FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 113 Evaluasi Bab 4 PILIHAN GANDA 1. Tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatu penampang tiap satu satuan luas penampang. Rumus dimensi tekanan adalah ... A. M.L.T-2 B. M.L.T-1 C. M.L-1 .T-1 D. M.L2 .T-2 E. M.L-1 .T-2 2. Sebuah tabung kaca bermassa 0,8 kg berada di atas meja, berapakah tekanan tabung terhadap meja jika diameter alas tabung 8 cm (g = 10 m/s2 ) A. 5000/ π Pa B. 6000/π Pa C. 7000/ π Pa D. 8000/π Pa E. 10000/π Pa 3. Seorang anak menghitung tekanan kakinya yang bersepatu pada lantai. Luas alas masing masing sepatu 16 cm2 . Jika massa anak tersebut 40 kg dan ia berdiri dengan satu kaki, tekanan yang dialami lantai sebesar…. N/m2 . (g =10 m/s2 ) A. 2,5 x 103 B. 2,5 x 104 C. 2,5 x 105 D. 2,5 x 106 E. 2,5 x 107 4. Pernyataan berikut ini tentang tekanan hidrostatis. (1) Besar tekanan hidrostatis dipengaruhi oleh massa jenis fluida. (2) Besar tekanan hidrostatis ditentukan oleh percepatan gravitasi yang bekerja pada fluida. (3) Makin jauh di bawah permukaan fluida, tekanan hidrostatis makin besar (4) Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan mendapat tekanan hidrostatis yang arahnya ke atas. Pernyataan yang benar adalah .... A. (1), (2), dan (3) saja B. (1) dan (3) saja C. (2) dan (4) saja D. (4) saja E. (1), (3), dan (4) 5. Seorang anak mengisi ember dengan air sampai penuh. Sepotong kayu yang massanya 200 gram dicelupkan sampai kedalaman 20 cm. jika massa jenis air pada ember sebesar 1000 kg/m3 , tekanan hidrostatis yang bekerja pada kayu sebesar…. ( g = 10 m/s2 ) A. 1000 Pa B. 2000 Pa C. 3000 Pa D. 4000 Pa E. 10.000 Pa 6. Jika tekanan atmosfer di permukaan air = 1 atm, maka tekanan mutlak yang dialami oleh seorang penyelam saat berada pada kedalaman 20 m di bawah permukaan air (anggap 1 atm = 105 Pa; air = 1 gr/cm3 ) adalah ... Pa A. 1,5 x 105 B. 2,0 x 105 C. 3,0 x 105 D. 4,0 x 105 E. 5,0 x 105
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 114 7. Seperangkat pakaian selam dirancang untuk bisa digunakan untuk menyelam pada kedalaman maksimum 220 meter dalam air tawar ( ). Jika pakaian tersebut digunakan untuk menyelam di laut ( ), maka kedalaman maksimum yang bisa dicapai adalah ... A. 100 m B. 150 m C. 200 m D. 220 m E. 240 m 8. Pipa U pada gambar di bawah ini mula-mula diisi air, kemudian salah satu kakinya diisi minyak setinggi 12 cm. Jika ternyata selisih tinggi air di kedua kaki pipa U adalah 9 cm, maka dapat disimpulkan bahwa massa jenis minyak relatif terhadap air ( ) adalah ... A. 0,75 B. 0,80 C. 0,90 D. 1,25 E. 1,33 9. Pipa U pada gambar di samping diisi dengan air dan minyak. Massa jenis air = 1000 kg/m3 dan massa jenis minyak 900 kg/m3 . Jika tinggi kolom minyak = 20 cm, maka selisih tinggi permukaan air dan minyak adalah ... cm. A. 2 B. 4 C. 8 D. 12 E. 16 10. Alat pengangkat mobil memiliki luas pengisap masing-masing 0,10 m2 dan 2 × 10–4 m 2 . Alat tersebut digunakan untuk mengangkat mobil yang memiliki berat 15 × 103 N. Gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil adalah …. A. 10 N B. 20 N C. 30 N D. 45 N E. 60 N
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 115 11. Sebuah mesin pemampat hidrolik memiliki penghisap input berdiameter 10 mm dan penghisap output berdiameter 50 mm, suatu gaya input 80 N memberikan suatu gaya output sebesar…. A. 3,2 N B. 16 N C. 200 N D. 400 N E. 2000 N 12. Perhatikan faktor-faktor berikut ini: (1) Massa jenis fluida (2) Percepatan gravitasi (3) Volume benda yang tercelum dalam fluida (4) Kedalaman tempat benda berada Dari persamaan prinsip Archimedes, yang berpengaruh langsung terhadap gaya Archimedes adalah ... A. (1), (2), dan (3) saja B. (1) dan (3) saja C. (2) dan (4) saja D. (4) saja E. (1), (2), (3) dan (4) 13. Sebuah batu volumenya 0,5 m3 tercelup seluruhnya ke dalam zat cair yang massa jenisnya 1,5 g/cm3 . Jika percepatan gravitasi 10 m/s2 , maka batu akan mendapat gaya keatas sebesar …. A. 1.500 N B. 3.000 N C. 4.500 N D. 7.500 N E. 9.000 N 14. Pernyataan berikut ini tentang melayang, mengapung, dan tenggelam: (1) Benda akan mengapung di permukaan air jika massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air. (2) Pada saat benda mengapung, berat benda sama dengan gaya Archimedes yang dialami benda. (3) Benda yang melayang di dalam air memiliki massa jenis sama dengan massa jenis air. (4) Benda yang tenggelam mengerjakan gaya berat lebih kecil dibanding gaya dorong ke atas fluida. Pernyataan yang benar adalah ... A. (1), (2), dan (3) saja B. (1) dan (3) saja C. (2) dan (4) saja D. (4) saja E. (1), (2), (3), dan (4) 15. Sebuah balok kayu mula-mula mengapung pada permukaan air. Kemudian di atas pemukaan air tersebut dituangkan bensin sedemikian rupa sehingga seluruh balok berada di bawah permukaan bensin dengan setengah bagian balok masuk ke dalam air. Jika massa jenis bensin 0,7 g/cm3 dan massa jenis air 1 g/cm3 , maka massa jenis kayu adalah ... g/cm3 . A. 0,50 B. 0,60 C. 0,75 D. 0,85 E. 0,90
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 116 16. Sebuah silet panjangnya 4,5 cm diletakan di permukaan air dan terapung. Apabila massa silet 0,9 gram dan g = 10 m/s2 , maka besar tegangan permukaan air adalah…. A. 0,1 N/m B. 0,2 N/m C. 0,3 N/m D. 0,4 N/m E. 0,5 N/m 17. Sebuah jarum yang panjangnya 4 cm akan diapungkan pada permukaan bensin , jika diketahui tegangan permukaan bensin sebesar 0,025 N/m dan g = 10 m/s2 , massa maksimal jarum sebesar…. A. 0,001 gram B. 0,02 gram C. 0,12 gram D. 0,10 gram E. 1,0 gram 18. Sebuah tabung berdiameter 0,4 cm dimasukkan secara vertikal ke dalam air. Sudut kontak antara dinding tabung dan permukaan air 60°. Jika tegangan permukaan air = 0,5 N/m dan g = 10 m/s2 , air pada tabung akan naik setinggi …. (massa jenis air = 103 kg/m3 ) A. 0,015 m B. 0,025 m C. 0,035 m D. 0,045 m E. 0,055 m 19. Sebuah pipa kapiler mempunyai jari-jari 1 mm, dimasukan ke dalam air, ternyata kenaikan air dalam pipa kapiler 6 cm. Berapa tegangan permukaan air pada pipa kapiler tersebut apabila sudut kontak 60o dan g = 10 m/s2 ? (massa jenis air = 103 kg/m3 ) A. 0,2 N/m B. 0,3 N/m C. 0,4 N/m D. 0,5 N/m E. 0,6 N/m 20. Sebuah kelereng dengan diameter 1 cm jatuh ke dalam bak berisi oli yang memiliki koefisien viskositas 110 × 10−3 Pa.s. Tentukan besar gesekan yang dialami kelereng jika bergerak dengan kelajuan 15 m/s! A. 15,543 N B. 155,43 N C. 14571 N D. 14571,5 N E. 200 N 21. Sebuah kelereng memiliki massa jenis 0,9 g/cm3 yang jari-jarinya 1,5 cm dijatuhkan bebas dalam sebuah tabung yang berisi oli yang mempunyai massa jenis 0,8 g/cm3 dan koefisien viskositas 0,03 Pa.s. Berapa kecepatan terminal kelereng tersebut? (g = 10 m/s2 ) A. 10 m/s B. 1,6 m/s C. 12,5 m/s D. 13,5 m/s E. 14 m/s 22. Debit fluida memiliki dimensi ... A. M.L2 .T-1 B. M.L3 .T-1 C. L 2 .T-1 D. L 3 .T-1 E. L 2 .T-2
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 117 23. Di dalam sebuah pipa yang luas penampang alirannya 30 cm2 mengalir air dengan kecepatan aliran 2 m/s. Debit aliran air dalam pipa tersebut sebesar ... liter/sekon. A. 1,5 B. 5,0 C. 6,0 D. 15,0 E. 18,0 24. Selang air yang luas penampangnya 5 cm2 digunakan untuk mengisi sebuah bak mandi yang semula kosong. Jika kecepatan aliran air 1 m/s dan bak mandi diisi selama 10 menit, maka volume air dalam bak mandi adalah ... liter. A. 0,3 B. 0,6 C. 3,0 D. 300 E. 600 25. Fluida mengalir melalui saluran yang memiliki luas penampang berbeda seperti pada gambar berikut : Jika kecepatan aliran di masing-masing titik A, B, dan C berturut-turut adalah ; maka pernyataan yang benar adalah ... A. B. C. D. E. 26. Kran air dengan diameter 1 cm dihubungkan ke sebuah pipa berdiameter 3 cm. Saat kran terbuka, air memancar dari ujung kran dengan kecepatan 1,8 m/s. Kecepatan aliran air di dalam pipanya adalah adalah ... m/s A. 0,2 B. 0,3 C. 0,6 D. 3,6 E. 5,4 27. Air terjun setinggi 20 m digunakan untuk pembangkit listrik tenaga air (PLTA). Setiap detik air mengalir 10 m3 . Jika efisiensi generator 55 % dan percepatan gravitasi g=10 m/s2 ,maka daya rata-rata yang dihasilkan adalah ... (massa jenis air = 103 kg/m3 ) A. 110 kW B. 1100 kW C. 2200 kW D. 2500 kW E. 5500 kW
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 118 28. Pernyataan-pernyataan berikut ini berkaitan dengan hukum Bernoulli: (1) Pada pipa saluran yang menyempit, tekanan fluida menjadi lebih kecil. (2) Tekanan fluida yang mengalir tidak dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida. (3) Tekanan udara luar bisa mempengaruhi kecepatan aliran fluida. (4) Makin cepat aliran fluida, makin besar tekanannya. Pernyataan yang benar adalah ... A. (1), (2), dan (3) saja B. (1) dan (3) saja C. (2) dan (4) saja D. (4) saja E. (1), (2), (3), dan (4) 29. Sebuah kran berdiameter 2 cm yang dipasang pada ketinggian 3 m di atas permukaan tanah mendapat pasokan air dengan pipa saluran berdiamter 4 cm. Ketika kran dibuka, air memancar dengan kecepatan 4 m/s. Jika massa jenis air 1000 kg/m3 , tekanan udara 1,01 x 105 Pa, maka tekanan fluida dalam pipa di permukaan tanah sebesar ... x 105 Pa. A. 1,08 B. 1,38 C. 4,86 D. 8,31 E. 11,51 30. Sebuah model pesawat terbang mempunyai luas sayap 1 m2 , dan menimbulkan gaya angkat sebesar F. apabila luas sayap dijadikan 4 m2 dengan kecepatan yang sama, besar gaya angkat pesawat adalah …. A. ¼ F B. 2 F C. 4 F D. 8 F E. 16 F
