Contoh Soal Perpindahan Kalor Secara Konduksi Lengkap dengan Pembahasan Serta Konsep

Contoh Soal Perpindahan Kalor dan Pembahasan Lengkap

Pada kesempatan kali ini saya akan membahas contoh soal tentang perpindahan kalor secara konduksi. Di sini Anda akan belajar cara menghitung laju perpindahan kalor, menentukan suhu sambungan pada medium penghantar kalor yang memiliki panjang yang sama, dan konduktivitas termal dari penghantar tersebut. Baik Langsung saja kita mulai.

Konduksi panas atau konduksi termal adalah perpindahan energi berupa kalor pada suatu penghantar tanpa disertai dengan perpindahan materi dari penghantar tersebut. Contoh perpindahan kalor secara konduksi adalah ketika kita mengaduk segelas kopi panas, maka ujung sendok yang mula-mula tidak panas lama kelamaan akan panas. Peristiwa ini dikenal dengan proses perpindahan energi berupa kalor secara konduksi.

Laju perpindahan kalor secara konduksi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut

Energi yang ditransferkan secara induksi melalui dua logam penghantar yang memiliki suhu berbeda terjadi ketika kedua logam penghantar tersebut mengalami kontak termal. Pada saat kondisi Steady State, laju perpindahan energi melalui logam penghantar satu sama dengan laju perpindahan energi melalui logam penghantar kedua. Maka diperoleh

Keterangan:

H adalah Laju perpindahan kalor (J/s atau Watt)

Q adalah kalor (J atau Kal)

t adalah waktu (sekon)

k adalah konduktivitas termal (W/mK)

A adalah luas penampang (m^2)

∆T adalah perubahan suhu (°C atau K)

L adalah panjang logam penghantar (m)

1. Contoh Soal Perpindahan Kalor dan Pembahasan Lengkap

Sebuah Ruangan ber-AC memiliki kaca jendela yang luasnya adalah 1,5 m x 1,0 m dan tebalnya 2,5 mm. Suhu di dalam ruangan adalah 20 °C dan suhu di luar ruangan 32 °C. Hitunglah laju perpindahan kalor melalui kaca jika konduktivitas termal kaca 0,8 W/mK?

Jawab:

Langkah 1 : Gambarkan sistem untuk mengilustrasikan perpindahan kalor pada dua logam penghantar di atas. Ingat kalor berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah.

Langkah 2 : Tuliskan apa saja yang diketahui dan yang ditanyakan

Diketahui:

A = 1,5 m x 1,0 m = 1,5 m^2

d = 2,5 mm = 2,5 . 10^-3 m

T1 = 20 °C

T2 = 32 °C

∆T = Suhu Tinggi – Suhu Rendah ; Karena T2 lebih tinggi dari pada T1, maka : ∆T = T2 – T1

k = 0,8 W/mK

Ditanya : Hitunglah laju perpindahan kalor melalui kaca?

Langkah 3 : Gunakan Konsep atau rumus yang sesuai

Karena proses perpindahan kalor yang terjadi tanpa disertai dengan perpindahan materi kaca maka kita gunakan rumus perpindahan kalor secara konduksi.

Langkah Terakhir substitusikan nilai yang diketahui, maka diperoleh

Jadi, laju perpindahan kalor melalui kaca jika konduktivitas termal kaca 0,8 W/mK adalah 5,76 . 10^3 J/s

2. Contoh Soal Perpindahan Kalor dan Pembahasan Lengkap

Es bersuhu 0 °C dan memiliki massa 5 Kg diletakkan di atas sebuah batu berbentuk pelat dengan luas penampang 0,4 m^2 dan tebal 20 cm. Kemudian batu tersebut diletakkan di atas uap air bersuhu 120 0 °C. Jika dibutuhkan waktu 30 menit untuk Es tersebut mencair, maka tentukan konduktivitas termal batu tersebut? Diketahui kalor lebur es adalah 334400 J/kg.

Jawab :

Langkah 1 : Gambarkan sistem untuk mengilustrasikan perpindahan kalor pada pelat batu. Ingat kalor berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah.

Langkah 2 : Tuliskan apa saja yang diketahui dan yang ditanyakan

Diketahui:

A = 0,4 m^2

d = 20 cm = 0,2 m

T1 = 120 °C

T2 = 0 °C

t = 30 menit = 1800 s

M(es) = 5 Kg

L(es) = 334400 J/kg

Ditanya : Hitunglah konduktivitas termal batu tersebut ?

Langkah 3 : Gunakan Konsep atau rumus yang sesuai

Terlebih dahulu kita menghitung besarnya kalor yang diterima oleh Es dalam 30 menit untuk melebur

Jadi kalor yang diterima oleh Es untuk melebur dalam waktu 30 menit adalah 1,672 . 10^6 J. Karena 30 menit = 1800 detik, Artinya dalam 1 detik kalor yang diterima es adalah

Sehingga diperoleh laju kalor yang diterima oleh Es adalah 928,89 J/s. Laju kalor ini merupakan laju kalor yang dihantarkan oleh batu.

Karena proses perpindahan kalor yang terjadi tanpa disertai dengan perpindahan materi batu maka kita gunakan rumus perpindahan kalor secara konduksi.

