Uji Kompetensimu: Kumpulan Soal Fisika Hukum Joule Lengkap dengan Pembahasan

A. Pilihan Ganda

1. Pernyataan yang paling tepat mengenai Hukum Joule adalah…
   • Kalor yang dihasilkan berbanding lurus dengan kuat arus listrik dan berbanding terbalik dengan hambatan.
   • Kalor yang dihasilkan berbanding lurus dengan kuadrat kuat arus listrik, hambatan, dan waktu.
   • Kalor yang dihasilkan hanya bergantung pada kuat arus listrik dan hambatan.
   • Kalor yang dihasilkan berbanding terbalik dengan kuat arus listrik dan waktu.
   Jawaban: Kalor yang dihasilkan berbanding lurus dengan kuadrat kuat arus listrik, hambatan, dan waktu.
   Penjelasan: Hukum Joule menyatakan Q = I²Rt, yang berarti kalor (Q) berbanding lurus dengan kuadrat arus (I²), hambatan (R), dan waktu (t).
2. Satuan standar internasional untuk energi kalor yang dihasilkan oleh arus listrik berdasarkan Hukum Joule adalah…
   • Watt
   • Ampere
   • Ohm
   • Joule
   Jawaban: Joule
   Penjelasan: Dalam sistem satuan internasional (SI), energi, termasuk kalor, memiliki satuan Joule.
3. Manakah di antara rumus berikut yang merupakan bentuk matematis dasar dari Hukum Joule?
   • Q = VIt
   • Q = (V²/R)t
   • Q = I²Rt
   • Q = Pt
   Jawaban: Q = I²Rt
   Penjelasan: Rumus Q = I²Rt adalah bentuk umum dari Hukum Joule yang menyatakan hubungan antara kalor (Q), kuat arus (I), hambatan (R), dan waktu (t).
4. Menurut Hukum Joule, energi kalor yang dihasilkan oleh arus listrik pada suatu penghantar berbanding lurus dengan…
   • Kuat arus listrik
   • Hambatan listrik
   • Waktu aliran arus
   • Kuadrat kuat arus listrik
   Jawaban: Kuadrat kuat arus listrik
   Penjelasan: Menurut rumus Q = I²Rt, kalor (Q) berbanding lurus dengan kuadrat kuat arus listrik (I²).
5. Salah satu aplikasi Hukum Joule dalam kehidupan sehari-hari adalah pada peralatan…
   • Motor listrik
   • Lampu pijar
   • Bel listrik
   • Pemanas air listrik
   Jawaban: Pemanas air listrik
   Penjelasan: Pemanas air listrik, setrika, dan kompor listrik adalah contoh aplikasi yang memanfaatkan efek pemanasan dari Hukum Joule untuk menghasilkan panas yang diinginkan.
6. Jika kuat arus listrik yang mengalir melalui suatu penghantar diperbesar menjadi dua kali semula, sementara hambatan dan waktu tetap, maka kalor yang dihasilkan akan…
   • Kalor yang dihasilkan akan menjadi 2 kali semula.
   • Kalor yang dihasilkan akan menjadi 4 kali semula.
   • Kalor yang dihasilkan akan menjadi 1/2 kali semula.
   • Kalor yang dihasilkan tidak berubah.
   Jawaban: Kalor yang dihasilkan akan menjadi 4 kali semula.
   Penjelasan: Karena Q berbanding lurus dengan I² (Q = I²Rt), jika arus (I) digandakan menjadi 2I, maka Q akan menjadi (2I)²Rt = 4I²Rt, yaitu 4 kali semula.
7. Sebuah kawat penghantar dengan hambatan 5 Ohm dialiri arus listrik sebesar 2 Ampere selama 10 detik. Kalor yang dihasilkan adalah…
   • 100 Joule
   • 200 Joule
   • 400 Joule
   • 500 Joule
   Jawaban: 200 Joule
   Penjelasan: Menggunakan rumus Q = I²Rt, dengan I = 2 A, R = 5 Ohm, t = 10 s. Q = (2)² × 5 × 10 = 4 × 5 × 10 = 200 Joule.
8. Jika sebuah elemen pemanas menghasilkan kalor sebesar 2000 Joule saat dialiri arus 2 Ampere selama 25 detik, maka besar hambatan elemen pemanas tersebut adalah…
   • 5 Ohm
   • 10 Ohm
   • 20 Ohm
   • 25 Ohm
   Jawaban: 20 Ohm
   Penjelasan: Dari rumus Q = I²Rt, kita bisa mencari R = Q / (I²t). R = 2000 J / ((2 A)² × 25 s) = 2000 J / (4 A² × 25 s) = 2000 J / 100 A²s = 20 Ohm.