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 119 ESSAY Tekanan Hidrostatis: 1. Seekor ikan berada pada kedalaman 15 meter di bawah permukaan air. Jika massa jenis air 1000 kg/m3 , percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 dan tekanan udara luar 105 N/m, tentukan : a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan (1500 kPa) b) tekanan total yang dialami ikan (2500 kPa) Hukum utama Hirostatik 2. Pada sebuah pipa U, terdapat air (massa jenis = 1.000 kg/m3 ). Kemudian dimasukkan zat cair lain hingga mengisi 10 cm bagian kiri pipa. Jika diketahui beda ketinggian permukaan zat cair adalah 1 cm, hitunglah massa jenis zat cair tersebut. (900 kg/m3 ) 3. Sebuah bejana berbentuk pipa U berisi air dan zat cair lainnya dengan ketinggian yang berbeda, seperti terlihat pada gambar. Jika massa jenis air 1 gr/cm3 , berapakah massa jenis zat cair yang lain tersebut? 4. Pipa U diisi dengan air raksa dan cairan minyak seperti terlihat pada gambar! Jika ketinggian minyak h2 adalah 27,2 cm, massa jenis minyak 0,8 gr/cm3 dan massa jenis Hg adalah 13,6 gr/cm3 tentukan ketinggian air raksa (h1)! (1,6 cm) 5. Perbandingan diameter pipa kecil dan pipa besar dari sebuah alat berdasarkan hukum Pascal adalah 1 : 25. Jika alat hendak dipergunakan untuk mengangkat beban seberat 12000 Newton, tentukan besar gaya yang harus diberikan pada pipa kecil! (19,2 N)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 120 6. Sebuah pipa U diisi dengan 3 buah zat cair berbeda hingga seperti gambar berikut Jika ρ1, ρ2 dan ρ3 berturut-turut adalah massa jenis zat cair 1, 2 dan 3 dan h1, h2, h3 adalah tinggi masingmasing zat cair seperti nampak pada gambar di atas, tentukan persamaan untuk menentukan massa jenis zat cair 1. 7. Sebuah pipa U diisi dengan 4 buah zat cair berbeda hingga seperti gambar. Tentukan persamaan untuk menentukan besarnya massa jenis zat cair 1 8. Sebuah pipa U yang diisi minyak dan air dalam keadaan stabil tampak seperti gambar. Massa jenis air = 1000 kg.m-3 , dan massa jenis minyak 800 kg.m-3 , maka perbedaan ketinggian (Δh) adalah….. (2 cm) Pascal 9. Seorang anak hendak menaikkan batu bermassa 1 ton dengan alat seperti gambar berikut! Jika luas penampang pipa besar adalah 250 kali luas penampang pipa kecil dan tekanan cairan pengisi pipa diabaikan, tentukan gaya minimal yang harus diberikan anak agar batu bisa terangkat! (40 N)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 121 10. Sebuah dongkrak hidrolik digunakan untuk mengangkat beban. Jika jari-jari pada pipa kecil adalah 2 cm dan jari-jari pipa besar adalah 18 cm, tentukan besar gaya minimal yang diperlukan untuk mengangkat beban 81 kg ! (10 N) Archimedes: 11. Suatu logam berbentuk balok diukur beratnya dengan neraca pegas menunjukkan berat = 200 N. Kemudian ketika dimasukkan ke dalam bejana yang berisi minyak dan diukur kembali beratnya menunjukkan berat = 180 N. Jika Massa jenis minyak = 800 kg.m-3 dan percepatan gravitasinya = 10 m.s-2 . Hitunglah massa jenis logam tersebut.! (8000 kg/m3 ) 12. Sebuah benda tercelup sebagian dalam cairan yang memiliki massa jenis 0,75 gr/cm3 seperti ditunjukkan oleh gambar berikut! Jika volume benda yang tercelup adalah 0,8 dari volume totalnya, tentukan massa jenis benda tersebut! (0,6 gr/cm3 ) 13. Seorang anak memasukkan benda M bermassa 500 gram ke dalam sebuah gelas berpancuran berisi air, air yang tumpah ditampung dengan sebuah gelas ukur seperti terlihat pada gambar berikut: Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s2 tentukan berat semu benda di dalam air! (3 N) 14. Sebuah benda berbentuk balok berada pada bejana yang berisikan air dan minyak. 50% dari volum balok berada di dalam air, 30% berada dalam minyak seperti terlihat pada gambar berikut. Tentukan massa jenis balok tersebut! Diketahui massa jenis air adalah 1 g/cm3 dan massa jenis minyak 0,8 g/cm3 (0,74 gr/cm3 )
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 122 15. Sebuah pipa vertikal terpasang di dalamnya sebuah pegas dan sebuah penampang lingkaran dari karet berjari-jari 10 cm seperti terlihat pada gambar berikut. Suatu zat cair dengan massa jenis 800 kg/m3 kemudian dimasukkan ke dalam pipa hingga setinggi 35 cm. Pegas tertekan ke bawah hingga posisinya setinggi h. Jika konstanta pegas adalah 200 N/m dan percepatan gravitasi 10 m/s2 tentukan nilai h! (6 cm) 16. Sebuah balok yang memiliki massa 4 kg dan volume 5 × 10−4 m3 berada di dalam air digantung menggunakan sebuah pegas seperti gambar berikut. Jika massa jenis air 1000 kg/m3 dan konstanta pegasnya 140 N/m maka pertambahan panjang pegas ditinjau dari saat pegas tanpa beban adalah.... (25 cm) 17. Sebuah benda ditimbang di udara memiliki berat 100 N, berat benda saat di dalam air 80 N, masa jenis benda adalah ... kg/m3 (5000 kg/m3 ) 18. Sebuah logam C yang merupakan campuran dari logam A dan B, bermassa 200 gram jika ditimbang di udara, sedangkan jika ditimbang di dalam air, massanya menjadi 185 gram. Jika massa jenis logam A 20 gr/cm3 , massa jenis logam 10 gr/cm3 , dan massa jenis air 1 gr/cm3 , maka massa logam A adalah ... gram. (100 gram) 19. Sebuah balok mengapung dalam air, bagian yang tenggelam di permukaan air adalah 2/5, maka massa jenis balok adalah ... kg/m3 . (400) 20. Sebongkah es terapung di air dan ternyata volume es yang berada di udara 10 cm3 . Jika massa jenis air 1 gr/cm3 dan massa jenis es 0,9 gr/cm3 , volume balok seluruhnya adalah ... cm3 (100) 21. Berat sebuah benda ketika ditimbang di udara adalah 500 N. Jika beratnya di air hanya 400 N, maka berapakah massa jenis benda tersebut? (5000 kg/m3 ) 22. Sebuah gabus dimasukkan dalam air ternyata 75% volume gabus tercelup dalam air. Maka massa jenis gabus adalah ......(0,75 gr/cm3 ) 23. Sepotong kaca di udara memiliki berat 25 N dan massa jenis 2,5 × 103 kg/m3 . Apabila massa jenis air 1 × 103 kg/m3 dan percepatan gravitasinya 10 m/s2 maka berat kaca di dalam air adalah..... (15 N) 24. Sebuah balok kayu yang tingginya 20 cm dan massa jenisnya 0,85 × 103 kg/m3 mengapung pada air yang massa jenisnya 1.000 kg/m3 . Berapakah tinggi balok yang muncul di permukaan cairan? (3cm) 25. Sepotong kayu terapung dalam air, jika 2/3 bagian volume timbul diatas permukaan, berapa massa jenis kayu.....(333,3 kg/m3 )
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 123 26. Sebuah balok dari bahan yang tidak diketahui, memiliki berat diudara 5 N, jika dicelupkan ke dalam air beratnya menjadi 4,55 N. Tentukan massa jenis dari bahab tersebut.....(1,11 gr/cm3 ) 27. Berapa volume batu yang dimasukkan ke dalam air laut jika berat air laut yang dipindahkan batu adalah 2 N? Massa jenis air laut = 1025 kg/m3 . (199,1 cm3 ) 28. Sebuah wadah penuh terisi air. Sepotong besi 2 cm3 ditenggelamkan ke dalam wadah sehingga sebagian air tumpah. Berapa massa air yang tumpah? (2 gram) 29. Massa benda di udara 15 kg dan massa benda di dalam air 13,7 kg. Apakah benda terbuat dari emas murni ? (massa jenis emas murni = 19300 kg/m3 . (bukan) 30. Sebuah benda terapung pada zat cair yang massa jenisnya 800 kg/m3. Jika ¼ bagian benda tidak tercelup dalam zat cair tersebut maka massa jenis benda adalah… (600 kg/m3 ) 31. Berat sebuah benda di udara 5 N. Apabila benda ditimbang di dalam air (massa jenis air = 1000 kg/m3) beratnya menjadi 3,2 N. Jika percepatan gravitasi g = 10 m/s2 maka massa jenis benda adalah …(2780 kg/m3 ) Tegangan permukaan 32. Pada peristiwa tegangan permukaan diketahui gaya tegang 4 N. Jika panjang permukaannya 20 cm, maka tentukanlah besar tegangan permukaannya. (20 N/m) 33. Sebatang kawat dibengkokkan membentuk huruf U dan kawat kecil bermassa 0,2 gram dipasang dalam kawat tersebut seperti gambar di atas. Kawat dicelupkan ke dalam lapisan sabun sehingga terbentang suatu lapisan sabun. Akibat tegangan permukaan lapisan sabun, kawat mengalami gaya tarik ke atas. Agar tetap setimbang, maka pada kawat kecil tersebut digantung beban bermassa 0,1 gram. Jika panjang kawat kecil adalah 10 cm, maka tentukanlah besar tegangan permukaan lapisan sabun tersebut. (1,5 x 10-2 N/m)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 124 34. Perhatikan gambar berikut! Sebatang kawat dibengkokkan seperti huruf U. Kemudian kawat kecil PQ yang bermassa 0,2 gram dipasang dalam kawat tersebut(perhatikan gambar). Kemudian kawat tersebut dicelupkan ke dalam cairan sabun dan diangkat vertikal sehingga ada lapisan tipis sabun di antara kawat tersebut. Ketika ditarik ke atas kawa kecil mengalami gaya tarik ke atas oleh lapisan sabung. Agar terjadi keseimbangan, maka pada kawat kecil PQ digantungkan benda dengan massa 0,1 gram. Jika panjang kawat PQ = 10 cm dan nilai gravitasi 9,8 m/s2 , berapa tegangan sabun tersebut? (1,47 x 10-2 N.m) 35. Perhatikan gambar berikut! Gambar di atas melukiskan suatu kawat berbentuk U yang ditutup dengan kawat AB yang dapat bergerak bebas yang kemudian dimasukkan ke dalam larutan sabun. Setelah kawat diangkat dari larutan sabun ternyata kawat dapat setimbang setelah pada kawat digantungkan beban seberat 10-3 N, jika panjang kawat AB = 10 cm dan berat kawat AB = 5.10-4 N, berapakah besar tegangan permukaan selaput sabun tersebut? (7,5 x 10-3 N/m) Kapilaritas 36. Perhatikan gambar berikut, air berada dalam sebuah pipa kapiler dengan sudut kontak sebesar θ. Jika jari-jari pipa kapiler adalah 0,8 mm, tegangan permukaan air 0,072 N/m dan cos θ = 0,55 tentukan tentukan ketinggian air dalam pipa kapiler! (g = 10 m/s2 , ρair = 1000 kg/m3 ) (9,9 mm) 37. Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan ke dalam air secara vertikal sudut kontaknya 60o . Jika kenaikan air pada tabung adalah 2,5 cm, maka tentukanlah tegangan permukaan air. (0,4 N/m)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 125 38. Sebuah pipa kapiler yang berameter 0,6 mm dimasukkan secara tegak lurus ke dalam sebuah bejana yang berisi air raksa (ρ = 13.600 kg/m3 ). Sudut kontak raksa dengan dinding pipa adalah 140o . Bila tegangan permukaan raksa adalah 0,06 N/m, maka berapa penurunan raksa dalam pipa kapiler tersebut? ( g = 9,8 m/s2 ) . (h = -0,0023 mm) 39. Sebuah pipa kapiler dimasukkan ke dalam bak berisi minyak tanah. Tegangan permukaan minyak tanah = 10-4 N/m. Jari-jari pipa kapiler = 1 mm. Jika massa jenis minyak tanah = 0,8 gr/m3 dan g = 10 m/s2 , serta sudut kontaknya 20 derajat, maka hitunglah kenaikan permukaan minyak tanah dalam pipa kapiler! (2,38 mm) 40. Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan secara vertikal ke dalam air, sudut kontaknya 60°. Jika tegangan permukaan air 0,5 N/m dan g = 10 m/s2 , tentukanlah kenaikan air pada tabung! (25 mm) 41. Berapa tinggi air yang naik dalam pipa yang jari-jarinya 0,15 mm jika sudut kontaknya nol? γ untuk air adalah 0,073. (9,93 cm) 42. Tegangan permukaan air raksa adalah 0,465 N/m. Sudut kontak air raksa dengan pipa kapiler berjari-jari 2,5 mm pada mangkuk sebesar 150°. Berapa ketinggian air raksa relatif terhadap permukaan air raksa dalam mangkuk? (-4,03 cm) 43. Tentukanlah penurunan air raksa dalam sebuah pipa berjari-jari 2 mm jika sudut kontak raksa dengan kaca sebesar 150o , tegangan permukaan 0,545 N/m dan massa jenis raksa 13.600 kg/m3 . (-3,4 mm) Viskositas 44. Sebuah kelereng dengan jari-jari 0,5 cm jatuh ke dalam bak berisi oli yang memiliki koefisien viskositas 110 × 10-3 N.s/m2 . Tentukan besar gesekan yang dialami kelereng jika bergerak dengan kelajuan 5 m/s! (1,65 x 10-2 N) 45. Sebuah gotri yang berjari-jari 5,5 × 10−3 m terjatuh ke dalam oli yang memiliki massa jenis 800 kg/m3 dan koefisien viskositasnya 110 × 10−3 N.s/m2 . Jika massa jenis gotri 2700 kg/m3 , tentukan kecepatan terbesar yang dapat dicapai gotri dalam fluida! (1,16 m/s) 46. Sebuah kelereng memiliki massa jenis 0,9 g/cm3 yang jari-jarinya 1,5 cm dijatuhkan bebas dalam sebuah tabung yang berisi oli yang mempunyai massa jenis 0,8 g/cm3 dan koefisien viskositas 0,03 Pa s. Tentukan kecepatan terminal kelereng tersebut? (1,11 m/s) 47. Kecepatan maksimum dari tetes air hujan yang berjari-jari 0,3 mm yang jatuh di udara (ρudara = 1,29 kg .m-3 ) dengan koefisien viskositas = 1,8 x 10-5 kg/ms dan g = 9,8 m/s2 adalah? (10,87 m/s) Fluida Dinamis 48. Air mengalir melalui pipa mendatar dengan luas penampang pada masing-masing ujungnya 200mm2 dan 100mm2 . Bila air mengalir dari panampang besar dengan kecepatan adalah 2 m/s, maka kecepatan air pada penampang kecil adalah ….(4 m/s) 49. Pada gambar tersebut, G adalah generator 1.000 W yang digerakan dengan kincir air, generator hanya menerima energi sebesar 80% dari air. Bila generator dapat bekerja normal, maka debit air yang sampai kekincir air adalah …. (12,5 L/s)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 126 50. Sebuah selang karet menyemprotkan air vertikal ke atas sejauh 4,05 meter. Bila luas ujung selang adalah 0,8 cm2 , maka volume air yang keluar dari selang selama 1 menit adalah … liter (43,2 L) 51. Minyak mengalir melalui sebuah pipa bergaris tengah 8 cm dengan kecepatan rata-rata 3 m/s. Cepat aliran dalam pipa sebesar ….(15,1 L/s) 52. Debit air yang keluar dari pipa yang luas penampangnya 4cm2 sebesar 100 cm3 /s. Kecepatan air yang keluar dari pipa tersebut adalah …. (0,25 m/s) 53. Debit air yang keluar dari pipa yang luas penampangnya 4cm2 sebesar 100 cm3/s. Kecepatan air yang keluar dari pipa tersebut adalah ….(33,3) 54. Sebuah pipa salah satu bagiannya berdiameter 20 cm dan bagian lainnya berdiameter 10 cm. Jika laju aliran air di bagian pipa berdiameter besar adalah 30 cm/s, maka laju aliran air di bagian pipa berdiameter lebih kecil adalah …(120 cm/s) 55. Ahmad mengisi ember yang memiliki kapasitas 20 liter dengan air dari sebuah kran seperti gambar berikut! Jika luas penampang kran dengan diameter D2 adalah 2 cm2 dan kecepatan aliran air di kran adalah 10 m/s tentukan: a) Debit air (2 x 10-3 m 3 /s) b) Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember (10 s) 56. Pipa saluran air bawah tanah memiliki bentuk seperti gambar berikut! Jika luas penampang pipa besar adalah 5 m2 , luas penampang pipa kecil adalah 2 m2 dan kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 15 m/s, tentukan kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil! (37,5 m/s) 57. Tangki air dengan lubang kebocoran diperlihatkan gambar berikut! Jarak lubang ke tanah adalah 10 m dan jarak lubang ke permukaan air adalah 3,2 m. Tentukan: a) Kecepatan keluarnya air (8 m/s) b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai air (82 m) c) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanah (2 s)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 127 58. Perhatikan gambar berikut! Sebuah bak air setinggi 20 m, di sisi bak dibuat dua buah lubang yang masing-masing berjarak 2 m dari permukaan dan dasar bak. Berapakah jarak tempat air jatuh? (12 m) 59. Sebuah bak penampung air diperlihatkan pada gambar berikut. Pada sisi kanan bak dibuat saluran air pada ketinggian 10 m dari atas tanah dengan sudut kemiringan α°. Jika kecepatan gravitasi bumi 10 m/s2 tentukan: a) kecepatan keluarnya air (8 m/s) b) waktu yang diperlukan untuk sampai ke tanah (t = 2) c) nilai cos α (√ ) d) perkiraan jarak jatuh air pertama kali (d) saat saluran dibuka (12,48 m) (Gunakan sin α = 5/8 dan √39 = 6,24) 60. Untuk mengukur kecepatan aliran air pada sebuah pipa horizontal digunakan alat seperti diperlihatkan gambar berikut ini! Jika luas penampang pipa besar adalah 5 cm2 dan luas penampang pipa kecil adalah 3 cm2 serta perbedaan ketinggian air pada dua pipa vertikal adalah 20 cm tentukan : a) kecepatan air saat mengalir pada pipa besar (1,5 m/s) b) kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil (2,5 m/s) 61. Minyak mengalir dari pipa A ke pipa B lalu ke pipa C. Perbandingan luas penampang pipa A dan luas penampang pipa C adalah 5 : 3. Jika laju aliran minyak pada pipa A sama dengan 2v, maka laju aliran minyak pada pipa C adalah …( ) 62. Sebuah pipa silinder yang lurus mempunyai dua buah penampang, masing-masing luasnya adalah 200 m 2 dan 100 m2 . Pipa tersebut diletakkan secara mendatar dan air di dalamnya mengalir dari arah penampang besar ke penampang kecil. Jika kecepatan arus di penampang besar adalah 2 m/s, maka kecepatan arus di penampang kecil adalah ... m/s. (4) 63. Air mengalir pada suatu pipa yang diameternya berbeda dengan perbandingan 2 : 3. Jika kecepatan air yang mengalir pada pipa besar adalah 30 m/s, maka besar kecepatan air pada pipa kecil adalah ... m/s. (67,5 m/s)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 128 64. Luas penampang pipa besar adalah 6 cm2 . Ujungnya mempunyai kran seluas 2 cm2 . Kecepatan zat cair yang mengalir pada pipa adalah 0,2 m/s. Dalam waktu 10 menit, zat cair yang keluar dari kran berjumlah ... m3 . (0,072) 65. Pada gambar di bawah air mengalir melewati pipa berikut. Jika luas penampang A1 dan A2 masing-masing 5 cm2 dan 4 cm2 maka kecepatan air memasuki pipa adalah.... (4 m/s) 66. Pipa untuk menyalurkan air menempel pada sebuah dinding rumah seperti terlihat pada gambar berikut! Perbandingan luas penampang pipa besar dan pipa kecil adalah 4 : 1. Posisi pipa besar adalah 5 m diatas tanah dan pipa kecil 1 m diatas tanah. Kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 36 km/jam dengan tekanan 9,1 x 105 Pa. Tentukan : a) Kecepatan air pada pipa kecil (40 m/s) b) Selisih tekanan pada kedua pipa (7,1 x 105 Pa) c) Tekanan pada pipa kecil (2,0 x 105 Pa) (ρair = 1000 kg/m3 ) 67. Sebuah pipa dengan diameter 12 cm ujungnya menyempit dengan diameter 8 cm. Jika kecepatan aliran di bagian pipa berdiameter besar adalah 10 cm/s, maka kecepatan aliran di ujung yang kecil adalah.... (22,5 cm/s) 68. Perhatikan gambar! Jika diameter penampang besar dua kali diameter penampang kecil, kecepatan aliran fluida pada pipa kecil adalah.... (16 m/s) 69. Sebuah pesawat dilengkapi dengan dua buah sayap masing-masing seluas 40 m2 . Jika kelajuan aliran udara di atas sayap adalah 250 m/s dan kelajuan udara di bawah sayap adalah 200 m/s tentukan gaya angkat pada pesawat tersebut, anggap kerapatan udara adalah 1,2 kg/m3 ! (1080 kN)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 129 70. Gaya angkat yang terjadi pada sebuah pesawat diketahui sebesar 1100 kN. Pesawat tersebut memiliki luas penampang sayap sebesar 80 m2 . Jika kecepatan aliran udara di bawah sayap adalah 250 m/s dan massa jenis udara luar adalah 1,0 kg/m3 tentukan kecepatan aliran udara di bagian atas sayap pesawat! (300 m/s) 71. Sayap pesawat terbang dirancang agar memiliki gaya ke atas maksimal, seperti gambar. Jika v adalah kecepatan aliran udara dan P adalah tekanan udara, maka sesuai azas Bernoulli rancangan tersebut dibuat agar....( vA > vB sehingga PA < PB)
