Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut.
“Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah”.
Tentunya kalian tahu bahwa kalor adalah energi yang dipindahkan dari benda yang memiliki temperatur tinggi ke benda yang memiliki temperatur lebih rendah sehingga pengukuran kalor selalu berhubungan dengan perpindahan energi.
Energi adalah kekal sehingga benda yang memiliki temperatur lebih tinggi akan melepaskan energi sebesar QL dan benda yang memiliki temperatur lebih rendah akan menerima energi sebesar QT dengan besar yang sama.
Secara matematis, pernyataan tersebut dapat ditulis sebagai berikut.
QLepas = QTerima ………. Pers. (1) |
Keterangan:
QLepas = jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat (Joule)
QTerima = jumlah kalor yang diterima oleh zat (Joule)
Besarnya kalor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Q = mc∆T. Ketika menggunakan persamaan ini, perlu diingat bahwa temperatur naik berarti zat menerima kalor, dan temperatur turun berarti zat melepaskan kalor.
Dengan menggunakan persamaan (2), maka persamaan (1) dapat dijabarkan secara lebih spesifik sebagai berikut.
QLepas = QTerima
m1c1∆T1 = m2c2∆T2 ..… Pers. (3)
dengan ∆T1 = T – Takhir dan ∆T2 = Takhir – T maka kita mendapatkan persamaan berikut.
m1c1(T1 – Tc) = m2c2(Tc – T2) ….. Pers. (4) |
Keterangan:
m1 = massa benda 1 yang suhunya tinggi (kg)
m2 = massa benda 2 yang suhunya rendah (kg)
c1 = kalor jenis benda 1 (J/kgoC)
c2 = kalor jenis benda 2 (J/kgoC)
T1 = suhu mula-mula benda 1 (oC atau K)
T2 = suhu mula-mula benda 2 (oC atau K)
Tc = suhu akhir atau suhu campuran (oC atau K)
Contoh Soal Asas Black dan Jawabannya
1. Sebanyak 300 gram air dipanaskan dari 30oC menjadi 50oC. Jika massa jenis air adalah 1 kal/goC atau 4.200 J/kgK, tentukan:
a. banyaknya kalor yang diterima air tersebut (dalam kalori)
b. banyaknya kalor yang diterima air tersebut (dalam joule)
Penyelesaian:
Diketahui:
Diketahui:
m = 300 g
c = 1 kal/goC
∆T = 50oC – 30oC = 20oC
Ditanyakan: Q dalam kalori dan joule
Jawab:
a. Banyaknya kalor yang diterima air dihitung dengan menggunakan rumus atau persamaan berikut ini.
Q = mc∆T
Q = (300 g)(1 kal/goC)(20oC)
Q = 6.000 kal
Jadi, banyaknya kalor yang diterima air tersebut adalah 6.000 kalor.
b. Dari kesetaraan kalori dan joule diketahui bahwa:
1 kalori = 4,2 joule sehingga:
Q = 6.000 × 4,2 joule = 25.200 joule.
2. Air sebanyak 0,5 kg yang bersuhu 100oC dituangkan ke dalam bejana dari aluminium yang memiliki massa 0,5 kg. Jika suhu awal bejana sebesar 25oC, kalor jenis aluminium 900 J/kgoC, dan kalor jenis air 4.200 J/kgoC, maka tentukan suhu kesetimbangan yang tercapai! (anggap tidak ada kalor yang mengalir ke lingkungan)
Penyelesaian:
Diketahui:
mbjn = 0,5 kg
mair = 0,5 kg
Tair = 100oC
Tbjn = 25oC
cair = 4.200 J/kgoC
cbjn = 900 J/kgoC
Ditanyakan: Takhir/Ttermal = … ?
Jawab:
QLepas = QTerima
mair × cair × ∆Tair = mbjn × cbjn × ∆Tbjn
mair × cair × (Tair – Ttermal) = mbjn × cbjn × (Ttermal – Tbjn)
0,5 × 4.200 × (100 – Ttermal) = 0,5 × 900 × (Ttermal – 25)
2.100 × (100 – Ttermal) = 450 × (Ttermal – 25)
210.000 – 2.100Ttermal = 450Ttermal – 11.250
450Ttermal + 2.100Ttermal = 210.000 + 11.250
2.550Ttermal = 221.250
Ttermal = 221.250/2.550
Ttermal = 86,76oC
Jadi, suhu kesetimbangannya adalah 86,76oC.