9. Apabila waktu aliran arus listrik diperpendek menjadi setengah dari waktu semula, sementara kuat arus dan hambatan tetap, maka kalor yang dihasilkan akan…
   • Kalor yang dihasilkan akan menjadi 2 kali semula.
   • Kalor yang dihasilkan akan menjadi 4 kali semula.
   • Kalor yang dihasilkan akan menjadi 1/2 kali semula.
   • Kalor yang dihasilkan tidak berubah.
   Jawaban: Kalor yang dihasilkan akan menjadi 1/2 kali semula.
   Penjelasan: Karena Q berbanding lurus dengan t (Q = I²Rt), jika waktu (t) dikurangi menjadi 1/2 t, maka Q akan menjadi I²R(1/2 t) = 1/2 I²Rt, yaitu 1/2 kali semula.
10. Agar suatu elemen pemanas dapat menghasilkan kalor yang besar, bahan elemen tersebut sebaiknya…
    • Memiliki hambatan yang rendah
    • Terbuat dari bahan isolator
    • Memiliki hambatan yang tinggi
    • Tidak dialiri arus listrik
    Jawaban: Memiliki hambatan yang tinggi
    Penjelasan: Elemen pemanas dirancang untuk menghasilkan banyak panas. Menurut Hukum Joule (Q = I²Rt), untuk memaksimalkan kalor, salah satu cara adalah dengan menggunakan bahan yang memiliki hambatan (R) tinggi.
11. Hukum Joule mendeskripsikan fenomena…
    • Konversi energi kinetik menjadi energi potensial.
    • Konversi energi listrik menjadi energi mekanik.
    • Konversi energi listrik menjadi energi kalor.
    • Konversi energi nuklir menjadi energi listrik.
    Jawaban: Konversi energi listrik menjadi energi kalor.
    Penjelasan: Hukum Joule secara fundamental menjelaskan proses di mana energi listrik diubah menjadi energi panas (kalor) saat arus mengalir melalui penghantar.
12. Jika diketahui tegangan (V), hambatan (R), dan waktu (t), rumus Hukum Joule yang setara adalah…
    • Q = VIt
    • Q = Pt
    • Q = (V²/R)t
    • Q = IRt
    Jawaban: Q = (V²/R)t
    Penjelasan: Dengan substitusi I = V/R dari Hukum Ohm ke rumus dasar Q = I²Rt, kita dapatkan Q = (V/R)²Rt = (V²/R²)Rt = (V²/R)t.
13. Penyebab utama timbulnya kalor pada penghantar yang dialiri arus listrik menurut Hukum Joule adalah…
    • Perubahan fase pada penghantar.
    • Aliran elektron yang bergerak bebas tanpa hambatan.
    • Interaksi magnetik antar molekul.
    • Aliran elektron yang bertumbukan dengan atom-atom penghantar.
    Jawaban: Aliran elektron yang bertumbukan dengan atom-atom penghantar.
    Penjelasan: Pemanasan Joule terjadi karena elektron yang bergerak (arus listrik) bertumbukan dengan atom-atom dalam kisi-kisi kristal penghantar, mengubah energi kinetik elektron menjadi energi termal (panas).
14. Sebuah elemen pemanas dialiri arus 2 Ampere pada tegangan 12 Volt selama 50 detik. Berapakah kalor yang dihasilkan?
    • 600 Joule
    • 800 Joule
    • 1200 Joule
    • 2400 Joule
    Jawaban: 1200 Joule
    Penjelasan: Pertama, hitung hambatan (R) dengan Hukum Ohm: R = V/I = 12 V / 2 A = 6 Ohm. Lalu, hitung kalor dengan Q = I²Rt = (2 A)² × 6 Ohm × 50 s = 4 × 6 × 50 = 1200 Joule.
15. Peran sekering dalam instalasi listrik rumah tangga sangat berkaitan dengan Hukum Joule, yaitu…
    • Untuk menyimpan energi listrik.
    • Untuk memperbesar hambatan total rangkaian.
    • Untuk memutus aliran listrik jika terjadi arus berlebihan.
    • Untuk mengubah arus AC menjadi DC.
    Jawaban: Untuk memutus aliran listrik jika terjadi arus berlebihan.
