10+ Pola Soal Kalor Jenis & Kapasitas Kalor Beserta Jawabannya
Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang suhunya tinggi ke benda lain dengan suhu yang lebih rendah. Pada kala ke-18 diilustrasikan fatwa kalor sebagai gerakan zat fluida yang disebut kalori. Bagaimanapun, fluida kalori tidak pernah dideteksi.
Selanjutnya pada kala ke-19, ditemukan banyak sekali fenomena yang bekerjasama dengan kalor, sanggup dideskripsikan secara konsisten tanpa perlu memakai model fluida. Model yang gres ini memandang kalor bekerjasama dengan kerja dan energi. Satuan kalor yang masih umum digunakan hingga dikala ini yaitu kalori.
Satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1oC. Terkadang satuan yang digunakan yaitu kilokalori (kkal) sebab dalam jumlah yang lebih besar, di mana 1 kkal = 1.000 kalori. Satu kilokalori (1 kkal) yaitu kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1oC.
Pendapat bahwa kalor bekerjasama dengan energi dikerjakan lebih lanjut oleh sejumlah ilmuwan pada tahun 1800-an, terutama oleh seorang ilmuwan dari Inggris, James Prescott Joule (1818 - 1889). Joule melaksanakan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan pandangan bahwa kalor merupakan bentuk transfer energi. Salah satu bentuk percobaan Joule ditunjukkan secara sederhana ibarat pada Gambar berikut ini.
Beban yang jatuh mengakibatkan roda pedal berputar. Gesekan antara air dan roda pedal mengakibatkan suhu air naik sedikit (yang bekerjsama hampir tidak terukur oleh Joule). Kenaikan suhu yang sama juga sanggup diperoleh dengan memanaskan air di atas kompor.
Info Fisika! |
James Joule (1818 – 1889) melaksanakan percobaan yang pertanda bahwa apabila suatu bentuk energi diubah menjadi bentuk energi lain maka tidak ada energi yang musnah. |
Joule memilih bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara kalor mekanik.
4,186 J = 1 kal
4,186 × 103 J = 1 kkal
Kalor Jenis (c) dan Kapasitas Kalor (C)
Apabila sejumlah kalor diberikan pada suatu benda, maka suhu benda itu akan naik. Kemudian yang menjadi pertanyaan, seberapa besar kenaikan suhu suatu benda tersebut? Pada abad ke-18, sejumlah ilmuwan melaksanakan percobaan dan menemukan bahwa besar kalor Q yang diharapkan untuk mengubah suhu suatu zat yang besarnya ΔT sebanding dengan massa m zat tersebut.
Pernyataan tersebut sanggup dinyakan dalam persamaan berikut.
Q = mc∆T ………. Pers. (1) |
dengan:
Q = banyaknya kalor yang diharapkan (J)
m = massa suatu zat yang diberi kalor (kg)
c = kalor jenis zat (J/kgoC)
ΔT = kenaikan/perubahan suhu zat (oC)
Dari persamaan (1) tersebut, c yaitu besaran karakteristik dari zat yang disebut kalor jenis zat. Kalor jenis suatu zat dinyatakan dalam satuan J/kgoC (satuan SI yang sesuai) atau kkal/kgoC. Untuk air pada suhu 15oC dan tekanan tetap 1 atm, cair = 1 kkal/kgoC = 4,19 × 103 J/kgoC.
Tabel di bawah ini memperlihatkan besar kalor jenis untuk beberapa zat pada suhu 20oC. Sampai batas tertentu, nilai kalor jenis (c) bergantung pada suhu (sebagaimana bergantung sedikit pada tekanan), tetapi untuk perubahan suhu yang tidak terlalu besar, c seringkali dianggap konstan.
Tabel Kalor Jenis (Pada Tekanan Tetap 1 atm dan Suhu 20oC)
Zat | Kalor Jenis (c) | |
Kkal/kgoC | J/kgoC | |
Aluminium | 0,22 | 900 |
Tembaga | 0,093 | 390 |
Kaca | 0,20 | 840 |
Besi atau baja | 0,11 | 450 |
Timah hitam | 0,031 | 130 |
Marmer | 0,21 | 860 |
Perak | 0,056 | 230 |
Kayu | 0,4 | 1.700 |
Alkohol (etil) | 0,58 | 2.400 |
Air raksa | 0,033 | 140 |
Air | ||
Es (-5oC) | 0,50 | 2.100 |
Cair (15oC) | 1,00 | 4.186 |
Uap (110oC) | 0,48 | 2.010 |
Tubuh insan (rata-rata) | 0,83 | 3.470 |
Protein | 0,4 | 1.700 |
Untuk suatu zat tertentu, contohnya zatnya berupa baskom kalorimeter ternyata akan lebih memudahkan kalau faktor massa (m) dan kalor jenis (c) dinyatakan sebagai satu kesatuan. Faktor m dan c ini biasanya disebut kapasitas kalor, yaitu banyaknya kalor yang diharapkan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1oC.