Ingat : ∆T = Suhu Tinggi – Suhu Rendah ; Karena T1 lebih tinggi dari pada T2, maka : ∆T = T1 – T2

Langkah Terakhir substitusikan nilai yang diketahui, maka diperoleh

Jadi, konduktivitas termal batu tersebut adalah 3,87 J/ms°C.

3. Contoh Soal Dan Pembahasan Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada Logam

Dua batang penghantar mempunyai panjang dan luas yang sama di disambungkan menjadi satu seperti pada gambar di bawah ini. Diketahui koefisien termal batang penghantar kedua adalah 2 kali koefisien konduksi termal batang pertama.

Kemudian pada ujung batang pertama dipanaskan sehingga suhu pada batang pertama adalah 150 °C dan suhu pada batang kedua adalah 30 °C, maka tentukanlah suhu pada sambungan kedua batang penghantar?

Jawab :

Langka 1 : Gambarkan sistem untuk mengilustrasikan perpindahan kalor pada dua logam penghantar di atas

Penjelasan ∆T

Karena suhu T1 > Ts artinya T1 suhunya lebih tinggi dari pada Ts; maka ∆T1 = T1 – Ts
Suhu Ts > T2 artinya Ts suhunya lebih tinggi dari pada T2; maka ∆T1 = Ts – T2

Langkah 2 : Tuliskan apa saja yang diketahui dan yang ditanyakan

Diketahui:

L1 = L2 (Panjangnya sama)

A1 = A2 (Luasnya sama)

k2 = 2 k1

T1 = 150 °C

T2 = 30 °C

Ditanya : tentukanlah suhu pada sambungan pada kedua batang penghantar?

Langkah 3 : Gunakan Konsep dan Rumus yang sesuai

Rumus Perpindahan Kalor Secara Konduksi pada dua batang logam

Karena perpindahan kalor melalui penghantar tanpa disertai dengan perpindahan materi, maka proses perpindahan kalor ini merupakan peristiwa konduksi. Besarnya laju perpindahan kalor dapat dihitung menggunakan rumus.

Langkah terakhir : Substitusikan nilai yang diketahui

A1 = A2 ; L1 = L2 dan k2 = 2 k1 maka kita dapat mencoret nilai yang sama pada kedua ruas

Jadi, suhu pada sambungan kedua batang penghantar adalah 70 °C

4. Contoh Soal Dan Pembahasan Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada Logam

Tiga batang konduktor P, Q dan R dari jenis berbeda dan memiliki panjang dan luas penampang yang sama disambungkan seperti pada gambar berikut:

Jika suhu T1 = 30 °C dan T4 = 120 °C koefisien konduksi kp = 2 kq = 3 kr, maka suhu T2 dan T3 adalah

Jawab :

Langkah 1 : Gambarkan sistem untuk mengilustrasikan perpindahan kalor pada dua logam penghantar di atas. Ingat kalor berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah.

Perhatikan Konduktor P dan Q

Karena suhu T1 < T2 artinya T2 suhunya lebih tinggi dari pada T1; maka ∆T12 = T2 – T1
Suhu T2 < T3 artinya T3 suhunya lebih tinggi dari pada T2; maka ∆T23 = T3 – T2

Perhatikan Konduktor Q dan R

Karena Suhu T2 < T3 artinya T3 suhunya lebih tinggi dari pada T2; maka ∆T23 = T3 – T2
Suhu T3 < T4 artinya T4 suhunya lebih tinggi dari pada T3; maka ∆T34 = T4 – T3

Langkah 2 : Tuliskan apa saja yang diketahui dan yang ditanyakan

Diketahui:

Lp = Lq = Lr (Panjangnya sama)

Ap = Aq = Ar (Luasnya sama)

kp = 2 kq = 3 kr

2 kq = 3 kr maka kq = 3/2 kr = 1,5 kr

T1 = 30 °C

T4 = 120 °C

Ditanya : tentukanlah suhu sambungan pada T2 dan T3?

Langkah 3 : Gunakan Konsep dan Rumus yang sesuai

Rumus Perpindahan Kalor Secara Konduksi pada dua batang logam

#Amati Konduktor P dan Q

Substitusikan nilai yang diketahui

Ap = Aq ; Lp = Lq dan kp = 2 kq maka kita dapat mencoret nilai yang sama pada kedua ruas

#Amati Konduktor Q dan R

Substitusikan nilai yang diketahui

Aq = Ar ; Lq = Lr dan kq = 1,5 kr ; maka kita dapat mencoret nilai yang sama pada kedua ruas

Langkah 4 : Eliminasi T2 pada persamaan 1 dan 2

Kurangi persamaan 1 dengan persamaan 2 maka diperoleh

Langkah Terakhir : Substitusi nilai T2 ke persamaan (1)

Jadi, diperoleh suhu sambungan T2 = 75 °C dan T3 = 165 °C, terlihat bahwa T2 < T3 hal ini sesuai dengan ilustrasi di atas dan sifat kalor yang mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah.

Untuk Soal Selanjutnya Klik Next

Selamat Belajar

Itulah artikel tentang Contoh Soal Perpindahan Kalor Lengkap dengan Pembahasan Serta Konsep. semoga artikel ini bisa bermanfaat untuk kita semua. terimakasih telah berkunjung, jika Anda suka dengan artikel ini silahkan klik like dan share artikel ini bila perlu. Jika Anda tidak ingin ketinggalan updatetan artikel terbaru silahkan Follow blog ini dan selamat belajar.