MATERI: SUHU DAN KALOR Peta Konsep Suhu dan Kalor

1

MATERI: SUHU DAN KALOR
Peta Konsep Suhu dan Kalor
Kesetimbangan Termal

Suhu
Kalor
Perubahan Fase/Wujud
Perpindahan Kalor
Pemuaian
Hubungan Kuantitatif

Konduksi, Konveksi,
Radiasi

Rumus-rumus yang
berhubungan dengan
suhu dan kalor

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep

Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

2

A. SKILL-SKILL UNTUK SUHU DAN KALOR
Soal Sehubungan
dengan
Suhu dan
Pengukurannya

Pemuaian

Skill

No

Soal

 Memvisualisasikan
soal

dan
mengidentifikasi besaran fisika yang
diketahui dan ditanya
 Mampu mendefinisikan suhu dan
alat ukurnya:
 Mampu
mengkonversi
suhu
berdasarkan skala-skala termometer,
dimana:
0
C 0 F  32 K  273 0 R
.



100
180
100
80

0
X  titik beku

titik didih - titik beku

1

Nyatakan 68 0F, 5 0F dan 176 0F pada skala Celcius dan
Kelvin.

2

Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 400X dan
titik didih air adalah 2400X. Bila suatu benda diukur
dengan termometer Celcius bersuhu 500C, maka berapakah
suhu ini jika diukur dengan termometer X?

 Memvisualisasikan
soal
dan

mengidentifikasi besaran fisika
yang diketahui dan ditanya
 Memahami pemuaian pada benda
padat akibat pengaruh suhu, dimana:
- Pemuaian
panjang,
L  Lo T , panjang akhir,

1

Sebuah gelas kaca biasa memiliki koefisien muai panjang
9 x 10-6/oC. Pada suhu kamar 250C gelas dapat
menampung 1 mL air. Pada suhu 750C berapa air yang
dapat ditampung?

2

Misalkan Anda memiliki sebuah botol 50 mL yang terbuat

L  L0  L

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

3

- Pemuaian luas, A  Ao T ,
dengan   2 , luas akhir
A  A0  A
- Pemuaian
volume,
V  Vo T , dengan   3 ,
Volume akhir, V  V0  V
 Memahami pemuaian zat cair dalam
wadah, dimana zat cair lebih cepat
memuai
dibandingkan
wadah,
sehingga ada zat cair yang tumpah,
dimana:

Vtumpah   'V0 T

Kalor

dengan  '   zat cair   wadah
 Memahami pemuaian pada gas,
dimana
volume
gas
sangat
dipengaruhi oleh tekanan, Pemuaian
gas diatur oleh:
- hukum Boyle, PV = konstan
- hukum Gay-Lussac,
V
 konstan
T
P
- hukum tekanan,  konstan
T

 Memvisualisasikan
soal
dan
mengidentifikasi besaran fisika
yang diketahui dan ditanya
 Memformulasikan kapasitas kalor
dan kalor jenis,:

dari bahan kaca, yang pada suhu 0oC berisi bensin sampai
penuh. Jika suhu dinaikkan menjadi 30oC, apakah bensin
akan tumpah? Jika ya, berapa banyak ? Koefisien muai
volume bensin 1240 x 10-6/oC sedangkan koefisien muai
volume kaca adalah 27 x 10-6/oC.

3

Suatu gas berada pada suhu 500C. Brapakah suhunya agar
volume gas menjadi berlipat dua jika tekanan dijaga
konstan?

1

Berapa joule panas yang diperlukan untuk memanaskan
500 gram tembaga dari 100C sampai 600C jika kalor jenis
tembaga 385 J/kg C0?

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

4

Q
T
Sehinga, kalor Q  CT
Q
- Kalor jenis, c 
mT
Sehinga, kalor Q  mcT
Mampu menghitung kalor yang
dilepas atau yang dibutuhkan ketika

terjadi perubahan fase (wujud).,
dimana Q = m L dengan
L = kalor laten
Kalor total Qtotal  Q1  Q2  ...
Mampu menggunakan Azas Black
dimana
Qlepas  Qterima
Memahami bahwa kalorimeter
sebagai alat ukur kalor jenis,
bekerja berdasarkan azas Black.

- Kapasitas kalor, C 








Perpindahan Kalor

 Memvisualisasikan
soal
dan
mengidentifikasi besaran fisika
yang diketahui dan ditanya
 Mampu menentukan laju aliran
kalor pada perpindahan kalor,
dimana:
- Pada konduksi
 T 
Q
 kA

 
 l 
 t  konduksi

2

Berapa banyakkah kalor yang diperlukan untuk mengubah
2 g es pada suhu 00C menjadi uap air pada suhu 100oC?
Kalor jenis air = 4200 J/kg K, kalor lebur es 336 J/g; kalor
uap air 2260 J/g.