    Penjelasan: Sekering bekerja berdasarkan Hukum Joule. Ketika arus melewati batas aman, kalor yang dihasilkan kawat sekering akan sangat besar, menyebabkan kawat meleleh dan memutus rangkaian untuk mencegah kerusakan atau kebakaran.
16. Dua pemanas listrik, A dan B, dialiri arus yang sama dalam waktu yang sama. Jika hambatan pemanas B adalah dua kali hambatan pemanas A, maka perbandingan kalor yang dihasilkan adalah…
    • Kalor yang dihasilkan pemanas A dan B sama.
    • Kalor yang dihasilkan pemanas B adalah 2 kali lipat dari pemanas A.
    • Kalor yang dihasilkan pemanas A adalah 2 kali lipat dari pemanas B.
    • Kalor yang dihasilkan pemanas B adalah 4 kali lipat dari pemanas A.
    Jawaban: Kalor yang dihasilkan pemanas B adalah 2 kali lipat dari pemanas A.
    Penjelasan: Q = I²Rt. Untuk pemanas A: Q_A = I²R_A t. Untuk pemanas B: Q_B = I²R_B t. Jika R_B = 2R_A, maka Q_B = I²(2R_A)t = 2(I²R_A t) = 2 Q_A. Jadi, kalor pemanas B adalah 2 kali pemanas A.
17. Hukum Joule memiliki hubungan erat dengan konsep fisika lain, yaitu…
    • Energi potensial
    • Gaya magnetik
    • Induksi elektromagnetik
    • Daya listrik
    Jawaban: Daya listrik
    Penjelasan: Daya listrik (P) adalah laju produksi energi kalor per satuan waktu, P = Q/t. Dengan mensubstitusikan Q = I²Rt, kita dapatkan P = I²R. Jadi, Hukum Joule sangat terkait erat dengan konsep daya listrik.
18. Sebuah elemen pemanas bekerja pada tegangan 6 Volt dan dialiri arus 0,5 Ampere selama 140 detik. Berapa kalor yang dihasilkan elemen pemanas tersebut?
    • 140 Joule
    • 210 Joule
    • 420 Joule
    • 840 Joule
    Jawaban: 420 Joule
    Penjelasan: Q = VIt. Dengan V = 6 V, I = 0,5 A, t = 140 s. Q = 6 × 0,5 × 140 = 3 × 140 = 420 Joule.
19. Peralatan rumah tangga berikut ini yang tidak memanfaatkan Hukum Joule sebagai prinsip kerja utamanya adalah…
    • Pemanas air
    • Setrika listrik
    • Kompor listrik
    • Kipas angin
    Jawaban: Mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.
    Penjelasan: Kipas angin mengubah energi listrik menjadi energi gerak (mekanik) untuk memutar baling-baling, bukan menjadi panas sebagai tujuan utama, meskipun sedikit panas mungkin dihasilkan sebagai efek samping.
20. Sebuah elemen pemanas dengan hambatan 10 Ohm dialiri arus 2 Ampere selama 10 detik. Berapakah kalor yang dihasilkan dalam satuan kalori jika 1 Joule ≈ 0,24 kalori?
    • 100 kalori
    • 200 kalori
    • 400 kalori
    • 800 kalori
    Jawaban: 400 kalori
    Penjelasan: Q = I²Rt = (2 A)² × 10 Ohm × 10 s = 4 × 10 × 10 = 400 Joule. Karena 1 Joule = 0,24 kalori, maka 400 Joule = 400 × 0,24 kalori = 96 kalori. (Terdapat kesalahan pada opsi jawaban jika mengikuti konversi 1 J = 0.24 kal. Jika soal mengasumsikan 1 kalori = 1 Joule untuk tujuan penyederhanaan, maka 400 Joule = 400 kalori. Namun, secara fisika 1 kalori ≈ 4.184 Joule atau 1 Joule ≈ 0.24 kalori). Mengacu pada nilai 1 kalori = 4.184 Joule, maka 400 Joule / 4.184 J/kal = sekitar 95.6 kalori. Jika opsinya 400 kalori, kemungkinan ada asumsi sederhana 1J=1kal atau kesalahan dalam soal/opsi. Mengikuti opsi yang paling mendekati jika ada kesalahan dalam faktor konversi atau memang opsi yang dimaksud adalah 400 jika Joule diinterpretasikan langsung sebagai Kalori. Namun, dengan konversi standar, jawaban yang benar adalah 96 kalori. Mari kita asumsikan soal ingin menguji perhitungan dasar Joule, dan opsi yang ada mungkin untuk pengujian konversi yang tidak standar atau ada kesalahpahaman. Jika diasumsikan 1 kalori ≈ 4.184 J, maka 400 J = 95.6 kalori. Jika diasumsikan 1 kalori = 1 J, maka 400 J = 400 kalori. Melihat opsi, ‘400 kalori’ adalah nilai Joule yang sama, yang mengindikasikan kemungkinan soal ingin menguji langsung nilai Joule yang dihasilkan dan menyajikannya dalam ‘kalori’ tanpa konversi yang ketat. Jika menggunakan konversi standar 1 kalori = 4.184 J, tidak ada opsi yang tepat. Kita akan pilih opsi yang menyajikan nilai numerik yang sama dengan hasil Joule, mengindikasikan konversi sederhana atau kesalahan pada soal.