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 130 4.4. Fluida Statis: Tekanan Hidrostatis & Teorema Torricelli PRAKTIKUM 4.4. Fluida Statis: Tekanan Hidrostatis & Teorema Torricelli Nomor/Nama Kelompok : .................................................................................................................. Nama Anggota (No. Abs) : 1. ................................................................................. ( ..... ) 2. ................................................................................. ( ..... ) 3. ................................................................................. ( ..... ) 4. ................................................................................. ( ..... ) 5. ................................................................................. ( ..... ) 6. ................................................................................. ( ..... ) 7. ................................................................................. ( ..... ) Kelas : .................................................................................................................. Hari, Tanggal Kegiatan : .................................................................................................................. Kompetensi Dasar : 4.8. Melakukan percobaan sederhana yang berkaitan dengan hukum-hukum fluida statis dan dinamis Indikator Pencapaian Kompetensi : 4.8.1 Melakukan percobaan tekanan hidrostatis untuk menentukan hubungan kedalaman fluida dengan tekanan hidrostatis yang dialami 4.8.2 Melakukan percobaan teorema Torricelli untuk menentukan hubungan kedalaman fluida dengan jarak pancar pada kebocoroan yang dialami Materi Pokok : - Tekanan hidrostatis - Teorema Torricelli Tujuan : a. Melalui percobaan dan diskusi, peserta didik dapat melakukan percobaan sederhana terkait tekanan hidrostatis dan teorema Torricelli dengan teliti dan bertanggung jawab. b. Melalui percobaan dan diskusi, peserta didik dapat menyajikan data dan grafik hasil percobaan untuk menyelidiki hubungan tekanan hidrostatis dan kedalaman, serta hubungan kedalaman fluida dengan jarak pancar pada kebocoran secara komunikatif. A. Alat dan Bahan 1. Botol air mineral 1,5L 1 buah 4. Jarum pentul 3 buah 7. Kertas Grafik 2 lembar 2. Lakban hitam 1 gulung 5. Penggaris 1 buah 8. Air tawar secukupnya 3. Gunting 1buah 6. Spidol 1 buah B. Langkah Kerja 1. Identifikasi alat-alat yang digunakan dalam percobaan berikut ini. - Botol: digunakan untuk wadah air - Lakban: digunakan untuk penutup lubang - Gunting: digunakan sebagai alat pemotong - Jarum pentul: digunakan untuk pelubang botol - Penggaris: digunakan untuk pengukur jarak kedalaman - Spidol: digunakan sebagai penanda jarak - Kertas grafik: digunakan untuk menggambar grafik hasil percobaan - Air tawar: sebagai fluida 2. Buat lubang di dinding botol dengan satu tusukan jarum 5 cm dari dasar botol, tandai dgn spidol. 3. Buat 10 tanda skala berjarak 2 cm tegak lurus di atas lubang, tandai dengan spidol. 4. Catat kedalaman air yang dibuat yang diukur dari lubang di tabel pada kolom ‘h’, mulai dari jarak terdekat. 5. Tutup lubang menggunakan lakban. 6. Isi air hingga skala kedalaman paling jauh dari lubang.
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 131 7. Buka lakban penutup lubang. 8. Amati titik jatuh pancaran air, tandai dengan spidol. 9. Ukur jarak pancar dari dinding dasar botol. 10. Catat dalam tabel kolom ‘x’ pengukuran. 11. Ulangi langkah 6 – 10 pada setiap kedalaman. 12. Hitung tekanan hidrostatis pada setiap kedalaman, catat pada kolom ‘ph = gh’ 13. Hitung jarak pancar pada kolom ‘ √ ’ 14. Buat grafik kedalaman (h) sebagai fungsi tekanan hidrostatis(ph). 15. Buat grafik kedalaman (h) sebagai fungsi jarak pancar hasil perhitung (x) dari √ . C. Data Hasil Percobaan Tabel 1. Data Jarak, Waktu dan Kecepatan pada Percobaan GLB No. Kedalaman, h (cm) Tekanan hidrostatis, ph = gh (Pa) (=103 kg/m3 , g = 10m/s2 ) Teorema Torricelli y = 5 cm x (cm) hasil pengukuran √ (cm) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. D. Grafik Buatlah Grafik di Kertas Grafik dengan format berikut! 1. Grafik kedalaman (h) sebagai fungsi tekanan hidrostatis (ph). 2. Grafik kedalaman (h) sebagai fungsi jarak pancar (x) h(m) ph(Pa) O h(m) x (m) O
FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 132 E. Pertanyaan dan Diskusi 1. Apa pengaruh kedalaman terhadap tekanan hidrostatis? .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 2. Apa pengaruh kedalaman terhadap jarak pancar fluida? .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... F. Kesimpulan 1. Pengaruh kedalaman terhadap tekanan hidrostatis : .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 2. Pengaruh kedalaman terhadap jarak pancar: .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... NILAI CATATAN PARAF GURU (..........................................)
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 133 Bab 5. Suhu & Kalor
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 134 Kompetensi Pengetahuan 3.11. Menganalisis proses pemuaian, perubahan wujud zat dan perpindahan kalor dengan konsep suhu dan kalor. Kompetensi Keterampilan 4.11. Menggunakan alat sederhana dalam percobaan yang berhubungan dengan kalor. Langkah-langkah Pembelajaran untuk Peserta Didik Peserta didik menyimak informasi mengenai suhu dan kalor. Peserta didik mengajukan pertanyaan yang berkaitan dengan konsep-konsep suhu dan kalor beserta penerapannya dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari. Peserta didik menunjukkan konsep-konsep suhu dan kalor beserta penerapannya dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari Peserta didik menerapkan konsep suhu dan kalor dalam bab ini menggunakan hubungan matematis. Peserta didik mempelajari makna fisis dari setiap hukum dalam konsep suhu dan kalor. Peserta didik menyaji hasil pengamatan mengenai hukum yang berkaitan dengan suhu dan kalor dalam eksperimen sederhana. SUHU DAN KALOR skala suhu Asas Black konsep terkait Suhu dan Kalor definisi jenis termometer Berdasark an Fungsi pengaruh kalor Peta Konsep Kondensor dan Radiator Perubahan suhu Perubahan ukuran Perubahan Wujud Celcius Kelvin Fahrenheit Reamur Perpindahan Kalor Konduktor dan Isolator Termal Nilai Kalor Berdasark an Bahan
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 135 Bab 5 Suhu dan Kalor (www.21st-century-goods.com) 5.1. Pengertian Suhu dan Kalor Suhu (temperature) merupakan derajat panas suatu benda. semakin tinggi suhu benda, maka semakin panas benda tersebut. Demikian pula sebaliknya. Jika ditinjau secara mikroskopis, suhu menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Pada suatu benda, atom-atom di dalamnya masing-masing bergerak, baik berpindah (translasi), berputar (rotasi), maupun bergetar (vibrasi). Semakin tinggi energi yang dimiliki atomatom tersebut, semakin tinggi suhu benda. Secara kualitatif, suhu adalah sensasi dingin atau panasnya sebuah benda yang dirasakan ketika menyentuhnya. Secara kuantitatif, suhu dapat diukur menggunakan alat ukur suhu yang disebut termometer. Celsius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin adalah empat macam skala suhu yang digunakan dalam termometer yang paling dikenal. Pembuatan termometer dipelopori oleh Galileo Galilei (1564 – 1642). Kalor (heat) merupakan aliran energi yang terjadi akibat adanya perbedaan suhu. Dalam satuan internasional (SI), satuan untuk kalor adalah joule (J). Satuan yang juga lazim digunakan untuk kalor adalah kalori (kal). Berikut adalah konversi satuan kalor dan joule 4,186 J = 1 kal 4,186 x 103 J = 1 kkal Konversi satuan tersebut dikenal sebagai tara kalor mekanik, yang tidak lepas dari peran seorang tokoh Inggris yang menggagas adanya hubungan kalor dan energi, James Prescott Joule (1818 – 1889). 5.2. Skala Suhu Penentuan skala suhu dapat dilakukan dalam Celcius, Fahrenheit, Reamur dan Kelvin. a. Skala Celcius (°C ) Skala celcius dikembangkan oleh ahli astronomi Swedia Anders Celcius (1701-1744) yang pada tahun 1742 mengusulkan suatu skala sebagai patokan untuk mengukur suhu. Skala celcius memiliki seratus derajat panas yang terbagi rata antara suhu air membeku dan suhu air mendidih. Titik tetap bawah skala celcius diberi angka 0 dan titik tetap atas diberi angka 100, yang dibagi dalam 100 skala. b. Skala Reamur (°R ) Skala reamur dikembangkan oleh ilmuwan entomologi Perancis, René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). Titik tetap bawah skala reamur diberi angka 0 dan titik tetap atas diberi angka 80. Di antara titik tetap bawah dan titik tetap atas dibagi menjadi 80 skala. c. Skala Fahrenheit (°F ) Skala fahrenheit dikembangkan oleh fisikawan Jerman, Danieal Gabriel Fahrenheit (1686-1736) yang pada tahun 1714 menemukan termometer merkuri dan skala suhu Fahrenheit. Titik tetap bawah diberi angka 32 dan titik tetap atas diberi angka 212. Suhu es yang dicampur dengan garam ditetapkan sebagai 0ºF. Di antara titik tetap bawah dan titik tetap atas dibagi 180 skala.