3. Jika teh 200 cm3 pada suhu 95oC dituangkan ke dalam cangkir gelas 150 g pada suhu 25oC, berapa suhu akhir (T) dari campuran ketika dicapai kesetimbangan, dengan menganggap tidak ada kalor yang mengalir ke sekitarnya? (kalor jenis cangkir gelas adalah 840 J/kgoC)
Penyelesaian:
Diketahui:
teh sebagian besar berupa air, maka kalor jenisnya adalah kalor jenis air.
cteh = cair = 4.200 J/kgoC
Vteh = 200 cm3 = 200 × 10-6 m3
mteh = ρteh × Vteh
mteh = ρair × Vteh
mteh = (1,0 × 103 kg/m3)(200 × 10-6 m3)
mteh = 200 × 10-3 kg = 0,2 kg
mgls = 150 g = 0,15 kg
cgls = 840 J/kgoC
Tteh = 95oC
Tgls = 25oC
Ditanyakan: T akhir (Tc) = …?
Jawab:
Dengan menerapkan Hukum Kekekalan Energi Kalor, maka:
Kalor yang hilang dari teh = kalor yang diterima canggir gelas
QLepas = QTerima
mteh × cteh × ∆Tteh = mgls × cgls × ∆Tgls
mteh × cteh × (Tteh – Tc) = mgls × cgls × (Tc – Tgls)
0,2 × 4.200 × (95 – Tc) = 0,15 × 840 × (Tc – 25)
840 × (95 – Tc) = 126 × (Tc – 25)
79.800 – 840Tc = 126Tc – 3.150
126Tc + 840Tc = 79.800 + 3.150
966Tc = 82.950
Tc = 82.950/966
Tc = 85,87oC
Jadi, suhu kesetimbangan atau suhu akhir the dengan cangkir adalah 85,86oC.
4. Dalam gelas berisi 200 cc air 40oC kemudian dimasukkan 40 gram es 0oC. Jika kapasitas kalor gelas 20 kal/oC dan kalor lebur es adalah 80 kal/g, maka berapakah suhu seimbangnya?
Penyelesaian:
Diketahui:
Tair = 40oC
Vair = 200 cc = 200 cm3
mair = ρair × Vair
mair = (1 g/cm3)(200 cm3)
mair = 200 g
Cgelas = 20 kal/oC
Tgelas = Tair
Tes = 0oC
mes= 40 g
Les = 80 kal/g
cair = 1 kal/goC
Ditanyakan: suhu akhir (TA)= …?
Jawab:
Dari massa dan suhu air dibandingkan dengan massa dan suhu es dapat diprediksi bahwa suhu akhir campuran akan melebihi 0oC, sehingga dapat digambarkan grafik Q-T seperti pada gambar di bawah ini.
Pada proses tersebut, berlaku azas Black sebagai berikut.
Q1 + Q2 = Q3 + Q4
≫ (mes × Les) + (mes × cair × ∆Tes) = (Cgelas × ∆Tair) + (mair × cair × ∆Tair)
(mes × Les) + [mes × cair × (TA – Tes)] = [Cgelas × (Tair – TA)] + [mair × cair × (Tair – TA)]
≫ (40 × 80) + [40 × 1 × (TA – 0)] = [20 × (40 – TA)] + [200 × 1× (40 – TA)]
≫ 3200 + 40TA = 20(40 – TA) + 200(40 – TA)
≫ 320 + 4TA = 2(40 – TA) + 20(40 – TA)
≫ 320 + 4TA = 80 – 2TA + 800 – 20TA
≫ 4TA + 2TA + 20TA = 80 + 800 – 320
≫ 26TA = 560
≫ TA = 560/26
≫ TA = 21,54
Jadi, suhu seimbangnya adalah 21,54oC.
5. Botol termos berisi 230 gram kopi pada suhu 80oC. Kemudian ditambahkan susu sebanyak 20 gram bersuhu 5oC. Jika tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos dan kalor jenis kopi = susu = air = 1,00 kal/goC, maka berapakah suhu keseimbangan campuran?
