);

Contoh soal cara perpindahan kalor dan penyelesaiannya

Postingan ini membahas contoh soal cara perpindahan kalor dan penyelesaiannya atau pembahasannya. Didalam fisika, kalor dapat berpindah melalui tiga cara yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

Konduksi adalah perambatan kalor tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya. Penjalaran ini biasanya terjadi pada zat padat. Rumus perpindahan kalor secara konduksi sebagai berikut:

H =
Q
t
=
k . A . ΔT
L

Keterangan:

  • H = laju hantaran kalor (J/s)
  • k = koefisien konduktivitas termal (J/m.s.K atau J/m.s.°C)
  • A = luas permukaan (m2)
  • T = perbedaan suhu (K atau °C)
  • L = panjang benda (m)

Konveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain yang disertai dengan perpindahan bagian-bagian zat perantara. Konveksi biasanya terjadi pada zat cair atau gas. Rumus yang berlaku pada konveksi sebagai berikut:

H =
Q
t
= k . A . ΔT

k pada rumus diatas menyatakan koefisien konveksi (J/m.s.K atau J/m.s.°C). Simbol besaran lainnya sama dengan konduksi.

Radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa melalui zat perantara. Contoh radiasi adalah panas matahari sampai ke bumi. Rumus yang berlaku pada radiasi sebagai berikut:

W =
Q
t
= e . σ . A . T4

Keterangan:

  • W = energi radiasi per satuan waktu (watt/m2)
  • e = emisitivitas permukaan
  • σ = konstanta Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 watt/m2.K4)
  • T = suhu mutlak (K)

Untuk lebih jelasnya, perhatikan contoh soal dan pembahasan dibawah ini.

Contoh soal 1

Batang besi panjangnya 2 meter dengan luas penampang 5 cm2 memiliki perbedaan suhu diantara kedua ujungnya 100 K. Jika konduktivitas termal besi 4,8 J/s.m.K, laju hantaran kalornya adalah…
A. 1,2 x 10-5 J/s
B. 1,2 x 10-3 J/s
C. 4,8 x 10-5 J/s
D. 4,8 x 10-3 J/s
E. 5,0 x 10-4 J/s

Pembahasan / penyelesaian soal

Pada soal ini diketahui:

  • L = 2 m
  • A = 5 cm2 = 5 x 10-4 m2
  • ΔT = 100 K
  • k = 4,8 J/s.m.K

Laju hantaran kalor dihitung dengan rumus dibawah ini:

→ H =
k . A . ΔT
L

→ H =
4,8 J/s.m.K . 5 x 10-4 . 100 K
2 m
= 1,2 x 10-3 J/s

Soal ini jawabannya B.


Contoh soal 2

Batang besi homogen salah satu ujungnya dipanasi. Besi itu memiliki luas penampang 17 cm2 dan konduksivitas termal 4 x 105 J/s.m.°C, panjang batang 1 m dan perbedaan suhu kedua ujungnya 30 °C. Kalor yang merambat dalam batang besi selama 2 sekon adalah…
A. 2,81 x 103 J
B. 4,08 x 104 J
C. 4,08 x 105 J
D. 6,00 x 105 J
E. 7,10 x 106 J

Pembahasan / penyelesaian soal

Pada soal ini diketahui:

  • A = 17 cm2 = 17 x 10-4 m2
  • k = 4 x 105 J/s.m.°C
  • L = 1 m
  • ΔT = 30 °C
  • t = 2 s

Kalor yang merambat pada batang besi dihitung dengan rumus dibawah ini:

Q
t
=
k . A . ΔT
L

→ Q =
k . A . ΔT . t
L

→ Q =
4 x 105 J/s.m.°C . 17 x 10-4 m2 . 30 °C . 2 s
1 m

→ Q = 4,08 x 104 J

Soal ini jawabannya B.


Contoh soal 3

Dua batang A dan B berukuran sama masing-masing mempunyai koefisien konduksi 2k dan k. Keduanya dihubungkan menjadi satu dan pada ujung-ujung yang bebas dikenakan suhu seperti gambar dibawah ini.

Batang A dan B digabung menjadi satu
Batang A dan B digabung menjadi satu

Suhu T pada sambungan batang A dan B adalah…°C

A. 160

B. 150

C. 120

D. 100

E. 80

Pembahasan / penyelesaian soal

Pada soal ini diketahui:

  • k A = 2k
  • k B = k
  • A A = A B
  • L A = L B
  • T A = 210 °C
  • T B = 30 °C

Laju hantaran kalor batang A = laju hantaran kalor batang B atau:

HA = HB
k A . A A . ΔT A
L A
=
k B . A B . ΔT B
L

→ 2k . (210 °C – T) = k . (T – 30 °C)
→ 420 °C – 2T = T – 30°C
→ -2T – T = -30 °C – 420 °C
→ -3T = – 450 °C
→ T =
-450 °C
-3
= 150 °C

Soal ini jawabannya B.


