Soal dan Penyelesaian Fisika -Proses perpindahan kalor sanggup dibagi menjadi 3 bagian, antara lain: konduksi, konveksi, dan radiasi.
Berdasarkan kemampuan menghantar kalor, zat dibagi atas dua golongan besar, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang gampang menghantar kalor dan Isolator ialah zat yang sukar menghantar kalor.
Laju rambatan kalor (P) pada konduksi dinyatakan oleh:\[P=\frac{Q}{t}=k\frac{A\Delta T}{d}\]dimana:
e = Emisivitas suatu benda
σ = Konstanta Stefan (5,6703 x 10-8 W/m2K4).
A =Luas suatu benda yang memancarkan radiasi (m2)
T = Suhu mutlak (K)
Nilai emisivitas e secara umum yakni 0 < e < 1, tergantung warna benda. Benda yang berwarna hitam tepat nilai e = 1, sedang untuk suatu benda yang warnanya putih tepat nilai e = 0.
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\P = \frac{kA\Delta T}{d}\\ \frac{P}{A} = \frac{k\Delta T}{d}\\ 8,0 x 10^3 = \frac{k(100)}{3.10^{-3}}\\ k = 0,24 Wm^{-1}K^{-1}\]
Soal 2:Dua batang dengan panjang dan luas penampang sama tetapi terbuat dari materi yang berbeda disambungkan menyerupai gambar. Konduktivitas termal Q yakni setengan dari P. Ujung bebas P pada 00C dan Q pada 1000C. Suhu pada perbatasan ketika keadaan setimbang adalah?
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
diketahui
tebal P = tebal Q, AP = AQ, dan kQ = ½ kP. maka:\[\\P_P=P_Q\\ \left ( k\frac{A\Delta T}{d} \right )_P=\left ( k\frac{A\Delta T}{d} \right )_Q\\\textrm{A dan d sama, maka:}\\ \left ( k{\Delta T} \right )_P=\left ( k\Delta T \right )_Q\\ k_P(T-0) = k_Q(100-T)\\2k_QT = k_Q(100-T)\\2T = 100-T\\3T=100\\T=33,33K\]
Soal 3:Sebuahlampu sorot mempunyai lampu pijar 50 W yang berada dalam suatu kerudung logam yang bersuhu 600C ketika suhu ruang 200C. Jika lampu 50 W diganti dengan lampu 75 W, berapakah suhu kerudung logamnya?
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
Karena luas A dan koefisien konveksi h yakni sama untuk lampu pijar, maka:\[\\P\approx \Delta T\\\frac{P_1}{P_2}=\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2} \\\frac{50}{75}=\frac{60-20}{T_2-20} \\\frac{1}{3}=\frac{20}{T_2-20} \\T_2-20=60\\T_2=80^{o}C\]
Soal 4:Sebuah bola tembaga jari-jari 3,5 cm dipanaskan dalam sebuah tungku perapian bersuhu 4270C. Jika emisivitas bola 0,30, berapakah laju kalor yang dipancarkannya? (σ = 5,67 x 10-8 Wm-2K-4)
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
$\displaystyle \\A = \pi r^2 = \pi(3,5.10^{-2})^2 \\ A= 38,5.10^{-4} m^2$ suhu T = (427 + 273) =700 K,dan emisivitas e= 0,30,
maka laju ajaran kalor:
$\displaystyle \small {\\P = e\sigma AT^4\\ P = (0,30)( 5,67.10^{-8})(38,5.10^{-4}(700)^4\\P = 16 W}$
Soal 5:Sepotong logam panjangnya 2 meter dengan luas penampang 5cm2 memiliki perbedaan suhu diantara kedua ujungnya 100 K. Jika konduktivitas termal logam tersebut 4,8 J/s.m.K, laju hantaran kalornya adalah…
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\P = \frac{kA\Delta T}{L}\\P = \frac{4,8\times 5 . 10^{-4}(100)}{2}\\P=1,2\times 10^{-3}Js^{-1}\]
Soal 6:Sebuah plat baja dengan panjang 2 m dan lebar 0,5 m suhunya 227 °C. Bila tetapan Boltzmann = 5,6703 x 10-8 W/m2K4 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
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
Energi total yang dipancarkan plat:
\[\\W = e . \sigma . A . T^4\\ W = 1 . 5,67 x 10^{-8} .1. (500)^4\\ W = 3543,75 Joule\]
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
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\W = e . \sigma . A . T^4\\ \frac{W_1}{W_2}=\left ( \frac{T_1}{T_2} \right )^4\\\frac{W_1}{W_2}=\left ( \frac{300}{900} \right )^4\\\\\frac{W_1}{W_2}=\left ( \frac{1}{3} \right )^4=\frac{1}{81}\]
Soal 8:Benda hitam tepat 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
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\W = e . \sigma . A . (T_2^4-T_1^4)\\ W = 1 . 5,67 x 10^{-8} . 0,5[(400)^4-(300)^4]\\ W = 490 \: Watt\]
A. PERPINDAHAN KALOR SECARA KONDUKSI
Proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel dinamakan konduksi.
Berdasarkan kemampuan menghantar kalor, zat dibagi atas dua golongan besar, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang gampang menghantar kalor dan Isolator ialah zat yang sukar menghantar kalor.Laju rambatan kalor (P) pada konduksi dinyatakan oleh:\[P=\frac{Q}{t}=k\frac{A\Delta T}{d}\]dimana:
- ∆T,Beda suhu di antara kedua permukaan ∆T=T2–T1; makin besar beda suhu, makin besar perpindahan kalor.
- d atau L, Ketebalan atau panjang; makin tebal / panjang permukaan makin lambat perpindahan kalor.