Penyelesaian:
Diketahui:
TK = 80oC
mK = 250 g
TS = 5oC
mS = 20 g
c = 1 kal/goC
Ditanyakan: suhu akhir (TA)= …?
Jawab:
Untuk mempermudah perhitungan dapat digambar grafik hubungan Q-T seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Dari grafik terlihat bahwa kopi akan melepas kalor (QLepas) dan susu akan menyerap kalor (QTerima). Besarnya memenuhi Asas Black sebagai berikut.
QTerima = QLepas
QS = QK
≫ mS × cS × ∆TS = mK × cK × ∆TK
≫ mS × cS × (TA – TS) = mK × cK × (TK – TA)
≫ 20 × 1 × (TA – 5) = 230 × 1 × (80 – TA)
≫ 20(TA – 5) = 230(80 – TA)
≫ 2(TA – 5) = 23(80 – TA)
≫ 2TA – 10 = 1840 – 23TA
≫ 2TA + 23TA = 1840 + 10
≫ 25TA = 1850
≫ TA = 1850/25
≫ TA = 74
Jadi, suhu keseimbangan atau suhu akhir campuran antara kopi dan susu tersebut adalah 74oC.
6. Sebuah kompor listrik yang dayanya 500 watt dan daya gunanya 40% digunakan untuk memanaskan 1 liter air yang suhu awalnya 20oC. Jika kalor jenis air adalah 4 J/goC, maka berapakah suhu air setelah ¼ jam?
Penyelesaian:
Diketahui:
P = 500 watt
Daya guna = 40%
mair = 1 liter = 1000 cm3 = 1000 g
cair = 4 J/goC
T0 = 20oC
t = ¼ jam = ¼ × 3600 s = 900 s
Ditanyakan: suhu akhir (TA) = …?
Jawab:
Pada pemanasan air dengan kompor listrik ini terjadi perubahan energi listrik menjadi kalor. Karena daya gunanya 40% maka dapat berlaku:
Kalor = energi
Q = 40%W
≫ mair × cair × ∆T = 0,4 × P × t
≫ mair × cair × (TA – T0) = 0,4 × P × t
≫ 1000 × 4 × (TA – 20) = 0,4 × 500 × 900
≫ 4000(TA – 20) = 180000
≫ 4(TA – 20) = 180
≫ 4TA – 80 = 180
≫ 4TA = 180 + 80
≫ 4TA = 260
≫ TA = 260/4
≫ TA = 64
Jadi, suhu akhir air setelah ¼ jam atau 900 detik adalah 65oC.
7. Sepotong aluminium bermassa 200 g dan bersuhu 20oC dimasukkan ke dalam 100 g air yang bersuhu 80oC. Dengan mengabaikan pertukaran kalor dengan lingkungan, hitung suhu akhir campuran jika kalor jenis aluminium 900 J/kgK dan kalor jenis air 4.200 J/kgK.
Penyelesaian:
Diketahui:
mAir = 100 g
TAir = 80oC
cAir = 4.200 J/kgK
mAl = 200 g
TAl = 20oC
cAl = 900 J/kgK
Ditanyakan: suhu akhir (TA) campuran = …?
Jawab:
QLepas = QTerima
≫ mAir × cAir × ∆TAir = mAl × cAl × ∆TAl
≫ mAir × cAir × (TAir – TA) = mAl × cAl × (TA – TAl)
≫ 100 × 4.200 × (80 – TA) = 200 × 900 × (TA – 20)
≫ 420.000(80 – TA) = 180.000(TA – 20)
≫ 42(80 – TA) = 18(TA – 20)
≫ 3.360 – 42TA = 18TA – 360
≫ 18TA + 42TA = 3.360 + 360
≫ 60TA = 3.720
≫ TA = 3.720/60
≫ TA = 62
Jadi, suhu akhir setelah terjadi kesetimbangan termal adalah 62oC.