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 136 d. Skala Kelvin ( K ) Skala Kelvin dikembangkan oleh fisikawan dan matematikawan Britania, William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) pada 1848. Pada termometer Kelvin, titik terbawah diberi angka nol. Titik ini disebut suhu mutlak, yaitu suhu terkecil yang dimiliki benda ketika energi total partikel benda tersebut nol. Kelvin menetapkan suhu es melebur dengan angka 273 dan suhu air mendidih dengan angka 373. Rentang titik tetap bawah dan titik tetap atas termometer Kelvin dibagi menjadi 100 skala. 5.3. Konversi Skala Suhu Masing-masing skala suhu dapat dikonversi satu sama lain. Dasar dari konversi skala suhu tersebut adalah pada perbandingan masing-masing skala suhu. Rincian masing-masing skala adalah sebagai berikut: Tabel 5.1. Skala suhu Jenis skala Rentang skala Jumlah skala Pembanding skala Notasi Skala Celcius (oC) 0 – 100 100 5 C Reamur (oR) 0 – 80 80 4 R Fahrenheit (o F) 32 – 212 180 9 (F – 32) Kelvin (K) 273 – 373 100 oC + 273 K Dari Tabel 5.1, maka dapat diungkapkan persamaan matematis sebagai berikut - Celcius dan Reamur C : R = 5 : 4 (5.1) - Celcius dan Fahrenheit C : (F – 32) = 5 : 9 ( ) ( ) (5.2) - Reamur dan Fahrenheit R : (F – 32) = 4 : 9 ( ) ( ) (5.3) - Celcius dan Kelvin (5.4) Contoh soal dan penyelesaian 5.1 1) Skala Fahrenheit menunjukkan angka 113o F. Hitung nilai tersebut dalam skala Reamur, Celcius dan Kelvin! Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: R, C, dan K! a) Skala Reamur ( ) ( ) ( )
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 137 b) Skala Celcius ( ) ( ) ( ) c) Skala Kelvin 2) Pada suhu berapa, skala Fahrenheit dan Celcius memiliki nilai yang sama? Penyelesaian: Menggunakan persamaan (5.2), dapat kita selesaikan menggunakan dua cara: - Cara I ( ) ( ) - Cara II ( ) ( ) Jadi, skala Fahrenheit dan Celcius memiliki nilai sama pada suhu . 5.4. Termometer Termometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur suhu, ataupun perubahan suhu. Istilah termometer berasal dari bahasa Latin thermo yang berarti panas dan meter yang berarti untuk mengukur. Sehingga secara harfiah, termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu. Jenis-jenis termometer Ada 3 jenis termometer, yaitu termometer laboratorium, termometer klinis dan termometer ruang. a. Termometer laboratorium Termometer laboratorium biasanya menggunakan zat cair raksa atau alkohol. Jika cairan tersebut bertambah panas, cairan tersebut akan memuai sepanjang pipa berskala °C (Celcius). Termometer ini biasanya ditemukan di laboratorium sekolah. Agar sensitif, ukuran pipa tersebut harus dibuat sekecil mungkin (pipa kapiler). Agar termometer cepat bereaksi terhadap perubahan suhu, dinding wadah cairan harus dibuat tipis sehingga panas masuk ke cairan secara menyentuh ujung termometer. b. Termometer klinis Termometer klinis biasanya diperlukan sebagai keperluan pengobatan. Perawat atau dokter dapat menunjukkan suhu badan pasien dalam waktu yang agak lama. Termometer klinis memiliki sebuah lekukan sempit di atas wadahnya. Ketika digunakan untuk mengukur suhu tubuh pasien, raksa dalam wadah akan memuai melewati lekukan sempit dan menunjukkan posisi suhu pasien yang diukur. Ketika termometer dikeluarkan dari mulut / ketiak pasien, raksa tidak dapat kembali lagi ke wadah karena celahnya terlalu sempit. Dengan demikian, kolom raksa tetap menunjukkan suhu pasien sampai dokter selesai membaca
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 138 suhunya. Raksa dapat dikembalikan ke tempat semula dengan cara menggoyang-goyangkan termometer selama beberapa kali. c. Termometer ruang Fungsi dari termometer ruang adalah untuk mengukur suhu ruangan. Oleh karena itu, termometer ini sering kita lihat dipasang pada dinding ruangan. Karena suhu ruangan hampir tidak mungkin melebihi 50°C dan tidak mungkin kurang dari -50°C, skala termometer ruang terbatas hanya dari skala -50°C sampai dengan suhu 50°C. 5.5. Pengaruh Kalor Terhadap Zat - Perubahan Suhu Zat Pengaruh kalor terhadap zat, yang lazim kita temui salah satunya adalah adanya perubahan suhu pada zat tersebut. Ketika suatu zat dikenai kalor, maka zat tersebut akan mengalami kenaikan suhu. Kenaikan suhu tersebut dikarenakan zat memiliki kemampuan menyerap kalor. Kemampuan zat untuk menyerap kalor disebut sebagai kalor jenis. Dengan kata lain, kalor jenis dapat didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 K atau 1oC. Hubungan antara kalor dengan perubahan suhu zat yang dikenainya diungkapkan sebagai (5.5) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) Besaran lain yang terkait dengan kalor dan perubahan suhu zat adalah kapasitas kalor. Kapasitas kalor merupakan banyak energi yang harus diberikan dalam bentuk kalor untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1 K atau 1oC. Dengan kata lain, kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1 K atau 1oC. hubungan antara kalor dan kapasitas kalor dinyatakan sebagai (5.6) dan jika kita mengacu persamaan (5.5), maka akan diperoleh hubungan antara kalor jenis dan kapasitas kalor (5.7) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Satuan kalor Kalor memiliki satuan joule (J) pada sistem satuan internasional. Meski demikian, terdapat sejumlah satuan yang juga lazim digunakan. Berikut adalah sejumlah satuan kalor dengan konversi terkait. 1 joule = 0,24 kalori atau 1 kalori = 4,2 joule 1 kalori: energi/kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1oC. 1 kalori = 4,186 joule 4,2 joule 1 kilokalori (kkal) = 4186 joule 1 BTU (British Thermal Unit) = 1055 joule Catatan: penulisan satuan kalori: - Bahasa Indonesia: kalori (kal); Bahasa Inggris: calorie (cal).
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 139 Contoh soal dan penyelesaian 5.2 1) Panci berbahan aluminium bermassa 0,5 kg dipanaskan menggunakan kompor dari 80oC hingga 90oC. Jika kalor jenis aluminium 900 J/Kg.K, berapa kalor yang bekerja pada panci tersebut? Penyelesaian: Diketahui: ( ) ( ) Ditanya: Jadi, kalor yang bekerja pada panci adalah 4500 J 2) Sebatang logam bermassa 5 kg dipanaskan menggunakan pemanas hingga mengalami kenaikan suhu 10 K. Jika proses tersebut membutuhkan energi panas sebesar 500 J, berapa kalor jenis dan kapasitas kalor logam tersebut? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Jadi, kalor jenis logam tersebut adalah 10 J/kg.K dan kapasitas kalor logam adalah 50 J/K. - Perubahan Ukuran: Pemuaian Pemuaian merupakan perubahan ukuran suatu zat ke segala arah. Ketika pemuaian yang kita tinjau adalah pada arah panjang benda, maka pemuaian tersebut disebut sebagai pemuaian panjang. Ketika pemuaian yang kita tinjau adalah pada arah panjang dan lebarnya, maka pemuaian tersebut disebut sebagai pemuaian luas. Sedangkan ketika pemuaian yang kita tinjau adalah ke segala arah sehingga mengubah volume benda, maka pemuaian tersebut disebut sebagai pemuaian volume. (1) Pemuaian panjang Benda yang mengalami pemuaian panjang, akan mengalami perubahan panjang setelah menyerap kalor yang dikenakan padanya. Kemampuan suatu benda untuk memuai panjang, disebut sebagai koefisien muai panjang. Semakin besar koefisien muai panjang suatu bahan, maka benda tersebut akan semakin mudah mengalami pemuaian panjang dengan pemberian kalor yang relatif kecil. Jika ditinjau dari persamaan matematisnya, koefisien muai panjang adalah perbandingan antara pertambahan panjang terhadap panjang awal benda per satuan kenaikan suhu. Hubungan antara besaranbesaran tersebut diungkapkan sebagai (5.8) (5.9)
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 140 (5.10) (5.11) (5.12) ( ) (5.13) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Contoh soal dan penyelesaian 5.3 1) Sebatang baja yang panjangnya 1 m dipanaskan dari 0ºC menjadi 100oC. Bila koefisien muai panjang batang 12 x 10–6 ºC-1 , tentukan : a. pertambahan panjang batang itu b. panjang batang setelah dipanaskan c. panjang batang bila dipanaskan menjadi 50ºC Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: ) ) ) a) b) ( ) c) ( ) ( ( )) ( ( )) ( ) 2) Sebatang logam memiliki panjang mula-mula 100 cm dan bertambah panjang 1 mm ketika suhunya dinaikkan dari 0oC menjadi 100oC. Berapa pertambahan panjang batang logam tersebut jika panjang mula-mula 50 cm dan dipanaskan dari 10oC sampai 150oC? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Langkah pertama, kita harus mengetahui koefisien logam tersebut menggunakan persamaan (5.9)
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 141 Kemudian, untuk menghitung gunakan pula persamaan (2.9) (2) Pemuaian luas Benda yang mengalami pemuaian luas, akan mengalami perubahan luas setelah menyerap kalor yang dikenakan padanya. Kemampuan suatu benda untuk memuai luas, disebut sebagai koefisien muai luas. Semakin besar koefisien muai luas suatu bahan, maka benda tersebut akan semakin mudah mengalami pemuaian luas dengan pemberian kalor yang relatif kecil. Jika ditinjau dari persamaan matematisnya, koefisien muai luas adalah perbandingan antara pertambahan luas terhadap panjang awal benda per satuan kenaikan suhu. Hubungan antara besaran-besaran tersebut diungkapkan sebagai (5.14) (5.15) (5.16) (5.17) (5.18) ( ) (5.19) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Hubungan antara koefisien muai panjang dan koefisien muai luas diungkapkan sebagai (5.20) Dengan: ( ) ( ) Contoh soal dan penyelesaian 5.4 1) Sebuah plat berukuran 50 cm x 40 cm dipanaskan dari 20ºC menjadi 70ºC. Bila koefisien muai panjang plat itu 6 x 10–5 ºC-1 , tentukan : a. pertambahan luas plat itu b. luas plat setelah dipanaskan c. luas plat bila dipanaskan sampai 100ºC.