Contoh soal 4

Dua batang logam P dan Q disambungkan pada salah satu ujungnya. Pada ujung-ujung yang lain diberi panas dengan suhu yang berbeda seperti ditunjukkan gambar dibawah ini.

Batang P dan Q disambung menjadi satu
Batang logam P dan Q disambung menjadi satu

Bila panjang dan luas kedua logam sama tetapi konduktivitas logam P dua kali konduktivitas logam Q, suhu tepat T pada sambungan adalah…°C

A. 60

B. 50

C. 40

D. 30

E. 20

Pembahasan / penyelesaian soal

Pada soal ini diketahui:

  • L P = L Q
  • A P = A Q
  • k P = 2 k Q
  • T P = 60 °C
  • T Q = 30 °C

Cara menjawab soal ini sebagai berikut:

HP = HQ
k P . A P . ΔT P
L P
=
k Q . A Q . ΔT Q
L

→ 2k Q . (60 °C – T) = k Q . (T – 30 °C)
→ 120 °C – 2T = T – 30°C
→ -2T – T = -30 °C – 120 °C
→ -3T = – 150 °C
→ T =
-150 °C
-3
= 50 °C

Soal ini jawabannya B.


Contoh soal 5

Sebuah lampu pijar memiliki luas permukaan 150 cm 2 dan suhunya 127 °C berada didalam kamar bersuhu 37 °C. Koefisien konveksi lampu pijar = 10 J/s.m 2.K. Jumlah kalor yang dilepas lampu selama 1 menit adalah…

A. 1500 J

B. 810 J

C. 90 J

D. 60 J

A. 13,5 J

Pembahasan / penyelesaian soal

Pada soal ini diketahui:

  • A = 150 cm 2 = 150 x 10 4 m 2
  • T 1 = 37 °C = (37 + 273) K = 310 K
  • T 2 = 127 °C = (127 + 273) K = 400 K
  • k = 10 J/s.m 2.K
  • t = 1 menit = 60 s

Cara menghitung kalor pada konveksi sebagai berikut:

→ H =
Q
t
= k . A . ΔT
→ Q = k . A . ΔT . t
→ Q = 10 J/s.m2.K . 150 x 10-4 m2 . (400 K – 310 K) . 60 s = 810 J

Soal ini jawabannya B.


Contoh soal 6

Sebuah plat baja dengan panjang 2 m dan lebar 0,5 m suhunya 227 °C. Bila tetapan Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 dan plat baja hitam sempurna, maka energi total yang dipancarkan setiap detik adalah…

A. 3345,57 J

B. 3345,75 J

C. 3543,75 J

D. 4533,75 J

E. 7087,5 J

Pembahasan / penyelesaian soal

Pada soal ini diketahui:

  • p = 2 m’
  • l = 0,5 m
  • A = p . l = 2 m . 0,5 m = 1 m2
  • T = 227 °CC = (227 + 273) K = 500 K
  • σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4
  • e = 1

Cara menghitung energi total yang dipancarkan sebagai berikut:

  • W = e . σ . A . T4
  • W = 1 . 5,67 x -8 W/m2.K4 . 1 m2 . (500 K)4
  • W = 3543,75 Joule

Soal ini jawabannya C.


Contoh soal 7

Perbandingan jumlah energi yang dipancarkan tiap detik oleh benda hitam pada temperatur 300 K dan 900 K adalah…

A. 1 : 3

B. 1 : 9

C. 1 : 27

D. 1 : 81

E. 1 : 243

Pembahasan / penyelesaian soal

Cara menjawab soal ini sebagai berikut:

W1
W2
=
e . σ . A1 . T14
e . σ . A2 . T24

W1
W2
=
T14
T24
=
(300 K)4
(900 K)4

W1
W2
=
1
81

Soal ini jawbannya D.


Contoh soal 8

Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m2 dan suhunya 27 °C. Jika suhu disekelilingnya 127 °C maka energi yang dipancarkan benda tersebut adalah…

A. 567 W

B. 490 W

C. 256 W

D. 175 W

E. 81 W

Pembahasan / penyelesaian soal

Cara menjawab soal ini sebagai berikut:

  • W = e . σ . A . (T24 – T14)
  • W = 1 . 5,67 x 10-8 . W/m2.K4 . 0,5 m2 {(400 K)4 – (300 K)4}
  • W = 490 W

Soal ini jawabannya B.

(Visited 1.187 times)

You cannot copy content of this page