By : Yulis Koes Madrasah Aliyah Negeri 1 Nganjuk MATERI FISIKA FASE F KURIKULUM MERDEKA
Kalor : Energi panas. Kalor Jenis : Kalor yang diserap atau dilepas oleh suatu benda bermassa 1 kg untuk mengubah suhunya sebesar 1 oC. = ∆ = ∆ dengan = kalor jenis (J/kg∙oC) = kalor (J) = massa (kg) ∆ = perubahan suhu ( oC) A. KALOR
Air Sebanyak 2 kg bersuhu 40 0C akan dipanaskan hingga suhu 70 0C. Jika diketahui kalor jenis air 4.186 j/kg 0C, Berapakah kalor yang diserap oleh air tersebut? Penyelesaian Diketahui: m = 2 kg c = 4.200 j/kg 0C ∆T = (70 – 40) 0C = 30 0C Ditanyakan: Q = ? Jawab: Q = mc∆T Q = 2 x 4.200 j/kg 0C x 30 0C Q = 252.000 J Contoh Soal 1 Air Sebanyak 300 gram bersuhu 24 0C akan dipanaskan dengan energi sebanyak 1500 kalori 2 Penyelesaian Diketahui: m = 300 gram To = 240 C c air = 1 kal/g0 C Q = 1.500 kal Ditanyakan: T = …. ? Jawab : = ∆ 1 500 = 300 . 1 . ∆ ∆ = 5 0C ∆T = T – To 5 0C = T – 24 0C T = 29 0C Jadi suhu akhir setelah pemanasan air tersebut yaitu 29 0C
Kapasitas Kalor Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diserap atau dilepas oleh suatu benda untuk mengubah suhunya sebesar 1 oC. = ∆ Kalor Laten Kalor laten adalah kalor yang diserap atau dilepas untuk mengubah wujud suatu benda bermassa 1 kg. = = dengan = kalor laten (J/kg) = kalor (J) = massa (kg) dengan = kapasitas kalor (J/oC) = kalor (J) ∆ = perubahan suhu ( oC) = ∆
Perubahan Wujud Secara umum zat memiliki tiga wujud, yaitu padat, cair, dan gas. Berikut diagram perubahan wujud zat. Diagram Fase Diagram fase menunjukan wujud suatu zat pada berbagai tekanan dan suhu.
Contoh Soal 1 Air yang awalnya bersuhu 150C dipanaskan sampai suhunya menjadi 400C. jika kapasitas kalor air tersebut sebesar 12.558 J/0C, berapakah kalor yang diserap oleh air tersebut? Penyelesaian: Diketahui: ∆T = 400C – 150C = 250C C = 12.558 J/0C Ditanyakan: Q = ….. ? Jawab: Q = C x ∆T Q = 12.558 J/0C x 250C Q = 313.950 joule. Berapakah kapasitas kalor dari 8 kg suatu zat yang memiliki kalor jenis 4 kal/g0C? Penyelesaian: Diketahui: m = 8 kg = 8.000 g c = 4 kal/g0C Ditanyakan: C = ….. ? Jawab: C = m x c C = 8.000 g x 4 kal/g0C C = 32.000 kal/ 0C 2 = ∆ = ∆
Contoh Soal 3 Sebongkah 200 gram es yang suhunya 0 4 0C , jika kalor lebur es 80 kal/g berapa kalor yang dibutuhkan agar es tersebut menjadi air yang bersuhu 0 0C? Penyelesaian: Diketahui: m = 200 gram (es) t = 0 0C L = 80 kal/g Ditanyakan: Q = ? Jawab: Q = m.L Q = 200. 80 kal/g Q = 100 kalori Sebongkah 100 gram es yang suhunya - 5 0C. Berapa kalor yang dibutuhkan agar es tersebut menjadi air yang bersuhu 500C? (jika kalor jenis es 2100 J/kg 0C dan kalor lebur es 336.000 J/kg, dan kalor jenis air 4200 J/kg 0C) Penyelesaian: Diketahui: m = 100 gram (es) t awal = - 5 0C (es) t akhir = 50 0C (air) c es = 2 100 J/kg 0C c air = 4 200 J/kg 0C L = 336 000 J/kg Ditanyakan: Q total = ?