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 142 Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: ) ) ) a) b) ( ) c) ( ) ( ( )) ( ( )) ( ) ( ) 2) Suatu benda berbentuk lingkaran pada suhu 20oC mempunyai jari-jari 20 cm. Jika pada suhu 100oC jarijarinya bertambah menjadi 20,5 cm maka koefisien muai panjang benda tersebut adalah…. Penyelesaian: Diketahui: ( ) ( ) ( ) Ditanya: Dari persamaan (2.15), (3) Pemuaian volume Benda yang mengalami pemuaian volume, akan mengalami perubahan volume setelah menyerap kalor yang dikenakan padanya. Kemampuan suatu benda untuk memuai volume, disebut sebagai koefisien muai volume. Semakin besar koefisien muai volume suatu bahan, maka benda tersebut akan semakin mudah mengalami pemuaian volume dengan pemberian kalor yang relatif kecil. Jika ditinjau dari persamaan matematisnya, koefisien muai volume adalah perbandingan antara pertambahan volume terhadap volume awal benda per satuan kenaikan suhu. Hubungan antara besaranbesaran tersebut diungkapkan sebagai (5.21) (5.22) (5.23) (5.24)
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 143 (5.25) ( ) (5.26) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Hubungan antara koefisien muai volume dan kuefisien muai volume diungkapkan sebagai (5.27) Dengan: ( ) ( ) Contoh soal dan penyelesaian 5.5 1) Sebuah kubus yang terbuat dari tembaga dengan sisi 20 cm dipanaskan dari 30ºC menjadi 80ºC. Bila koefisien muai panjang tembaga 16 x 10–6 ºC-1 , tentukan : a. pertambahan volume kubus itu b. volume kubus setelah dipanaskan c. volume kubus bila dipanaskan sampai 90ºC. Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: ) ) ) a) b) ( ) ( ) c) ( ) ( )( ( )) ( )( ( )) ( )( ) 2) Sebuah tangki baja yang memiliki koefisien muai panjang 12 x 10-6 /°C, dan bervolume 0,05 m3 diisi penuh dengan bensin yang memiliki koefisien muai ruang 950 x 10-6 /°C pada temperatur 20°C. Jika kemudian tangki ini dipanaskan sampai 50°C, tentukan besar volume bensin yang tumpah! (Sumber : Soal SPMB) Penyelesaian: Diketahui:
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 144 Ditanya: Dari persamaan (2.22), ( ) - Perubahan Wujud Zat: Melebur, Menguap, Membeku, Mengembun, Menyublim, Deposisi Pada bahasan kali ini, akan diuraikan sejumlah perubahan wujud zat sebagai kibat dikenakannya kalor padanya. Perubahan wujud zat akibat kalor diilustrasikan melalui diagram berikut. Gambar 5.1 Diagram perubahan wujud zat Sebagaimana pada Gambar 5.1., berikut adalah perubahan wujud zat yang terjadi ketika dikenai kalor: - Melebur: perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. - Membeku: perubahan wujud zat dari cair menjadi padat. - Menguap: perubahan wujud dari cair menjadi gas. - Mengembun: perubahan wujud zat dari gas menjadi cair. - Menyublim: perubahan wujud zat dari padat menjadi gas. - Deposisi: perubahan langsung dari gas ke padat. Dalam meninjau pengaruh kalor terhadap perubahan wujud zat, terdapat satu besaran yang disebut sebagai kalor laten. Kalor laten adalah kalor yang diberikan atau dilepaskan oleh suatu zat, yang hanya berdampak pada perubahan wujud zat, tanpa mengubah suhu zat tersebut. (1) Melebur dan membeku Suatu zat akan melebur atau membeku pada satu titik yang disebut sebagai titik lebur atau titik beku. Titik lebur atau titik beku adalah suhu pada saat zat melebur atau membeku. Kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat padat menjadi cair disebut sebagai kalor laten lebur atau kalor lebur. Sedangkan, kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat cair menjadi padat disebut sebagai kalor laten beku atau kalor beku. Kalor lebur dari suatu zat memiliki nilai yang sama dengan kalor bekunya. Selanjutnya, kedua jenis kalor laten ini disebut sebagai kalor lebur ( ). Sesuai definisi di atas, secara matematis kalor lebur diungkapkan sebagai (5.28) Dengan: ( ) ( ) ( ) GAS PADAT CAIR menyublim menguap melebur membeku deposisi mengembun
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 145 Contoh soal dan penyelesaian 5.6 1) Berapa kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 5 kg es menjadi air pada suhu 0 oC? (kalor lebur es 80 kal/gram) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: 2) Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 200 gram es 0ºC menjadi air 0ºC? (kalor lebur es 336 x 103 J/kg, kalor jenis air 1 kal/gºC) Penyelesaian Diketahui: Ditanya: ( ) ( ) ( ) ( ) (2) Menguap, mendidih, dan mengembun Pada waktu menguap, zat memerlukan kalor. Peristiwa mendidih menunjukkan bahwa pada sat menguap, suatu zat memerlukan kalor. Jika penguapan hanya terjadi pada permukaan zat cair saja dan dapat terjadi pada setiap suhu, maka mendidih adalah penguapan yang terjadi di seluruh bagian zat cair dan hanya terjadi pada titik didihnya. Pada saat mendidih, suhu zat tidak berubah, meskipun terus diberi pemanasan. Semua kalor yang diberikan pada saat zat mendidih, akan digunakan untuk mengubah wujud zat dari cair menjadi uap. Suhu tetap saat terjadi peristiwa mendidih, disebut sebagai titik didih. Besarnya titik didih sangat bergantung pada tekanan di permukaan zat tersebut. Titik didih zat yang berada pada tekanan 1 atm disebut titik didih normal. Kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 kg zat cair menjadi uap pada titik didih normalnya disebut kalor laten uap, kalor uap, atau kalor didih. Sedangkan, kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud 1 kg uap menjadi cair pada titik didih normalnya disebut kalor laten embun, atau kalor embun. Untuk zat yang sama, kalor didih = kalor embun. Istilah paling umum untuk mewakili kedua besaran tersebut adalah kalor didih ( ). Hubungan antara jumlah kalor yang diperlukan untuk mendidihkan zat dengan massa tertentu diungkapkan sebagai (5.29) Dengan: ( ) ( ) ( )
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 146 Contoh soal dan penyelesaian 5.7 1) Berapa kalor yang diserap untuk menguapkan 1 kg air? (kalor uap air = 2256 x 103 J/kg) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: 2) Jumlah kalor yang dilepaskan untuk mencairkan 1 gram gas nitrogen adalah….. (kalor uap nitrogen = 200 x 103 J/kg) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Jika keseluruhan proses perubahan wujud zat digabungkan dalam satu alur pemberian kalor, dapat diilustrasikan dalam diagram berikut Gambar 5.2 Grafik perubahan wujud es menjadi uap air Dari grafik pada Gambar 5.2, kalor total yang diperlukan dapat diperoleh menggunakan persamaan (5.30) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (5.31) Q
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 147 Catatan: Satuan kalor jenis dan suhu pada persamaan (5.25) menggunakan satuan suhu dalam oC. Jika satuan suhu yang digunakan diubah menggunakan Kelvin, persamaan (5.25) dituliskan menjadi ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (5.32) Contoh soal dan penyelesaian 5.8 1) Sejumlah 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan! Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Q = ? ( ) ( ) ( ) ( ) 2) Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 200 gram –10ºC es menjadi air 50ºC bila? (kalor jenis es 0,5 kal/gºC, kalor jenis air 1 kal/gºC dan kalor lebur es 80 kal/gr). Penyelesaian: Diketahui: ( ) Ditanya: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 148 5.6. Asas Black Joseph Black (1728 – 1799) merumuskan tentang perilaku alam terkait pencampuran dua zat yang memiliki suhu berbeda, yang kemudian dikenal sebagai asas Black. Asas Black menyatakan: "Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah" Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang menjabarkan: • Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama • Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas. • Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan. Secara matematis, Asas Black diungkapkan sebagai (5.33) (5.34) (5.35) ( ) ( ) (5.36) Dengan: m1 = Massa benda dengan suhu lebih tinggi (kg) c1 = Kalor jenis benda dengan suhu lebih tinggi (J/kgoC atau J/kgK) T1 = Temperatur benda dengan suhu lebih tinggi ( oC atau K) T1 = perubahan suhu benda dengan suhu lebih tinggi ( oC atau K) T’ = suhu akhir pencampuran kedua benda ( oC atau K) m2 = Massa benda dengan suhu lebih rendah (kg) c2 = Kalor jenis benda dengan suhu lebih rendah (J/kgoC atau J/kgK) T2 = suhu benda dengan suhu lebih rendah ( oC atau K) T2 = perubahan suhu benda deengan suhu lebih rendah ( oC atau K) Contoh soal dan penyelesaian 5.9 1) 200 gram air bersuhu 80oC dicampurkan dengan 300 gram air bersuhu 20oC. Tentukan suhu campurannya! (kalor jenis air 1 kal/goC) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya:
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 149 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Jadi, suhu campuran zat adalah 44oC. 2) Sepotong besi panas bermassa 1 kg dan bersuhu 100 oC dimasukkan ke dalam sebuah wadah berisi air bermassa 2 kg dan bersuhu 20 oC. Berapa suhu akhir campuran? (kalor jenis besi = 450 J/kg oC, kalor jenis air = 4200 J/kg oC.) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Jika sudah memahami proses penurunan rumus Asas Black, dapat langsung kita gunakan persamaan (2.36) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Jadi, suhu campuran besi panas dan air dingin ketika keduanya berada dalam kesetimbangan termal adalah 24,06oC.
