Perpindahan Kalor Secara Konduksi : Materi, Contoh Soal dan Pembahasannya

Perpindahan Kalor Secara Konduksi : Materi, Contoh Soal dan Pembahasannya – Pengunjung fokusfisika.com, pada laman ini akan dijelaskan materi tentang perpindahan kalor secara konduksi beserta contoh soal dan pembahasannya. Semoga dapat memudahkan anda dalam belajar untuk menghadapi ulangan harian, ujian tengah semester, ujian akhir sekolah, ujian kenaikan kelas, ujian nasional maupun ujian masuk perguruan tinggi negeri. Selamat belajar.

Perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada zat padat tanpa disertai perpindahan molekul. Besar kalor yang merambat tiap satuan waktu dinyatakan sebagai persamaan berikut :

\begin{aligned}
\frac{Q}{t} &= k\frac{A}{l}\Delta T
\end{aligned}

Dengan :
\(\frac{Q}{t} \) = kalor tiap satuan waktu (J/s)
k = koefisien konduksi (J/m.s.^oC)
A = luas permukaan (m²)
l = panjang kawat (m)
ΔT = perubahan suhu (^oC)

Contoh Soal 1 :
Dua batang logam A dan B dengan ukuran yang sama, tetapi jenis logam berbeda disambungkan seperti gambar berikut.

Jika koefisien konduksi termal A adalah 2 kali koefisien konduksi termal B, suhu pada sambungan A dan B adalah ….
A. 75^oC
B. 60^oC
C. 55^oC
D. 50^oC
E. 40^oC
 
Pembahasan :

\begin{aligned}
(\frac{Q}{t})_A &= (\frac{Q}{t})_B \\
k_A\frac{A_A}{l_A}\Delta T_A &= k_B\frac{A_B}{l_B}\Delta T_B \\
2k_B(75-T_a) &= k_B(T_a – 0) \\
2(75 – T_a) &= (T_a – 0) \\
150 – 2T_a &= T_a \\
3T_a &= 150 \\
T_a &= 50 \quad ^o\textrm{C}
\end{aligned}

Jawaban : D

Contoh Soal 2 :
Dua batang logam sejenis A dan B. Perbandingan luas penampang A dan B = 2 : 1, sedangkan panjangnya = 4 : 3. Jika perbedaan suhu ujung-ujung kedua batang sama, rambatan kalor tiap satuan waktu pada A dan B adalah ….
A. 1 : 1
B. 2 : 3
C. 3 : 2
D. 3 : 8
E. 8 : 3

Pembahasan :

\begin{aligned}
\Delta T_A &= \Delta T_B \\
(\frac{Q}{t})_A (\frac{l_A}{kA_A}) &= (\frac{Q}{t})_B (\frac{l_B}{kA_B}) \\
(\frac{Q}{t})_A (\frac{4}{2}) &= (\frac{Q}{t})_B (\frac{3}{1}) \\
\frac{(\frac{Q}{t})_A)}{(\frac{Q}{t})_B} &=\frac{(\frac{3}{1})}{(\frac{4}{2})} \\
\frac{(\frac{Q}{t})_A)}{(\frac{Q}{t})_B} &= \frac{3}{1}\times \frac{2}{4} \\
&= \frac{6}{4} \\
&= \frac{3}{2}
\end{aligned}

Jawaban : C
 
Contoh Soal 3 :
Dua batang logam yang sama ukurannya, tetapi terbuat dari bahan yang berbeda disambungkan seperti gambar berikut.

Jika konduktivitas termal logam A = 4 kali konduktivitas logam B, suhu pada sambungan kedua logam tersebut adalah ….
A. 45^oC
B. 40^oC
C. 35^oC
D. 30^oC
E. 25^oC

Pembahasan :

\begin{aligned}
(\frac{Q}{t})_A &= (\frac{Q}{t})_B \\
k_A\frac{A_A}{l_A}\Delta T_A &= k_B\frac{A_B}{l_B}\Delta T_B \\
4k_B(50-T_a) &= k_B(T_a – 0) \\
4(50 – T_a) &= (T_a – 0) \\
200 – 4T_a &= T_a \\
5T_a &= 200 \\
T_a &= 40 \quad ^o\textrm{C}
\end{aligned}

Jawaban : B

Contoh Soal : 4
Faktor-faktor yang tidak memengaruhi laju perpindahan kalor secara konduksi pada sebuah logam adalah ….
A. panjang penghantar
B. luas penampang
C. emisivitas
D. perbedaan suhu
E. konduktivitas termal

Pembahasaan :
Emisivitas tidak mempengaruhi laju perpindahan kalor secara konduksi.

Jawaban : C

Contoh Soal : 5
Tiga batang logam yang berbeda jenisnya dilas menjadi bentuk seperti gambar di bawah ini.

Ujung bebas batang pertama bersuhu 100^oC, sedangkan dua ujung lainnya bersuhu 20^oC dan 0 ^oC. Ketiga batang memiliki panjang dan luas penampang sama sedangkan konduktivitas termal batang pertama, kedua, dan ketiga berturut-turut k₁, k₂, dan k₃. Jika hubungan antara ketiganya adalah k₁ = 2k₂ = 3k₃, maka suhu sambungan ketiga batang tersebut adalah ….
A. 10^oC
B. 20^oC
C. 40^oC
D. 60^oC
E. 80^oC

Pembahasan :

Perhatikan gambar perambatan kalor berikut :

Berdasarkan gambar di atas maka :

\begin{aligned}
(\frac{Q}{t})_1 &= (\frac{Q}{t})_2 + (\frac{Q}{t})_3 \\
k_1\frac{A_1}{l_1}\Delta T_1 &= k_2\frac{A_2}{l_2}\Delta T_2 + k_3\frac{A_3}{l_3}\Delta T_3 \\
3k_3(100 – T_s) &= \frac{3}{2}k_3(T_s – 20) + k_3(T_s – 0) \\
300 – 3T_s &= \frac{3}{2}T_s – 30 + T_s \\
300 + 30 &= \frac{3}{2}T_s + T_s + 3T_s \\
330 &= \frac{3}{2}T_s + \frac{2}{2}T_s + \frac{6}{2}T_s \\
330 &= \frac{11}{2}T_s \\
T_s &= \frac{2}{11}\cdot 330 \\
T_s &= 60 \quad ^o\textrm{C}
\end{aligned}

Jawaban : D