[10+] Soal dan Pembahasan mekanika kalor

sumber gambar [pixabay]

Materi mekanika kalor merupakan salah satu materi penting dalam fisika. Mekanika kalor biasanya dipelajari sewaktu SMA jika jurusannya IPA. Selain itu, mekanika kalor juga dipelajari lagi oleh beberapa jurusan Teknik di perguruan tinggi. Termasuk perguruan tinggi yang sedang saya tempuh. Berikut ini adalah soal-soal mekanika kalor beserta jawabannya.

1. Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 [kg] air dari 20 [C ]sampai 80 [C ]?   kalor jenis air = 4180 [J/kg C]

Diketahui :
m = 10 [kg]
T_1 = 20 [C ]
T_2 = 80 [C ]
c = 4180 [J/kg C]

Ditanya : Q = …?
Jawab :
Q = m×c×∆T
Q = m×cπ(T_2 – T_1)
Q = 10×4180×(80-20)
= 2508000 [J]

2. Berapa tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 10 [kg] es batu menjadi air ?     Jika kalor lebur es– LF es = 334 [kJ/kg]

Diketahui :
m = 10 [kg]
L_es = 334 [kJ/kg]

Ditanya : Q = …?
Jawab :
Q = m×L_es
= 10×334
= 3340 [kJ]

3. Berapa lama listrik 4[kw] bisa memanaskan air 80[kg] naik dari 15[C] menjadi 35[C]     jika kalor jenis  air = 4200 [J/kg K]?

Diketahui :
P = 4 [kW] = 4000 [W]
m = 80 [kg]
T_1 = 15 [C]
T_2 = 35 [C]
c = 4200 [J/kg K]

Ditanya : t = …?
Jawab :
W = Q

P = W/t
P = Q/t
P = (m×c×∆T)/t
P = (m×c×(T_2 – T_1)/t
4000 = (80×4200×(35-15)/t
t = 1680 [s]

baca juga : Soal-soal mekanika fluida beserta pembahasannya

4. Sebuah kalorimeter yang kapasitas kalornya 200[J/C] berisi 200 [gram] air yang suhunya 20 [C]. kedalam kalorimeter itu dituangkan 150 [gram] air dari 100 [C]. Hitung suhu akhir campuran nya!

4.) Diketahui :
C = 200[J/C]
m_air = 200 [gram] = 0,2 [kg]
m_air = 200 [gram] = 0,2 [kg]
c_air = 4180 [J/kg C]
T_k = 20 [C]
T_1 = 20 [C]
T_2 = 100 [C]

Ditanya : T_akhir = Ta = …?
Jawab :
C_k = m_k×c

Menggunakan Asas Black

Q_diterima = Q_lepas
m_k×c×∆T + m_air×c×∆T = m_air×c×∆T
C×∆T + m_air×c×∆T = m_air×c×∆T
200×(Ta-20) + 0,2×4180×(Ta-20) = 0,15×4180×(100-Ta)
1036 (Ta-20) = 627 (100-Ta)
1036 Ta – 20720 = 62700 – 627 Ta
1663 Ta = 83420
Ta = 50,162 [C]

5. Panas sebesar 12 [kJ] diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 [gram] yang memiliki suhu 30 [C]. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 [kal/gram.C], tentukan suhu akhir logam!

Diketahui :
P = 12 [kJ] = 12000 [J]
m = 2500 [gram] = 2,5 [kg]
T_1 = 30 [C]
c = 0,2 [kal/gram.C]= 840 [J/kg C]

Ditanya : T_2 = …?
Jawab :
Q = m×c×(T_2 – T_1)
12000 = 2,5×840×(T_2 – 30)
T_2 – 30 = 12000/(2,5×840)
T_2 = 5,71 + 30
T_2 = 35,71 [C]

6. Sepotong aluminium ( C = 0,21 kal/gram.C) dengan massa 20 gram bersuhu 90 [C ] dijatuhkan pada balok es besar bersuhu 0[C]. Berapakah es dapat dilebur oleh potongan aluminium itu?

Diketahui :
c = 0,21 [kal/gram.C] = 882 [J/kg C]
m = 20 [gram] = 0,02 [kg]
T_1 = 90 [C]
T_2 = 0 [C]
L_es = 334 [kJ/kg] = 334000

Ditanya : m_es = …?
Jawab :
Menggunakan asas black
 Q_1 = Q_2
m×c×∆T = m×L_es
0,02×882×90 = m×334
m = (0,02×882×90)/334000
m = 0,00475 [kg] = 4,75 [gram]

7. Sebuah mesin uap direncanakan akan menggunakan uap bertemperatur 200 [C] dengan efisiensi 20 % carilah temperature maksimum uap tersebut.

Diketahui :
TH = 200 [C] = 473 [K]
η = 20%

Ditanya : Tmaksimum uap = …?
Jawab :
η = (TH-TL)/TH
20/100 = (473 – TL)/473
TL = 473 – (473×20)100
TL = 378,4 [K]
TL = 105 [C]

8. Sebuah mesin diesel 1800 [kW] memerlukan 725 liter bahan bakar per jam. Jika panas pembakaran diesel itu adalah 2,79.107 [J/l], tentukan efisiensi diesel tersebut !

Diketahui :
P_input = 1800 [kW] = 1800000 [W]
V/∆t = 725 [L/jam] = 0,2 [L/s]
Q/V = 2,79×10^7 [J/l]

Ditanya : η = …?
Jawab :
η = P_input/P_output
= P_input/( (Q/V)× (V/∆t))
= 1800000/(2,79×10^7×0,2)
= 0,322
η = 0,322 × 100% = 32,2 %

baca juga : materi lengkap GLB dan GLBB kelas 10 SMA

9. Uap air masuk kedalam turbin 75000 [kW] dengan kecepatan 800 [m/s] dan keluar dengan kecepatan 100 [m/s]. Kalau diasumsikan bahwa efisiensi mekanik turbin itu sempurna, berapa banyak air yang masuk kedalam turbin setiap menit ?

Diketahui :
W = 75000 [kW] = 75000000 [W]
v_input = 800 [m/s]
v_output = 100 [m/s]
η = 1

Ditanya : m_air = …?
Jawab :
η = W/Q
W = Q
W = ∆Ek
= ½ m × (v_input)^2 – ½ m× (v_output)^2
W = ½ m× ((v_input)^2 – (v_output)^2)
75000000 = ½ m ((800)^2 – (100)^2)
75000000 = ½ m (640000 – 10000)
m = 238,09 [kg]
m_tiap menit = 238,09×60 = 1,4×10^4 [kg]

10. Suatu stasiun pembangkit listrik 1 [MW] mempunyai efisiensi total sebesar 40%, berapa banyak bahan bakar minyak dengan panas pembakaran 4,6.107 [J/kg] digunakan setiap harinya untuk pembangkit tersebut ?

Diketahui :
P_input = 1 [MW] = 1000000 [W]
η  = 40%
Q/m = 4,6.107 [J/kg]
t = 60×60×24= 86400 [s]

Ditanya : m_bahanbakar = …?
Jawab :
η = W/Q
η = P×t/((Q/m) ×m)
40% = 1000000×86400/((4,6.107) ×m)
m = 1000000×86400/((4,6.107) ×40%)
m = 4,695×10^3 [kg]

Demikian adalah soal-soal mekanika kalor beserta jawabannya. Jika ada yg ingin ditanyakan silakan teman-teman bisa sampaikan pada kolom komentar. Terima kasih!