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 150 5.7. Perpindahan kalor - Konduksi Konduksi (hantaran) adalah proses perpindahan kalor tanpa perpindahan partikel mediumnya. Secara matematis, kalor yang berpindah melalui proses konduksi dapat dinyatakan sebagai (5.37) (5.38) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( J/m.s.oC) ( ) ( ) ( ) Jika kita tinjau persamaan (5.38), terdapat satu komponen yang disebut sebagai koefisien konduksi termal. Koefisien konduksi termal merupakan kemampuan benda dalam menghantarkan kalor. Semakin besar nilai koefisien tersebut, semakin besar kemampuan benda dalam menghantarkan kalor. Artinya, semakin mudah benda tersebut menghantarkan kalor, dengan kata lain dapat menghantarkan kalor dengan baik. Benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik, disebut sebagai konduktor termal. Sedangkan benda yang tidak dapat menghantarkan kalor dengan baik, disebut sebagai isolator termal. Contoh soal dan penyelesaian 5.10 1) Baja berbentuk silinder pejal mempunyai panjang 1 m dan luas penampang 0,2 m 2 . Konduktivitas termal baja adalah 40 J/m.s.oC. Jika selisih suhu antara kedua ujung baja adalah 10oC, tentukan laju perpindahan kalor secara konduksi pada batang baja tersebut! Penyelesaian: Diketahui: J/m.s.oC Ditanya: Jadi, laju perpindahan kalor adalah 80 J/s.
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 151 2) Perhatikan gambar berikut! Dua buah logam terbuat dari bahan yang sama disambungkan. (http://fisikastudycenter.com) Jika panjang logam P adalah dua kali panjang logam Q tentukan suhu pada sambungan antara kedua logam! Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Karena bahan dan luas penampang sama, maka banyaknya kalor per satuan waktu yang melalui P sama dengan banyaknya kalor per satuan waktu yang melalui Q. Sehingga Karena jenis dan luas penampang bahan sama, maka ( ) ( ) ( ) ( ) - Konveksi Konveksi (aliran) adalah proses perpindahan kalor dengan perpindahan partikel mediumnya. Secara matematis, kalor yang berpindah melalui proses konveksi dapat dinyatakan sebagai (5.39) (5.40) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 152 Contoh peristiwa konveksi misalkan pada proses kehilangan panas dari radiator mobil, pendinginan dari secangkir kopi, perebusan air. Contoh lain adalah pada konsensor. Kondensor adalah peralatan yang berfungsi untuk mengubah uap menjadi air. Contoh soal dan penyelesaian 5.11 1) Suhu kulit seseorang tanpa pakaian adalah 32ºC. Jika luas permukaan tubuhnya 1,6 m2 dan orang itu berada dalam ruangan yang suhunya 22ºC, hitung kalor yang dilepaskan orang itu melalui konveksi selama 5 menit bila koefisien konveksi 7 W/m2K! Penyelesaian: Diketahui: (ingat: ini adalah perubahan suhu, sehingga baik dalam Celcius maupun Kelvin, akan memiliki nilai yang sama) Ditanya: Q dalam 300 s = ? Terlebih dahulu, kita menghitung laju perpindahan kalor secara konveksi daam ruangan tersebut. Maka, dalam waktu 300 s, kalor yang mengalir adalah Jadi, jumlah kalor yang dilepaskan adalah 33.600 J. 2) Sejenis gas beracun berada di dalam wadah tertutup berbentuk tabung dengan luas penampang melintang 80 cm2 . Jika terjadi perubahan suhu sebesar 80oC dan koefisien konveksi gas tersebut adalah 80 W/mK maka berapa laju perpindahan kalor dalam gas beracun tersebut? Penyelesaian: Diketahui: (ingat: ini adalah perubahan suhu, sehingga baik dalam Celcius maupun Kelvin, akan memiliki nilai yang sama) Ditanya: Jadi, laju perpindahan kalor dalam gas tersebut adalah 512 kJ/s. - Radiasi Radiasi (pancaran) adalah proses perpindahan kalor dengan cara memancar, tanpa memerlukan medium. Secara matematis, kalor yang berpindah melalui proses radiasi dapat dinyatakan sebagai (5.41) (5.42) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 153 Contoh radiasi adalah perambatan energi panas matahari. Energi panas matahari dapat sampai ke bumi, meskipun dalam perjalanannya melewati ruang vakum. Contoh soal dan penyelesaian 5.12 1) Sebuah bola tembaga mempunyai luas penampang 20 mm2 memiliki suhu 427ºC. Jika emisivitas bola 0,25 dan konstanta Stefan Boltzman 5,7 x 10–8 W/m2K 4 , berapakah laju kalor yang dipancarkannya? Penyelesaian: Diketahui: ( ) Ditanya: ( ) 2) Plat baja dipanaskan hingga suhunya mencapai 227°C hingga kalor radiasi yang dipancarkan sebesar E J/s. Apabila plat terus dipanasi hingga suhunya mencapai 727° tentukan kalor radiasi yang dipancarkan! Penyelesaian: Ditanya: Dari persamaan (2.42) Dengan nilai sama, maka ( )
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 154 Evaluasi Bab 5 PILIHAN GANDA 1. Dalam sebuah kemasan teh kotak siap minum, tertuliskan bahwa energi total per sajian adalah sejumlah 80 kkal. Hal ini berarti, jika seluruh minuman tersebut terkonversi ke dalam energi akan setara dengan ... A. 336 kJ B. 412 kJ C. 33600 J D. 41200 J E. 432 J 2. Sebuah mesin penetas telur dirancang sedemikian rupa sehingga suhunya stabil pada 50oC, jika suhu tersebut dikonversi dalam satuan Fahrenheit, maka akan setara dengan nilai ... A. 122 B. 321 C. 221 D. 212 E. 452 3. Sebuah keluarga menempati wilayah baru yang menggunakan Fahrenheit sebagai satuan suhunya. Jika skala suhu menunjukkan angka 86o F, berapa angka tersebut jika dinyatakan dalam Celcius? A. 27 B. 30 C. 33 D. 37 E. 10 4. Suhu badan manusia normal 37oC, jika dinyatakan dalam skala suhu fahrenheit maka suhu badannya adalah ….. A. 90,4oC B. 98,6oC C. 99,3oC D. 101,5oC E. 180,1oC 5. Skala 212 pada Fahrenheit, ketika dikonversikan ke dalam skala Kelvin, akan setara dengan ... A. 373 B. 100 C. 512 D. 150 E. 80 6. Berikut ini sifat fisis yang berubah dari suatu zat sewaktu suhunya berubah : (1) Perubahan volume cairan (2) Perubahan panjang sebuah logam (3) Perubahan tekanan gas pada volume konstan (4) Perubahan warna zat cair Pernyataan di atas yang benar adalah …. A. (1) dan (2) B. (1) dan (3) C. (1) , (2), dan (3) D. (2) dan (4) E. (1), (2), (3), dan (4)
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 155 7. Air dengan massa 3 kg bersuhu 10oC dipanaskan hingga mencapai suhu 35oC. Jika kalor jenis air 4.200 J/kgoC, maka kalor yang diserap air tersebut adalah ... A. 320 kJ B. 315 kJ C. 305 kJ D. 300 kJ E. 295 kJ 8. Panas sebesar 12 kj diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 gram yang memiliki suhu 30oC. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 kalori/groC, berapa suhu akhir logam? A. 35,76 oC B. 27,56 oC C. 33 oC D. 37 oC E. 40 oC 9. Kalor jenis aluminium adalah 900 J/kgoC. Kapasitas kalor 2 gram aluminium adalah.....J/oC A. 1,0 B. 1,4 C. 1,8 D. 2,2 E. 2,6 10. Sebuah wadah terbuat dari logam yang memiliki kalor jenis 350 J/kg °C. Jika massa wadah adalah 500 gram, maka kapasitas kalor wadah adalah ... J/oC A. 100 B. 125 C. 150 D. 175 E. 200 11. Kawat besi sepanjang 10 meter dengan koefisien muai panjang 12 x 10-6 oC -1 . Jika kawat tersebut dipanaskan dari suhu 0oC sampai 40oC, berapa pertambahan panjang kawat tersebut? A. 4,8 cm B. 4,8 mm C. 0,48 mm D. 0,048 mm E. 4,8 m 12. Sebuah tongkat logam sepanjang 1 meter dipanaskan hingga mengalami kenaikan suhu sebesar 100 oC. Jika koefisien muai panjang logam tersebut adalah 11 x 10-6 oC -1 , maka panjang akhir logam ... A. 1,0011 m B. 1,011 m C. 1,11 m D. 1,10 m E. 1,1 m 13. Panjang batang rel kereta api masing-masing 10 meter, dipasang pada suhu 20°C. Diharapkan pada suhu 30°C rel tersebut saling bersentuhan. Koefisien muai rel batang rel kereta api 12×10–6 /°C. Jarak antara kedua batang yang diperlukan pada suhu 20°C adalah...(soal Ebtanas 1988) A. 3,6 mm B. 2,4 mm C. 1,2 mm D. 0,8 mm E. 0,6 mm
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 156 14. Selembar baja pada suhu 20oC memiliki panjang 50 cm dan lebar 30 cm. Jika koefisien muai panjang baja 10-5oC -1 maka luas total pada suhu 60oC adalah.... A. 1501,2 cm2 B. 150,12 cm2 C. 15,012 cm2 D. 1,5012 cm2 E. 0,15012 cm2 15. Plat aluminium dengan koefisien muai panjang 24 x 10-6 / oC mempunyai luas 40 cm2 pada suhu 30oC. Berapa suhu akhir apabila luas plat aluminium bertambah menjadi 40,2 cm2 ? A. 100,05oC B. 110,87oC C. 120,99oC D. 134,16oC E. 140,75oC 16. Sebuah bola dengan volume 50 m3 dipanaskan dari suhu 0oC sampai 50oC, sehingga memuai dengan volume akhir ... (gunakan Kelvin sebagai satuan suhu, koefisien muai panjang bahan bola 17x10-6 K -1 ) A. 25,80 m3 B. 28,50 m3 C. 50,12 m 3 D. 58,80 m3 E. 85,04 m 3 17. Bola pejal terbuat dari aluminium dengan koefisien muai panjang 24 x 10-6 oC -1 . Jika pada suhu 30oC volume bola adalah 30 cm3 maka agar volume bola itu bertambah menjadi 30,5 cm3 , bola tersebut harus dipanaskan hingga mencapai suhu..... oC A. 60,4 B. 161,8 C. 261,4 D. 360,2 E. 464,0 18. Jika diketahui kalor lebur es menjadi air adalah 80 kal/g, berapa kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan es sebanyak 500 gram pada suhu 0oC menjadi cair seluruhnya pada suhu 0oC? A. 40 kkal B. 50 kkal C. 60 kkal D. 80 kkal E. 90 kkal 19. Banyaknya kalor yang harus dilepaskan 1 gram raksa untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat adalah....J (Kalor lebur raksa = 11,8 x 103 J/kg) A. 118 B. 11,8 C. 1,18 D. 0,118 E. 0,0118