Jawab: QAB = m . c es . ∆ 1 = 0,1 . 2100. (0 – (-5)) = 1050 J QBC = m . L = 0,1 . 336 000 = 33 600 J QCD = m . c air . ∆ 2 = 0,1 . 4 200 . (50 – 0) = 2 100 J Qtotal = QAB + QBC + QCD = 1 050 + 33 600 + 2 100 = 36 750 J
Asas Black menyatakan bahwa ketika dua benda digabungkan, jumlah kalor yang dilepas oleh benda bersuhu tinggi dengan jumlah kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah selalu sama besar. = dengan = kalor yang diserap (J) = kalor yang dilepas (J) B. ASAS BLACK
Contoh Soal Botol termos berisi 230 gram kopi pada suhu 800 C. Kemudian ditambahkan susu sebanyak 20 gram bersuhu 5 0 C. Jika tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos dan kalor jenis kopi = susu = air = 1,00 kal/g 0C, maka berapakah suhu keseimbangan campuran? Penyelesaian: Diketahui: TK = 80 0C mK = 250 g TS = 50C mS = 20 g c = 1 kal/g0C Ditanyakan: suhu akhir (TA)= …? mS × cS × ∆TS = mK × cK × ∆TK mS × cS × (TA – TS ) = mK × cK × (TK – TA ) 20 × 1 × (TA – 5) = 230 × 1 × (80 – TA ) 20(TA – 5) = 230(80 – TA ) 2(TA – 5) = 23(80 – TA ) 2TA – 10 = 1840 – 23TA 2TA + 23TA = 1840 + 10 25TA = 1850 TA = 1850/25 TA = 74 Jadi, suhu keseimbangan atau suhu akhir campuran antara kopi dan susu tersebut adalah 74oC. Jawab: QTerima = QLepas QS = QK
PERPINDAHAN KALOR Konduksi Perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan zat perantaranya. Contoh saat kita memanaskan sendok di salah satu ujungnya, lama-kelamaan ujung yang lainnya akan terasa panas. = = ∆
Dua batang besi X dan Y disambungkan pada salah satu ujungnya. Pada ujung-ujung yang lain diberi panas sengan suhu berbeda, 600 C dan 300 C. Jika panjang logam sama dan konduktifitas besi X dua kali lipat besi Y. Tentukan suhu pada sambungan kedua logam! Contoh Soal Penyelesaian Diketahui: TX = 600 C TY = 300 C LX = LY AX = AY KX = kX Ditanya: T = … ? Jawab : HX = HY (kX . AX . ΔTX )/LX = (kY . AY . ΔTY )/LY kX . ΔTX = kY . ΔTY 2 kY . (60 – T) = kY . (T – 30) 2 . (60 – T) = (T – 30) 120 – 2T = T – 30 120 + 30 = T + 2T 150 = 3T 150/3 = T 50º = T Jadi, suhu pada sambungan kedua logam adalah 50º C.
Konveksi Perpindahan kalor yang disertai perpindahan partikel-partikel zat. Contoh saat kita memasak air. H = = ∆ dengan = kalor (J) = waktu (s) = koefisien konveksi termal (J/s∙m2 ∙ oC) = luas permukaan penghantar (m2 ) ∆ = perubahan suhu ( o )
Contoh Soal Pada suatu Fluida mempunyai Koefisien Konveksi Termal 0,01 kal/m2 0C kemudian memiliki luas penampang aliran 10 cm2 . Jika fluida tersebut mengalir pada sebuah dinding dengan suhu 100 0C dan menuju dinding lainya dengan suhu 50 0C, lalu kedua dinding dalam keadaan sejajar, maka berapa besar kalor yang dirambatkan? Penyelesaian Diketahui: h = 0,01 kal/m2 0C A = 10 cm2 T1 = 1000 C T2 = 500 C Ditanya: H = … ? Jawab :
Radiasi Perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Contoh panas matahari, panas api unggun. = dengan = kalor (J) = waktu (s) = emisivitas ( ≤ ≤ ) = tetapan Stefan-Boltzman (5,672 x 10-8 W/m2 ∙K4 ) = luas penampang benda (m2 ) = suhu (K)
Contoh Soal Sebuah bola tembaga memiliki luas 20 cm2 selanjutnya dipanaskan sampai berpijar pada suhu 127o Apabila emisivitas bahan adalah 0,4 dan tetapan Stefan adalah 5,67 x 10-8 W/m2K4 , maka hitunglah energi radiasi yang dipancarkan oleh bola tersebut setiap sekonnya! Penyelesaian Diketahui: A = 20 cm2 T = 1270 C e = 0,4 = 5,672 x 10-8 W/m2 ∙K4 Ditanya: P = … ? Jawab :