B. Isian Singkat

1. Tuliskan bunyi Hukum Joule secara lengkap.
   Jawaban: Bunyi Hukum Joule adalah: “Kalor (panas) yang dihasilkan oleh suatu penghantar berbanding lurus dengan kuadrat kuat arus listrik yang mengalir melalui penghantar, hambatan penghantar, dan waktu aliran arus listrik.”
2. Sebutkan 3 faktor utama yang mempengaruhi besarnya kalor yang dihasilkan menurut Hukum Joule.
   Jawaban: Tiga faktor yang mempengaruhi besarnya kalor yang dihasilkan menurut Hukum Joule adalah:
   1. Kuat arus listrik (I) yang mengalir melalui penghantar.
   2. Hambatan (R) penghantar.
   3. Waktu (t) aliran arus listrik.
3. Apa fungsi sekering dalam kaitannya dengan Hukum Joule?
   Jawaban: Fungsi sekering dalam kaitannya dengan Hukum Joule adalah sebagai perangkat pengaman yang secara otomatis memutus aliran listrik jika terjadi arus berlebihan (misalnya akibat hubungan pendek). Ketika arus terlalu besar, kalor yang dihasilkan pada kawat sekering (sesuai Q = I²Rt) akan meningkat drastis, menyebabkan kawat sekering meleleh dan memutuskan rangkaian, sehingga mencegah kerusakan pada peralatan atau bahaya kebakaran.
4. Jelaskan mengapa elemen pemanas pada setrika listrik biasanya terbuat dari bahan dengan hambatan besar.
   Jawaban: Elemen pemanas pada setrika listrik biasanya terbuat dari bahan dengan hambatan besar agar dapat menghasilkan kalor yang signifikan. Menurut Hukum Joule (Q = I²Rt), besarnya kalor yang dihasilkan berbanding lurus dengan hambatan (R). Dengan hambatan yang besar, elemen pemanas akan menghasilkan banyak panas bahkan dengan arus yang relatif stabil, sehingga setrika dapat mencapai suhu yang tinggi untuk merapikan pakaian.
5. Sebuah kawat penghantar memiliki hambatan 10 Ohm dialiri arus 2 Ampere selama 30 detik. Hitung kalor yang dihasilkan.
   Jawaban: Diketahui: R = 10 Ohm, I = 2 Ampere, t = 30 detik. Menggunakan rumus Hukum Joule: Q = I²Rt. Q = (2 A)² × 10 Ohm × 30 detik = 4 × 10 × 30 = 1200 Joule. Jadi, kalor yang dihasilkan adalah 1200 Joule.

C. Uraian

1. Turunkan rumus Hukum Joule Q = I²Rt dari definisi daya listrik dan Hukum Ohm. Jelaskan setiap langkahnya.
   Pembahasan:
   Hukum Joule menyatakan bahwa kalor (Q) yang dihasilkan oleh arus listrik yang mengalir melalui suatu penghantar berbanding lurus dengan kuadrat kuat arus listrik (I), hambatan (R) penghantar, dan waktu (t) aliran arus. Secara matematis, Q = I²Rt. Penurunannya adalah sebagai berikut: Daya listrik (P) didefinisikan sebagai laju transfer energi, P = W/t, di mana W adalah energi (kalor) dan t adalah waktu. Jadi, W = P × t. Dari Hukum Ohm, kita tahu V = IR. Dari definisi daya listrik, P = VI. Dengan mensubstitusikan V = IR ke dalam P = VI, kita mendapatkan P = (IR)I = I²R. Karena W = P × t dan W = Q (kalor yang dihasilkan), maka Q = I²R × t atau Q = I²Rt. Setiap langkah menunjukkan konversi energi listrik menjadi kalor berdasarkan besaran-besaran listrik yang terkait.