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 157 20. Perhatikan gambar berikut! Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung kalor yang dibutuhkan untuk mengubah wujud zat dari suhu 100oC air menjadi 100oC uap adalah ... A. QAB = mes ces T1 B. QDE = mair x L C. QBC = mes x L D. QCD = mair x 100oC E. QCD = muap L 21. Sebanyak 500 gram es bersuhu −10oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, maka kalor yang dibutuhkan adalah ... A. 45 kal B. 450 kal C. 4500 kal D. 45.000 kal E. 450.000 kal 22. Diketahui kalor laten pencairan es 80 kal/g, kalor jenis es 0,5 kal/goC dan kalor jenis air 1 kal/goC. Kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu 200 gram es dari -10oC sehingga seluruhnya menjadi air bersuhu 10oC adalah A. 19000 kal B. 20000 kal C. 40000 kal D. 46000 kal E. 50000 kal 23. Pernyataan berikut ini benar, pada air berubah wujud menjadi es, kecuali ….. A. massa jenisnya berubah B. suhunya berubah C. suhunya tetap D. beratnya tetap E. massanya tetap 24. Sebanyak 10 gram es dimasukkan ke dalam 50 gram air bersuhu 40oC. Bila suhu es mula-mula 0oC, tentukan suhu akhir campuran es dan air tersebut, bila dianggap tidak ada kalor yang hilang? (kalor jenis es 0,5 kal/goC, kalor lebur es 80 kal/gr, kalor jenis air 1 kal/goC) A. 20 oC B. 30 oC C. 40 oC D. 50 oC E. 60 oC 25. Air panas bermassa 1 kg bersuhu 100oC dicampur dengan air dingin bermassa 1 kg bersuhu 10oC dalam sistem tertutup terisolasi. Jika kalor jenis air 4200 J/kg oC maka suhu akhir campuran adalah ... A. 45oC B. 55oC C. 65oC D. 75oC E. 85oC
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 158 26. Tiga kilogram batang timah hitam dengan kalor jenis 1400 J.kg-1oC -1 bersuhu 80oC dicelupkan ke dalam 10 kg air dengan kalor jenis 4200 J.kg-1C -1 . Setelah terjadi kesetimbangan termal, suhu akhir campuran 20oC. Suhu air mula-mula adalah....oC A. 10 B. 11 C. 12 D. 13 E. 14 27. Kalor yang mengalir persatuan waktu melalui suatu logam : (1) Sebanding dengan selisih suhu antara kedua ujungnya (2) Berbanding terbalik dengan panjang logam (3) Sebanding dengan luas penampang logam (4) Tidak bergantung pada jenis konduktor Pernyataan di atas yang benar adalah ….. A. (1) dan (2) B. (1) dan (3) C. (1), (2), dan (3) D. (2) dan (4) E. (1), (2), (3), dan (4) 28. Sebuah tongkat baja berbentuk silinder pejal mempunyai panjang 1 meter dan luas penampang 0,2 m 2 . Konduktivitas termal baja adalah 40 J/m.s.oC. Jika selisih suhu antara kedua ujung baja adalah 10oC maka laju perpindahan kalor secara konduksi pada batang baja tersebut adalah ... A. 80 B. 90 C. 100 D. 110 E. 120 29. Proses pemindahan panas secara konveksi terjadi dalam benda ... A. padat dan cair B. padat dan gas C. cair dan gas D. padat, cair, gas E. hanya cair 30. Sebuah bola tembaga mempunyai luas penampang 2 m 2 memiliki suhu 727ºC. Jika emisivitas bola 0,25 dan konstanta Stefan Boltzman 5,7 x 10–8 W/m2K 4 , berapakah laju kalor yang dipancarkannya? A. 28.500 W/m2 B. 29.000 W/m2 C. 54.400,7 W/m2 D. 22.450,9 W/m2 E. 73.500,7 W/m2
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 159 ESSAY 1. Suhu dalam skala derajat Celsius menunjukkan angka 25oC. Nyatakan nilai tersebut dalam: (a) Skala derajat Reamur (b) Skala derajat Fahrenheit (c) Skala derajat Kelvin 2. Suatu benda bermassa 100 gram ketika diberikan kalor sebesar 400 kalori mengalami kenaikan suhu sebesar 8oC, berapa kalor jenis benda tersebut? 3. Aluminium sepanjang 2 m berada pada suhu 30oC. Berapa panjang aluminium jika dinaikkan suhunya hingga 50oC? (koefisien muai panjang aluminium 25 x 10-6 / oC) 4. Pelat besi seluas 4 m3 pada suhu 20oC suhunya dinaikkan hingga 100o . Berapa luas akhir pelat tersebut? (koefisien muai panjang besi 11x10-6 / oC) 5. Sebuah kelereng berdiameter 2 cm berada pada suhu 0oC. Berapa volume kelereng ketika dinaikkan hingga 100oC? (koefisien panjang kelereng 3x10-6 / oC) 6. Sebanyak 200 gram air pada suhu 25oC dipanaskan menggunakan 1000 kalori, bila kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan suhu air setelah dilakukan pemanasan! 7. Es bersuhu -10oC sebanyak 100 gram, diberikan kalor sehingga seluruh es mencair menjadi air dengan suhu 20oC. Berapa kalor yang diberikan pada es? (kalor jenis es 0,5 kal/groC; kalor lebur es 80 kal/groC; kalor jenis air 1 kal/groC) 8. Suatu logam mengalami perubahan suhu dari 30oC menjadi 80oC. Jika panjang akhir logam adalah 115 cm dan koefisien muai panjang logam 3.10-3 oC -1 , maka panjang awal logam dan pertambahan panjang logam adalah..... 9. Sebuah kubus yang terbuat dari tembaga dengan sisi 20 cm dipanaskan dari 30ºC menjadi 80ºC. Bila koefisien muai panjang tembaga 16 x 10–6 /ºC, tentukan : (a) pertambahan luas kubus itu (b) volume kubus setelah dipanaskan (c) volume kubus bila dipanaskan sampai 90ºC. 10. Sebatang baja yang panjangnya 4 m mengalami pertambahan panjang 2 mm ketika dipanaskan dari suhu 20ºC menjadi 60ºC. Berapakah pertambahan batang baja kedua yang mempunyai panjang 2 m bila dipanaskan sampai suhu 40ºC? 11. Jelaskan perbedaan perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi! 12. Bola berongga terbuat dari kaca mempunyai koefisien muai panjang 9 x 10-6 oC-1. Pada suhu 20oC diameter dalam bola adalah 2,2 cm. Apabila diameter dalam bola bertambah menjadi 2,8 maka suhu akhir adalah.... 13. Air bermassa 20 gram dengan kalor jenis 1 kal g-1 oC -1 pada mulanya bersuhu 30oC. Tentukan suhu akhir air jika banyaknya kalor yang diserap air adalah 300 kalori! 14. Manakah yang lebih cepat panas jika dijemur bersamaan pada terik matahari, aluminium atau tembaga? (Kalor jenis aluminium = 900 J/kgoC dan kalor jenis tembaga = 390 J/kgoC). 15. Tiga kilogram batang timah hitam dengan kalor jenis 1400 J.kg-1C -1 bersuhu 80oC dicelupkan ke dalam 10 kg air dengan kalor jenis 4200 J.kg-1C -1 . Setelah terjadi kesetimbangan termal, suhu akhir campuran 20oC. Suhu air mula-mula adalah....
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 160 16. Logam tembaga bersuhu 100oC dimasukkan ke dalam air yang bermassa 128 gram dan bersuhu 30oC. Kalor jenis air 1 kal.g-1oC -1 dan kalor jenis tembaga 0,1 kal.g-1oC -1 . Jika kesetimbangan termal terjadi pada suhu 36oC, maka massa logam tersebut adalah.... 17. Grafik di bawah ini menunjukkan hubungan antara suhu dan kalor (Q) yang diserap oleh es. Jika kalor lebur es 3,3 x 105 J/kg, hitung massa es yang melebur! 18. Batang logam dengan panjang 2 meter, memiliki luas penampang 20 cm2 dan perbedaan temperatur kedua ujungnya 50°C. Jika koefisien konduksi termalnya 0,2 kal/ms°C, maka jumlah kalor yang dirambatkan persatuan luas per satuan waktu adalah ... 19. Sebuah jendela kaca suatu ruangan tingginya 2 m, lebarnya 1,5 m dan tebalnya 6 mm. Suhu di permukaan dalam dan permukaan luar kaca masing-masing 27°C dan 37°C. (http://fisikastudycenter.com) Jika konduktivitas termal = 8 x 10−1 Wm−1K −1 , tentukan jumlah kalor yang mengalir ke dalam ruangan melalui jendela itu setiap sekon ! 20. Logam P yang ujungnya bersuhu 10°C disambung dengan logam Q yang suhu ujungnya 115°C seperti gambar berikut! Konduktivitas thermal logam P adalah 2,5 kali dari konduktivitas thermal logam Q. Jika luas penampang kedua batang sama, maka suhu sambungan antara logam P dan Q adalah.....
SUHU DAN KALOR Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 161 21. Suhu kulit seseorang tanpa pakaian adalah 37ºC. Jika luas permukaan tubuhnya 1,6 m2 dan orang itu berada dalam ruangan yang suhunya 27ºC, hitung kalor yang dilepaskan orang itu melalui konveksi selama 5 menit bila koefisien konveksi 7 W/m2K! 22. Batang baja dan kuningan mempunyai luas penampang dan panjang sama, salah satu ujungnya dihubungkan. Suhu ujung batang baja yang bebas 250ºC dan ujung batang kuningan 100ºC. Jika koefisien konduksi kalor baja dan kuningan masing -masing 0,12 kal/s cm dan 0,24 kal/s cm, hitung suhu pada titik hubung kedua batan g tersebut! 23. Sebatang perunggu bersuhu 127ºC meradiasikan kalor dengan laju 20 W. Jika suhunya dinaikkan menjadi 227ºC, hitung laju radiasi kalor yang dipancarkannya! 24. Kawat lampu pijar memiliki luas penampang 50 mm2, memancarkan energi dengan laju kalor 2,85 J/s. Jika kawat pijar dianggap sebagai benda hitam (e = 1), tentukan suhu permukaan kawat pijar itu! 25. Kawat wolfram mempunyai emisivitas 0,5 di dalam bola lampu yang berpijar pada suhu 727ºC. Jika luas permukaan kawat 10-6 m 2 dan berpijar selama 4 s serta konstanta Stefan Boltzman 5,7 x 10-8 W/m2K 4 , tentukan energi radiasi yang dipancarkan lampu tersebut!
TERMODINAMIKA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 162 Bab 6. Termodinamika