3

Sepotong logam 50 g yang suhunya 950C dicelupkan ke
dalam 250 g air yang suhunya 170C. Suhu akhirnya
berubah menjadi 19,40C. Berapakah kalor jenis logam ini?

1

Pengaduk terbuat dari aluminium dengan luas penampang
5 mm2 dan panjang 10 cm. Jika suhu air dalam bejana
60oC , suhu di ujung pengaduk 62oC, dan konduktivitas
termal pengaduk 200 W/mCo, tentukanlah:
a. kecepatan aliran kalor pada pengaduk
b. kalor yang mengalir melalui pengaduk selama 1
jam.

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

5

- Pada konveksi
Q
 hAT
 
 t  konveksi
- Pada radiasi
Q
 eAT 4
 
 t  radiasi

B. PENYELESAIAN SOAL-SOAL SUHU DAN KALOR
Suhu dan Pengukurannya
1. Nyatakan 68 0F, 5 0F dan 176 0F pada skala Celcius dan
Kelvin.
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
Berapa 68 0F, 5 0F dan 176 0F pada skala Celcius dan Kelvin
Tentukan:
Skala Celcius dan Kelvin
Pendekatan
Menggunakan konversi skala-skala termometer
Situasi Fisika

o
0

176

68o

F

o

C
?

o

?

?

5o
?
Target
kuantitas
o
C = ....?
o
K = ....?

K
?

?

Hubungan kuantitatif
0
0
C
F  32


100
180
K  273 0 F  32


100
180
Rencana Solusi

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

6




5 0
 F  32
9
5
0
K  273   0 F  32
9

0

C

Solusi
Untuk 68 0F
5
0
C  68  32  20 0 C
9
5
0
K  68  32  273  2930 K
9
Untuk 5 0F
5
0
C  5  32  15 0 C
9
5
0
K  5  32  273  258 0 K
9
Untuk 176 0F
5
0
C  176  32  80 0 C
9
5
0
K  176  32  273  3530 K
9
Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab.
2. Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 400X dan titik
didih air adalah 2400X. Bila suatu benda diukur dengan

termometer Celcius bersuhu 500C, maka berapakah suhu ini
jika diukur dengan termometer X?
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 400X dan titik
didih air adalah 2400X
Tentukan:
Berapa bacaan termometer X, untuk suhu 500C
Pendekatan
Menggunakan konversi skala-skala termometer
o

Situasi Fisika

0

240

X

o

C
100

?

500

40o

00

titik didih

titik beku

Target kuantitas
o
X = ....?
Hubungan kuantitatif
0
0
X  titik beku
C


100 titik didih - titik beku
Rencana Solusi
Dari hubungan kuantitatif, skala termometer X dengan
termometer Celcius, diperoleh

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

7

0
C
X  40 0 X
=
, atau
0
0
240 X - 40 X 100
0

X  400  2( 0C )
Solusi
0
X  2(500 )  400  1400
Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab.
0

Pemuaian
1. Sebuah gelas kaca biasa memiliki koefisien muai panjang 9 x
10-6/oC. Pada suhu kamar 250C gelas dapat menampung 1 mL
air. Pada suhu 750C berapa air yang dapat ditampung?
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
Pada suhu kamar 250C volume gelas kaca 1 mL. Koefisien
muai panjang kaca 9 x 10-6/oC.
Tentukan:
Berapa volume gelas kaca pada suhu 750C.
Pendekatan
Menggunakan persamaan pemuaian volume zat padat
Situasi Fisika
Volume awal V0 = 1 mL
α = 9 x 10-6/oC.
∆ T = 750C - 250C = 500C

Target kuantitas
V = ....?
Hubungan kuantitatif
 V  Vo T , dengan   3
 V  V0  V
Rencana Solusi
Untuk mencari volume gelas setelah suhu naik, maka perlu
dicari pertambahan volume, V  Vo T , sehingga volume
akhir, V  V0  V0 T
V  V0 (1  T )
Tetapi   3 , sehingga:
V  V0 (1  3T )
Satuan
 V = mL
 α = 1/C0
 ∆ T = 0C
Solusi
V  V0 (1  3T )

