Soal kalor dan pembahasan

Soal 1
Tentukan kalor pada: (a) 500 gram air yang dipanaskan dari 25⁰C menjadi 65⁰C. (kalor jenis air 4200 J/kg⁰C) dan (b) 40 gram besi (kalor jenis besi 540 J/kg⁰C) didinginkan dari 100⁰C menjadi 20⁰C!

Jawab:
(a) massa air m = 500 g = 0,5 kg; suhu awal T₀ = 25⁰C dan suhu akhir T = 65⁰C, sehingga ∆T = T – T₀ = 40⁰C; c_air = 4200 J/kg⁰C. Kalor Q dihitung dengan
Q = mc∆T = (0,5 kg)(4200 J/kg⁰C)(40⁰C) = 84 kJ
tanda positif menunjukkan bahwa air menyerap kalor.
(b) massa besi m = 40 g = 40 x 10^-3 kg; suhu awal T₀ = 100⁰C dan suhu akhir T = 20⁰C, sehingga ∆T = T – T₀ = –80⁰C; c_air = 540 J/kg⁰C. Kalor Q dihitung dengan
Q = mc∆T = (0,04 kg)(540 J/kg⁰C)( –80⁰C) = –1728 J
tanda negatif menunjukkan bahwa besi menyerap kalor.

Soal 2
Sebuah koin perak (c = 230 J/kg⁰K) yang memiliki suhu 100⁰C dan massa 40 gram dibiarkan di udara, sehingga suhunya turun menjadi 20⁰C. (a) Berapa kalor yang dilepaskan koin tersebut?, (b) menjadi berapakah suhu 176 gram air yang suhu awalnya 30⁰C jika menyerap kalor tersebut?

Jawab:
Massa koin m = 40 g = 0,04 kg; suhu awal 100⁰C; suhu akhir = 20⁰C; c = 230 J/kg⁰C.
(a) ∆T = 20⁰C – 100⁰C  = –80⁰C
Kalor yang dilepaskan koin adalah
Q = mc∆T = (40 x 10^-3 kg)(230 J/kg⁰C)( –80⁰C) = –736 J
Tanda negatif menyatakan bahwa koin melepaskan kalor.
(b) Kalor Q = 736 J diserap air, massanya m = 176 g = 0,176 kg, suhu awal 30⁰C, c_air = 4180 J/kgK.
Dari Q = mc∆T
736 J = (0,176 kg)(4180 J/kgK)∆T
∆T = 1 ⁰C
∆T = T – T₀
1 ⁰C = T – 30⁰C
T = 31⁰C

Soal 3
Sebuah bejana dengan kapasitas kalor 150 J/K, berisi 0,5 kg air 20⁰C, dipanaskan oleh sebuah pemanas listrik 2000 W. Jika dianggap tidak ada kalor yang hilang ke lingkungan, berapa lama diperlukan pemanas listrik untuk menaikkan suhu air sampai 100⁰C? (kalor jenis air 4200 J/kg⁰C).

Jawab:
Kapasitas kalor bejana C = 150 J/K; massa air m = 0,5 kg.
Daya pemanas listrik P = 2000 W; kalor jenis air c= 4200 J/kgK.
suhu awal = 20⁰C; suhu akhir = 100⁰C maka ∆T = 80⁰C
kalor yang diberikan pemanas listrik, Q = Pt, dengan t adalam lama pemanasan, sama dengan kalor yang diterima bejana, Q = C∆T, dan kalor yang diterima air Q = mc∆T.
Jadi, Pt = C∆T + mc∆T
(2000 W)t = (150 J/K)(80⁰C) + (0,5 kg)(4200 J/kg⁰C)(80⁰C)
20t = 1800
t = 90 s 

Soal 4
Sebuah bejana kaca (c = 840 J/kgK) berisi 500 gram air dengan suhu 10⁰C. Kemudian bejana berisi air tersebut diberikan kalor 66000 J sehingga suhunya menjadi 40⁰C (c_air = 4180 J/kgK). Tentukanlah (a) kapasitar kalor bejana dan (b) massa bejana.

Jawab:
Massa air, m = 500 g = 0,5 kg
Suhu awal bejana dan air T₁ = 10⁰C
Suhu akhir bejana dan air T₂ = 40⁰C
∆T = T₂ – T₁ = 40⁰C – 10⁰C = 30⁰C
Ketika dipanaskan bejana dan air sama-sama menyerap kalor, sehingga
Kalor yang diberikan = kalor yang diserap air + kalor yang diserap bejana
Q = Q_air + Q_bejana
   = m_air c_air∆T + C_bejana∆T
66000 J = (0,5 kg)(4180 J/kgK)(30⁰C) + C_bejana(30⁰C)
C_bejana = 3300/30 = 110 J/K

Soal 5
Udara ditiupkan dengan laju aliran (debit) 0,050 m³/s melalui elemen listrik sebuah pemanas listrik 2,0 kW. Berapa kenaikan suhu yang dialami oleh udara yang melalui elemen pemanas listrik tersebut? Massa jenis udara = 1,2 kg/m³, kalor jenis udara = 1000 J/kgK.

Jawab:
dari data laju aliran udara V/t = 0,050 m³/s kita dapagt menghitung laju massa udara, yaitu
m = ρV, dengan massa jenis udara
m/t = Ρ(V/t)
m/t = (1,2 kg/m³)(0,050 m³/s) = 0,06 kg/s
Eenergi kalor dari pemanas listrik dengan daya P = 2,0 kW = 2000 W digunakan untuk menaikkan suhu udara sebesar ∆T.
Eenergi listrik = kalor untuk menaikan suhu
Pt = mc_ud∆T
2000 W = (0,06 kg/s)(1000 J/kgK)∆T
∆T = 33⁰C