dengan asas Black, kalor yang diserap sama dengan kalor yang dilepas.

                      Q₁ + Q₂ = −Q₃
m_es L_es + m_es c_air Δt₁ = −m_air c_air Δt₂
M×80 + M×1×(5 − 0) = −340×1×(5 − 20)
                  80M + 5M = 5100
                            85M = 5100
                                M = 60

Jadi, massa es pada peristiwa tersebut adalah 60 gram (A).

Pembahasan soal tentang Kalor yang lain bisa dilihat di:
Pembahasan Fisika UN 2014 No. 16 dan 17
Pembahasan Fisika UN 2015 No. 14
Pembahasan Fisika UN 2015 No. 16
Pembahasan Fisika UN 2016 No. 18 - 20.
Pembahasan Fisika UN 2017 No. 21 - 24
Pembahasan Fisika UN 2018 No. 20
Pembahasan Fisika UN 2018 No. 21 - 23
Pembahasan Fisika UN 2019 No. 23 - 25

Simak juga, Pembahasan Fisika UN: Teori Kinetik Gas.

Dapatkan pembahasan soal dalam file pdf  di sini.

Demikian, berbagi pengetahuan bersama Kak Ajaz. Silakan bertanya di kolom komentar apabila ada pembahasan yang kurang jelas. Semoga berkah.