C. TERMODINAMIKA Hukum I Termodinamika Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa jumlah kalor yang diterima sistem sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem dan usaha luar yang dilakukan. = ∆ + dengan adalah kalor (J) + jika sistem menyerap kalor − jika sistem melepas kalor ∆ adalah perubahan energi dalam (J) +∆ jika sistem mengalami kenaikan suhu −∆ jika sistem mengalami penurunan suhu adalah usaha (J) + jika sistem melakukan usaha − jika sistem menerima usaha
1. Isobarik Isobarik adalah perubahan kondisi gas pada tekanan tetap. = ∆ ∆ = ∆ = ∆ dengan = kalor (J) ∆ = perubahan energi dalam (J) = usaha (J) = kapasitas kalor pada tekanan tetap (J/oC) = untuk gas monoatomik = untuk gas diatomik ∆ = perubahan suhu ( oC) = derajat kebebasan = untuk gas monoatomik = untuk gas diatomik = jumlah zat (mol) = konstanta umum gas ideal (8,314 Pa∙m3/mol∙K) = tekanan (Pa) ∆ = perubahan volume (m3 )
2. Isokhorik Isokhorik adalah perubahan kondisi gas pada volume tetap. = ∆ = dengan = kalor (J) ∆ = perubahan energi dalam (J) = usaha (J) = kapasitas kalor pada volume tetap (J/oC) = untuk gas monoatomik = untuk gas diatomik ∆ = perubahan suhu ( oC) = derajat kebebasan = untuk gas monoatomik = untuk gas diatomik = jumlah zat (mol) = konstanta umum gas ideal (8,314 Pa∙m3/mol∙K) ∆ = ∆
3. Isotermik = ∆ = = dengan = kalor (J) ∆ = perubahan energi dalam (J) = usaha (J) = jumlah zat (mol) = konstanta umum gas ideal (8,314 Pa∙m3/mol∙K) = suhu ( oC) = volume akhir (m3 ) = volume awal (m3 ) Isotermik adalah perubahan kondisi gas pada suhu tetap.
4. Adiabatik Adiabatik adalah perubahan kondisi gas di mana tidak terjadi pertukaran kalor. = ∆ = ∆ = − ∆ dengan = kalor (J) ∆ = perubahan energi dalam (J) = usaha (J) = derajat kebebasan = untuk gas monoatomik = untuk gas diatomik = jumlah zat (mol) = konstanta umum gas ideal (8,314 Pa∙m3/mol∙K) ∆ = perubahan suhu ( oC)
Contoh Soal Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut! Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar.... Pembahasan Diketahui : PA = 4 x 105 N/m2 PB = Pc = 2 x 105 N/m2 VA = VB = 1,5 m3 Vc = 3,5 m3 Ditanya : WAC = …. ? Jawab : menghitung usaha dalam grafik tersebut bisa dengan menghitung luas daerah di bawah grafik WAC = WAB + WBC WAC = 0 + (2 x 105 )(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ
Hukum II Termodinamika Hukum II Termodinamika menyatakan bahwa kalor tidak mungkin diubah menjadi energi mekanik seluruhnya. 1. Mesin Carnot Mesin Carnot adalah sebuah mesin yang melakukan siklus ideal untuk mengubah kalor menjadi usaha secara periodik. = × % = − = dengan = efisiensi mesin Carnot = usaha (J) = kalor yang masuk atau kalor pada reservoir panas (J) = kalor yang keluar atau kalor pada reservoir dingin (J) = suhu tinggi atau suhu pada reservoir panas (K) = suhu rendah atau suhu pada reservoir dingin (K)
2. Mesin Pendingin Contoh mesin pendingin adalah kulkas dan AC. Mesin pendingin memaksa memindahkan kalor dari suhu rendah ke suhu tinggi. = ∆ = = − dengan = efisiensi mesin Carnot = usaha (J) = kalor yang masuk atau kalor pada reservoir panas (J) = kalor yang keluar atau kalor pada reservoir dingin (J)
Contoh Soal Perhatikan gambar berikut ini! Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan : a) Efisiensi mesin Carnot b) Usaha mesin Carnot Pembahasan Diketahui : T1 = 2270 C = 500 K T2 = 270 C = 300 K Q1 = 1 200 J Ditanya : a. η = ….. ? b. W = …. ? Jawab : a) Efisiensi mesin Carnot η = ( 1 − T2 / T1 ) x 100% η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40% b) Usaha mesin Carnot η = W/Q1 4/10 = W/1200 W = 480 joule