 (1mL)1  3(9x10 -6 / 0C )(50 0 C ) 
 1,00135 mL

Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

8

2. Misalkan Anda memiliki sebuah botol 50 mL yang terbuat
dari bahan kaca, yang pada suhu 0oC berisi bensin sampai
penuh. Jika suhu dinaikkan menjadi 30oC, apakah bensin
akan tumpah? Jika ya, berapa banyak ? Koefisien muai
volume bensin 1240 x 10-6/oC sedangkan koefisien muai
volume kaca adalah 27 x 10-6/oC.
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
Pada suhu 00C volume gelas kaca 50 mL diisi penuh bensin.
Koefisien muai volume kaca 27 x 10-6/oC.
Koefisien muai volume bensin 1240 x 10-6/oC.
Tentukan:
Berapa volume bensin yang tumpah pada suhu 300C.
Pendekatan
Menggunakan persamaan pemuaian volume zat cair dalam
wadah.
Situasi Fisika
Volume awal V0 = 1 mL
 zat cair = 1240 x 10-6/oC.
 wadah = 27 x 10-6/oC.
∆ T = 300C - 00C = 300C
Target kuantitas
∆Vtumpsh = ....?
Hubungan kuantitatif
 Vtumpah   'V0 T
  '   zat cair   wadah
Rencana Solusi

Untuk mencari volume minyak yang tumpah setelah suhu
naik, digunakan persamaan Vtumpah   'V0 T dengan

 '   zat cair   wadah .

Vtumpah   zat cair   wadah V0 T
Satuan
 V0 = mL
 γ = 1/C0
 ∆ T = 0C
Solusi
Vtumpah   zat cair   wadah V0 T







 1240 x10 6 / 0 C  27 x10 6 / 0 C 50mL 30 0 C



 1,82 mL

Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab
3. Suatu gas berada pada suhu 500C. Brapakah suhunya agar
volume gas menjadi berlipat dua jika tekanan dijaga
konstan?
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
Suatu gas berada pada tekanan konstan pada suhu 500C. Bila
volume dijadikan dua kali semula, maka berapa suhu gas.
Tentukan:
Berapa suhu gas jika volume dijadikan dua kali semula..

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

9

Pendekatan
Menggunakan persamaan pemuaian volume gas pada tekanan
konstan (hukum Boyle-Gay Lusac)
Situasi Fisika
Volume gas, V = 2 V0
T0 = 500C = 323 K
Target kuantitas
T = ....?
Hubungan kuantitatif
V

 konstan
T
V V0


T T0
Rencana Solusi
Untuk mencari suhu gas bila volumenya berubah, digunakan
V V
persamaan  0 .
T T0
V
T  T0
V0
Satuan
 V dan V0 = L
 T dan T0 = 0C
Solusi

T

2V0
T0  2T0
V0

 2 (323 K)
 646 K
 373 0C
Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab

Kalor
1. Berapa joule panas yang diperlukan untuk memanaskan 500
gram tembaga dari 100C sampai 600C jika kalor jenis
tembaga 385 J/kg C0?
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
500 gram tembaga dipanaskan dari 100C sampai 600C
Tentukan:
Berapa panas (kalor) yang diperlukan?
Pendekatan
Menggunakan persamaan kalor jenis.
Situasi Fisika
Massa = 500 g = 0,5 kg
c = 385 J/kg C0

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

10

∆ T = 600C - 100C = 500C

2. Berapa banyakkah kalor yang diperlukan untuk mengubah 2
g es pada suhu 00C menjadi uap air pada suhu 100oC? Kalor
jenis air = 4200 J/kg K, kalor lebur es 336 J/g; kalor uap air
2260 J/g.
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
2 gram es pada 00C diubah menjadi uap air pada 1000C
Tentukan:
Berapa kalor yang diperlukan?

Target kuantitas
∆Q = ....?
Hubungan kuantitatif
Q
 c
mT
Rencana Solusi
Dari definisi kalor jenis, c 
Q  mcT

Q
, diperoleh jumlah kalor,
mT

Satuan
 m = kg
 ∆T = 0C
 c = J/kg C0
 ∆Q = joule
Solusi
Q  mcT

 (0,5kg)(38 5J/kgC o )(50 0 C )
 9625 joule
Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab

Pendekatan
 Menggunakan persamaan kalor jenis.
 Menggunakan persamaan kalor laten
Situasi Fisika
Massa = 2 g = 2 x 10-3 kg
cair = 4200 J/kg K
∆ Tair = 1000C - 00C = 1000C= 100 K
Llebur =336 J/g = 336.000 J/kg
Luap =2260 J/g = 2.260.000 J/kg
Target kuantitas
∆Q = ....?
Hubungan kuantitatif
 Q  mcT
 Q=mL
 Qtotal  Q1  Q2  ...