- A, Luas permukaan; makin luas permukaan, makin cepat perpindahan kalor.
- k, Konduktivitas termal,ukuran kemampuan zat yang menghantarkan kalor, makin besar nilaik, makin cepat perpindahan kalor.
B. PERPINDAHAN KALOR SECARA KONVEKSI
Proses perpindahan kalor dari satu bab fluida ke bab fluida lainnya oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi.
C. PERPINDAHAN KALOR SECARA RADIASI
Perpindahan kalor secara radiasi juga dikenal dengan pancaran, yaitu perpindahan kalor tanpa medium perantara.Radiasi sesuai dengan aturan Stefan-Boltzmann: \[P = e\sigma T^{4}A\]dengan: P = Daya yang diradiasikan (watt)
e = Emisivitas suatu benda
σ = Konstanta Stefan (5,6703 x 10-8 W/m2K4).
A =Luas suatu benda yang memancarkan radiasi (m2)
T = Suhu mutlak (K)
Nilai emisivitas e secara umum yakni 0 < e < 1, tergantung warna benda. Benda yang berwarna hitam tepat nilai e = 1, sedang untuk suatu benda yang warnanya putih tepat nilai e = 0.
D. SOAL DAN PENYELESAIAN PERPINDAHAN KALOR
Soal 1:Ketika laju ajaran kalor per satuan luas dari selembar material isolasi dengan ketebalan 3,0 mm yakni 8,0 kWm-2, penurunan suhu terjadi di antara ujung-ujung lembaran yakni 100 K. Hitung konduktivitas termal material tersebut.Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\P = \frac{kA\Delta T}{d}\\ \frac{P}{A} = \frac{k\Delta T}{d}\\ 8,0 x 10^3 = \frac{k(100)}{3.10^{-3}}\\ k = 0,24 Wm^{-1}K^{-1}\]
Soal 2:Dua batang dengan panjang dan luas penampang sama tetapi terbuat dari materi yang berbeda disambungkan menyerupai gambar. Konduktivitas termal Q yakni setengan dari P. Ujung bebas P pada 00C dan Q pada 1000C. Suhu pada perbatasan ketika keadaan setimbang adalah?
Jawaban Fisika Pak Dimpun:diketahui
tebal P = tebal Q, AP = AQ, dan kQ = ½ kP. maka:\[\\P_P=P_Q\\ \left ( k\frac{A\Delta T}{d} \right )_P=\left ( k\frac{A\Delta T}{d} \right )_Q\\\textrm{A dan d sama, maka:}\\ \left ( k{\Delta T} \right )_P=\left ( k\Delta T \right )_Q\\ k_P(T-0) = k_Q(100-T)\\2k_QT = k_Q(100-T)\\2T = 100-T\\3T=100\\T=33,33K\]
Soal 3:Sebuahlampu sorot mempunyai lampu pijar 50 W yang berada dalam suatu kerudung logam yang bersuhu 600C ketika suhu ruang 200C. Jika lampu 50 W diganti dengan lampu 75 W, berapakah suhu kerudung logamnya?
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
Karena luas A dan koefisien konveksi h yakni sama untuk lampu pijar, maka:\[\\P\approx \Delta T\\\frac{P_1}{P_2}=\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2} \\\frac{50}{75}=\frac{60-20}{T_2-20} \\\frac{1}{3}=\frac{20}{T_2-20} \\T_2-20=60\\T_2=80^{o}C\]
Soal 4:Sebuah bola tembaga jari-jari 3,5 cm dipanaskan dalam sebuah tungku perapian bersuhu 4270C. Jika emisivitas bola 0,30, berapakah laju kalor yang dipancarkannya? (σ = 5,67 x 10-8 Wm-2K-4)
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
$\displaystyle \\A = \pi r^2 = \pi(3,5.10^{-2})^2 \\ A= 38,5.10^{-4} m^2$ suhu T = (427 + 273) =700 K,dan emisivitas e= 0,30,
maka laju ajaran kalor:
$\displaystyle \small {\\P = e\sigma AT^4\\ P = (0,30)( 5,67.10^{-8})(38,5.10^{-4}(700)^4\\P = 16 W}$
Soal 5:Sepotong logam panjangnya 2 meter dengan luas penampang 5cm2 memiliki perbedaan suhu diantara kedua ujungnya 100 K. Jika konduktivitas termal logam tersebut 4,8 J/s.m.K, laju hantaran kalornya adalah…
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\P = \frac{kA\Delta T}{L}\\P = \frac{4,8\times 5 . 10^{-4}(100)}{2}\\P=1,2\times 10^{-3}Js^{-1}\]
Soal 6:Sebuah plat baja dengan panjang 2 m dan lebar 0,5 m suhunya 227 °C. Bila tetapan Boltzmann = 5,6703 x 10-8 W/m2K4 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
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
Energi total yang dipancarkan plat:
\[\\W = e . \sigma . A . T^4\\ W = 1 . 5,67 x 10^{-8} .1. (500)^4\\ W = 3543,75 Joule\]
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
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\W = e . \sigma . A . T^4\\ \frac{W_1}{W_2}=\left ( \frac{T_1}{T_2} \right )^4\\\frac{W_1}{W_2}=\left ( \frac{300}{900} \right )^4\\\\\frac{W_1}{W_2}=\left ( \frac{1}{3} \right )^4=\frac{1}{81}\]
Soal 8:Benda hitam tepat 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
Jawaban Fisika Pak Dimpun:
\[\\W = e . \sigma . A . (T_2^4-T_1^4)\\ W = 1 . 5,67 x 10^{-8} . 0,5[(400)^4-(300)^4]\\ W = 490 \: Watt\]
Post a Comment (0)