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

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

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

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.