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

11

Rencana Solusi
Kalor total yang dibutuhkan, adalah:
- kalor laten untuk melebur es pada 00C, Q1  mLlebur
- kalor untuk menaikan suhu air dari 00C sampai 1000C,
Q2  mcair Tair
- kalor laten untuk penguapan pada 1000C, Q3  mLuap
Kalor total yang dibutuhkan,
Qtotal  Q1  Q2  ...
Satuan
 m = kg
 ∆T = 0C
 c = J/kg C0
 ∆Q = joule
 L = J/kg
Solusi
Q1  mLlebur  2 x10 3 kg336.000 J / kg  672 J





Q2  mcair Tair  2 x10 3 kg 4200 J / kgK 100K   840 J





Q3  mLuap  2 x10 kg 2.260.000 J / kg  4520 J
Kalor total adalah:
Qtotal  Q1  Q2  Q3
3

 672 J  840 J  4520 J
 6032 J

Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab

3. Sepotong logam 50 g yang suhunya 950C dicelupkan ke
dalam 250 g air yang suhunya 170C. Suhu akhirnya berubah
menjadi 19,40C. Berapakah kalor jenis logam ini?
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
50 gram logam pada 950C dicelupkan dalam 250 g air pada
170C . Suhu akhir 19,40C.
Tentukan:
Berapa kalor jenis logam?
Pendekatan
 Menggunakan persamaan kalor jenis.
 Menggunakan azas Black.

Situasi Fisika
mair = 250 g = 0,25 kg
mlogam = 50 g = 0,05 kg
cair = 4200 J/kg K
∆ Tair = 19,40C - 170C = 2,40C
∆ Tair = 950C – 19,40C = 75,60C
Target kuantitas
clogam = ....?
Hubungan kuantitatif
 Q  mcT
 Qlepas  Qterima

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

12

Rencana Solusi
Dalam hal ini karena suhu logam lebih tinggi daripada air,
maka logam melepaskan kalor dan air menerima kalor.:
- Kalor yang dilepaskan logam: Qlepas  mlog amclog amTlog am
- Kalor yang diterima oleh air , Qterima  mcair Tair
Berdasarkan azas Black, Qlepas  Qterima

mlog amclog am Tlog am  mair c air Tair
clog am 

mair c air Tair
mlog am Tlog am

Satuan
 m = kg
 ∆T = 0C
 c = J/kg C0

Solusi

clog am 

mair c air Tair
(0,25kg)(4200 J / kgC 0 )(2,4 0 C )

mlog am Tlog am
(0,05kg)(75,6 0 C )

 666,7 J/kgC

Pendekatan
 Menggunakan persamaan laju aliran kalor
Situasi Fisika

0

Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab
Perpindahan Kalor

1. Pengaduk terbuat dari aluminium dengan luas penampang 5
mm2 dan panjang 10 cm. Jika suhu air dalam bejana 60oC ,
suhu di ujung pengaduk 62oC, dan konduktivitas termal
pengaduk 200 W/mCo, tentukanlah:
a. kecepatan aliran kalor pada pengaduk
b. kalor yang mengalir melalui pengaduk selama 1
jam.
Penyelesaian:
Inti Permasalahan
Pengaduk aluminium dengan luas penampang 5 mm2 dan
panjang 10 cm. Perbedaan suhu diantara ujung-ujung pengaduk
20C.
Tentukan:
a). kecepatan aliran kalor pada pengaduk
b). kalor yang mengalir selama 1 jam pada pengaduk

A = 5 mm2 = 5 x 10-6 m2
l = 10 cm = 0,1 m
∆ T = 620C - 600C = 20C
k = 200 W/mCo
Target kuantitas
Q
 ... ?
a).  
 t  konduksi

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)

13

b). Q, selama t = 1 jam
Hubungan kuantitatif
 T 
Q
 kA
  

 l 
 t  konduksi

Evaluasi Jawaban
Jawaban tepat sesuai dengan satuan dan persamaan yang
digunakan. Jawaban lengkap karena semua pertanyaan sudah
dijawab.

Rencana Solusi
a). Laju aliran kalor pada perpindahan kalor secara konduksi
ditentukan menurut persamaan:
 T 
Q
 kA

 
 l 
 t  konduksi
b).Selama waktu t kalor yang mengalir sejumlah:
 T 
Q  kA
t
 l 
Satuan
a). Q/t = J/s
b). Q = J
Solusi
a). kecepatan aliran kalor
0
 T 
Q
6
0
2  2 C 

kA
W
mC
x
m


(
200
/
)(
5
10
)


 
 0,1m 
 l 
 t  konduksi



 0,02 J/s
0
 T 
0
2  2 C 
6

(
200
/
)(
5
10
)
Q  kA
t
W
mC
x
m


 0,1m (3600s)
b).
 l 


 72 J

Tim Peneliti Penerapan Strategi Physics Problem Solving yang Dipadukan Peta Konsep
Fisika dalam Matakuliah Fisika Umum(Ramli dkk)