Kapasitas kalor (C) sanggup dirumuskan sebagai berikut.
C = mc | atau | C | = | Q | ... Pers. (2) |
∆T |
Dari persamaan (1) dan persamaan (2), besarnya kalor yang diharapkan untuk menaikkan suhu suatu zat yaitu sebagai berikut.
Q = mc∆T = C∆T ………..……. Pers. (3) |
dengan:
Q = banyaknya kalor yang diharapkan (J)
m = massa suatu zat yang diberi kalor (kg)
c = kalor jenis zat (J/kgoC)
ΔT = kenaikan/perubahan suhu zat (oC)
C = kapasitas kalor suatu zat (J/oC)
Contoh Soal dan Pembahasan
1. Air sebanyak 3 kg bersuhu 10oC dipanaskan hingga bersuhu 35oC. Jika kalor jenis air 4.186 J/kgoC, tentukan kalor yang diserap air tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 3 kg
c = 4.186 J/kgoC
∆T = (35 – 10)oC = 25oC
Ditanyakan: Q = …?
Jawab:
Q = mc∆T
Q = 3 kg × 4.186 J/kgoC × 25oC
Q = 313.950 J
2. Air sebanyak 100 gram yang mempunyai temperatur 25oC dipanaskan dengan energi sebesar 1.000 kalori. Jika kalor jenis air 1 kal/goC, tentukanlah temperatur air sesudah pemanasan tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 100 gram
T0 = 25oC
cair = 1 kal/goC
Q = 1.000 kal
Jawab:
Dengan memakai persamaan (3), diperoleh:
Q = mc∆T
∆T | = | Q |
mc |
∆T | = | 1.000 kal |
100 gram × 1 kal/goC |
∆T = 10oC
Perubahan temperatur mempunyai arti selisih antara temperatur selesai air sesudah pemanasan terhadap temperatur awal, atau secara matematis dituliskan sebagai berikut.
ΔT = T – T0
10°C = T – 25°C
T = 35°C
Jadi, temperatur selesai air sesudah pemanasan yaitu 35oC.
3. Berapa besar kalor yang diharapkan untuk menaikkan suhu sebatang besi yang massanya 10 kg dari 20oC menjadi 100oC, kalau kalor jenis besi 450 J/kgoC?
Penyelesaian:
Diketahui:
Diketahui:
m = 10 kg
T1 = 20oC
T2 = 100oC
c = 450 J/kg oC
Ditanyakan: Q?
Jawab:
Q = mc∆T
Q = mc(T2 – T1)
Q = 10 × 450 × (100 – 20)
Q = 10 × 450 × 80
Q = 360.000 J = 360 kJ
Jadi, kalor yang dibutuhkan sebatang besi tersebut sebesar 360 kJ.
4. Sebanyak 300 gram air dipanaskan dari suhu 30oC menjadi 50oC. Jika kalor jenis air yaitu 1 kal/goC atau 4.200 J/kg K, tentukan:
a) Banyaknya kalor yang diterima air tersebut (dalam kalori).
b) Banyaknya kalor yang diterima air tersebut (dalam joule).
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 300 g = 0,3 kg
∆T = 50oC – 30oC = 20oC
c = 1 kal/goC = 4.200 J/kg K
Ditanyakan: Q dalam kalor dan joule
Jawab:
a) Menentukan jumlah kalor dalam kalori
Q = mc∆T
Q = 300 g × 1 kal/goC × 20oC
Q = 6.000 kalori
Jadi, banyaknya kalor yang diterima air tersebut yaitu 6.000 kalori.
b) Menentukan jumlah kalor dalam joule
Q = mc∆T
Q = 0,3 kg × 4.200 J/kg K × 20 K
Q = 6.000 kalori
Q = 25.200 joule
Catatan penting: perubahan suhu dari satuan celcius dan kelvin sama, jadi tidak perlu melaksanakan koversi satuan terlebih dahulu.
Atau dengan memakai kesetaraan antara kalori dan joule diketahui bahwa:
1 kalori = 4,2 joule sehingga:
Q = 6.000 × 4,2 joule = 25.200 joule
5. Kalor yang dibutuhkan oleh 3 kg zat untuk menaikkan suhunya dari 10oC hingga 80oC yaitu 9,45 kJ. Berapakah kalor jenis zat tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 3 kg
∆T = 80oC – 10oC = 70oC
Q = 9,45 kJ = 94.500 J
Ditanyakan: c
Jawab:
c | = | Q |
m∆T |
c | = | 94.500 J |
3 kg × 70oC |
c | = | 94.500 J |
210 kgoC |
c | = | 450 J/kgoC |
Jadi kalor jenis zat tersebut yaitu 450 J/kgoC.