8. Anis menyiapkan minuman es teh untuk pekerja di rumahnya dalam suatu wadah. Ia mencampur 0,5 kg es yang bersuhu 5oC dengan 1 kg air teh yang suhunya 20oC. Apabila pertukaran kalor hanya terjadi pada kedua benda, ces = 2.100 J/kgoC, dan cair = 4.200 J/kgoC, berapa suhu akhir minuman tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
mes = 0,5 kg
Tes = -5oC
ces = 2.100 J/kgoC
mair = 1 kg
Tair = 20oC
cair = 4.200 J/kgoC
Ditanyakan: suhu akhir campuran (Tc) = …?
Jawab:
Untuk mencari suhu campuran, gunakan persamaan berikut.
Qair = Qes
≫ mair × cair × ∆Tair = mes × ces× ∆Tes
≫ mair × cair × (Tair – Tc) = mes × ces× (Tc – Tes)
≫ 1 × 4.200 × (20 – Tc) = 0,5 × 2.100 × (Tc – (-5))
≫ 4.200(20 – Tc) = 1.050(Tc + 5)
≫ 420(20 – Tc) = 105(Tc + 5)
≫ 8.400 – 420Tc = 105Tc + 525
≫ 105Tc + 420Tc = 8.400 – 525
≫ 525Tc = 7.875
≫ Tc = 7.875/525
≫ Tc = 15
Jadi, suhu akhir minuman tersebut adalah 15oC.
9. Sebuah logam bermassa 0,2 kg dipanaskan sampai 200oC. Kemudian, logam itu dimasukkan pada 450 g air dengan suhu 25oC yang ditempatkan pada bejana kalorimetere aluminium 200 g. Ditemukan suhu akhir campuran adalah 40oC. Jika kalor jenis air 4.200 J/kgoC dan kalor jenis bahan kalorimeter 900 J/kgoC, hitunglah kalor jenis logam tersebut.
Penyelesaian:
Diketahui:
mlog = 0,2 kg
Tlog = 200oC
Tair = Tkal = 25oC
mair = 450 g = 0,45 kg
cair = 4.200 J/kgoC
mkal = 200 g = 0,2 kg
ckal = 900 J/kgoC
Tc = 40oC
Ditanyakan: kalor jenis logam (clog) = …?
Jawab:
Untuk mencari kalor jenis logam, kita gunakan persamaan berikut.
≫ clog | = | (maircair + mkalckal)(Tc – Tair) |
mlog(Tlog – Tc) |
≫ clog | = | (0,45 × 4.200 + 0,2 × 900)(40 – 25) |
0,2(200 – 40) |
≫ clog | = | (1.890 + 180)(15) |
0,2(160) |
≫ clog | = | (2070)(15) |
32 |
≫ clog | = | 31.050 |
32 |
≫ clog | = | 970,3125 |
Dengan demikian, kalor jenis logam tersebut adalah 970,31 J/kgoC.
10. Sebuah kalorimeter yang kapasitas kalornya 40 kal/oC berisi 200 gram air suhunya 20oC akan dipakai untuk menentukan kalor jenis kuningan. Ke dalam kalorimeter dimasukkan 100 gram kuningan yang bersuhu 80oC. Jika suhu akhir air 22oC dan kalor jenis air 1 kal/goC, berapakah kalor jenis kuningan?
Penyelesaian:
Diketahui:
Ckal = 40 kal/oC
ma = 200 gram
Ta = 20oC
mk = 100 gram
Tk = 80oC
Takhir = 22oC
ca = 1 kal/goC
∆Ta = Takhir − Ta = (22 – 20) = 2oC
∆Tk = Tk− Takhir = (80 – 22) = 58oC
∆Tka = ∆Ta = 2oC
Ditanyakan: kalor jenis kuningan (ck) = …?
Jawab:
Kalor yang dilepas oleh kuningan = kalor yang diterima oleh kalorimeter dan air.
Q1 = Q2
≫ mk × ck × ∆Tk = ma × ca × ∆Ta + Ckal × ∆Tka
≫ 100 × ck × 58 = (200 × 1 × 2) + (40 × 2)
≫ 5.800ck = 400 + 80
≫ 5.800ck = 480
≫ 580ck = 48
≫ ck = 48/580
≫ ck = 0,082
Jadi, kalor jenis kuningan tersebut adalah 0,082 kal/goC.
Artikel asli ada di Sumber: https://www.fisikabc.com/2018/06/contoh-soal-asas-black.html
EmoticonEmoticon