6. Air sebanyak 500 g bersuhu 20oC kalau diberi kalor 100 kkal, berapakah suhu air sekarang?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 500 g = 0,5 kg
T0 = 20oC
cair = 4.200 J/kgoC
Q = 100 kkal = 4,2 × 105 J
Ditanyakan: T
Jawab:
Q = mcair∆T
∆T | = | Q |
mcair |
∆T | = | 4,2 × 105 J |
0,5 kg × 4.200 J/kgoC |
∆T | = | 420.000 J |
2.100 J/oC |
∆T | = | 200oC |
∆T = T – T0
T = ∆T – T0
T = 200 – 20
T = 180oC
Jadi, suhu air selesai yaitu 180oC.
7. Batang logam bermassa 2 kg mempunyai suhu 25oC. Untuk menaikkan suhunya menjadi 75oC dibutuhkan kalor sebesar 5 × 104 kal. Jika suhunya dinaikkan menjadi 125oC maka berapakah kalor yang dibutuhkan?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 2 kg = 2.000 g
∆T1 = 75oC – 25oC = 50oC → Q1 = 5 × 104 kal
∆T2 = 125oC – 25oC = 100oC → Q2 = ?
Kalor jenis benda sanggup ditentukan dari keadaan pertama.
Q1 = mc∆T1
5 × 104 = 2.000 × c × 50
5 × 104 = 100.000 × c
c = 5 × 104/105
c = 5 × 10-1
c = 0,5 kal/goC
berarti kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu ∆T2 sebesar:
Q2 = mc∆T2
Q2 = 2.000 × 0,5 × 100
Q2 = 100.000
Q2 = 105 kal
Konsep kesebandingan
Kalor untuk menaikkan suhu sebanding dengan kenaikan suhunya.
Q ∆T
Berarti sanggup diperoleh:
Q2 | = | ∆T2 |
Q1 | ∆T1 |
Q2 | = | 100 | × 5 × 104 = 105 kal |
50 |
8. Berapakah kalori kalor yang diharapkan untuk memanaskan 2 liter air dari 30oC menjadi 80oC kalau massa jenis air = 1 gram/cm3 dan kalor jenis air = 1 kal/goC?
Penyelesaian:
Diketahui:
V = 2 liter = 2 × 103 cm3
∆T = 80oC – 30oC = 50oC
ρ = 1 g/cm3
c = 1 kal/goC
Ditanyakan: Q
Jawab:
m = ρ × V = 1 × 2 × 103 = 2 × 103 gram
Q = mc∆T
Q = (2 × 103 g)(1 kal/goC)(50oC)
Q = 105 kalori
9. Berapakah kapasitas kalor dari 5 kg suatu zat yang mempunyai kalor jenis 2 kal/goC?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 5 kg = 5.000 g
c = 2 kal/goC
Ditanyakan: C
Jawab:
C = m × c
C = 5.000 g × 2 kal/goC
C = 10.000 kal/oC
10. Air yang mula-mula bersuhu 10oC dipanaskan hingga bersuhu 35oC. Jika kapasitas kalor air tersebut yaitu 12.558 J/oC, tentukan kalor yang diserap air tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
∆T = 35oC – 10oC = 25oC
C = 12.558 J/oC
Ditanyakan: Q
Jawab:
Dari persamaan (1) kita peroleh:
C | = | Q |
∆T |
Q = C × ∆T
Q = 12.558 J/oC × 25oC
Q = 313.950 joule
11. Sepotong besi yang mempunyai massa 3 kg, dipanaskan dari suhu 20oC hingga 120oC. Jika kalor yang diserap besi sebesar 135 kJ, tentukan kapasitas kalor besi dan kalor jenis besi?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 3 kg
∆T = 120oC – 20oC = 100oC
Q = 135 kJ = 135.000 J
Ditanyakan: C dan c
Jawab:
■ Menentukan kapasitas kalor besi:
C | = | Q |
∆T |
C | = | 135.000 J |
100oC |
C = 1.350 J/oC
■ Menentukan kalor jenis besi:
c | = | C |
m |
c | = | 1.350 J/oC |
3 kg |
c = 450 J/kgoC
12. Air yang mempunyai temperatur 25oC dipanaskan dengan energi sebesar 1.000 kalori. Jika kapasitas kalor air 100 kal/oC, tentukan temperatur air sesudah pemanasan tersebut.
Penyelesaian:
Diketahui:
T0 = 25oC
Q = 1.000 kalori
C = 100 kal/oC
Ditanyakan: T
Jawab:
C | = | Q |
∆T |
∆T | = | Q |
C |
∆T | = | 1.000 kal |
100 kal/oC |
∆T = 10oC
Perubahan temperatur mempunyai arti selisih antara temperatur selesai air sesudah pemanasan terhadap temperatur awal, atau secara matematis dituliskan sebagai berikut.
∆T = T – T0
T = ∆T – T0
T = 10oC – 25oC
T = 35oC
Jadi, temperatur selesai air setela pemanasan yaitu 35oC.