2. Sebuah pemanas air listrik dengan hambatan 20 Ohm digunakan untuk memanaskan 1 liter air (massa jenis air 1 kg/L) dari suhu 25°C menjadi 100°C. Jika pemanas dialiri arus 5 Ampere dan kalor jenis air 4200 J/kg°C, berapa waktu yang dibutuhkan untuk proses pemanasan tersebut?
   Pembahasan:
   Diketahui: R = 20 Ohm, Volume air = 1 liter = 1 kg (karena massa jenis air 1 kg/L), T₁ = 25°C, T₂ = 100°C, I = 5 Ampere, c_air = 4200 J/kg°C. Perubahan suhu (ΔT) = T₂ – T₁ = 100°C – 25°C = 75°C. Kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan air (Q_air) = m × c × ΔT = 1 kg × 4200 J/kg°C × 75°C = 315.000 Joule. Menurut Hukum Joule, kalor yang dihasilkan pemanas (Q_pemanas) = I²Rt. Kita asumsikan semua kalor dari pemanas diserap air, jadi Q_pemanas = Q_air. Maka, I²Rt = 315.000. (5 A)² × 20 Ohm × t = 315.000. 25 × 20 × t = 315.000. 500 × t = 315.000. t = 315.000 / 500 = 630 detik. Jadi, waktu yang dibutuhkan adalah 630 detik atau 10,5 menit.
3. Jelaskan prinsip kerja setrika listrik berdasarkan Hukum Joule. Mengapa pelat dasar setrika harus terbuat dari bahan konduktor panas yang baik, sementara elemen pemanasnya dari bahan berhambatan tinggi?
   Pembahasan:
   Prinsip kerja setrika listrik didasarkan pada Hukum Joule, di mana energi listrik diubah menjadi energi panas saat arus mengalir melalui elemen pemanas. Ketika setrika dihubungkan ke sumber listrik, arus listrik mengalir melalui kawat elemen pemanas yang terbuat dari bahan berhambatan tinggi (misalnya nikelin). Karena hambatan yang tinggi, elemen pemanas akan menghasilkan kalor dalam jumlah besar (Q = I²Rt). Kalor ini kemudian disalurkan ke pelat dasar setrika. Pelat dasar setrika harus terbuat dari bahan konduktor panas yang baik (misalnya aluminium atau baja tahan karat) agar kalor yang dihasilkan elemen pemanas dapat disalurkan secara efisien dan merata ke seluruh permukaan pelat. Hal ini memastikan pakaian dapat disetrika dengan cepat dan rapi. Elemen pemanas dibuat dari bahan berhambatan tinggi agar dengan arus yang relatif kecil pun dapat menghasilkan panas yang signifikan, sedangkan pelat dasar harus menghantarkan panas dengan baik untuk efisiensi transfer panas ke pakaian.
4. Bandingkan dan bedakan antara efek pemanasan oleh arus listrik pada kawat transmisi listrik dan elemen pemanas. Mengapa efek pemanasan pada kawat transmisi dianggap kerugian, sedangkan pada elemen pemanas diinginkan?
   Pembahasan:
   Efek pemanasan oleh arus listrik terjadi pada kedua kasus, baik pada kawat transmisi maupun elemen pemanas, sesuai dengan Hukum Joule (Q = I²Rt). Namun, tujuannya berbeda. Pada kawat transmisi listrik, efek pemanasan (disebut rugi-rugi daya atau rugi-rugi Joule) adalah hal yang tidak diinginkan karena menyebabkan sebagian energi listrik terbuang sebagai panas ke lingkungan. Ini mengurangi efisiensi transmisi energi listrik dan dapat menyebabkan kawat menjadi terlalu panas. Untuk meminimalkan kerugian ini, kawat transmisi biasanya dibuat dari bahan dengan hambatan rendah (misalnya tembaga) dan dialiri arus serendah mungkin (dengan menaikkan tegangan). Sebaliknya, pada elemen pemanas (seperti pada pemanas air, setrika), efek pemanasan ini justru diinginkan dan menjadi tujuan utama. Elemen pemanas dirancang khusus untuk menghasilkan kalor sebanyak-banyaknya. Oleh karena itu, elemen pemanas biasanya terbuat dari bahan dengan hambatan tinggi (misalnya paduan nikelin) dan dialiri arus yang cukup untuk mencapai suhu operasi yang diinginkan, sehingga dapat mengubah energi listrik menjadi panas secara efektif untuk tujuan pemanasan.
5. Bagaimana Hukum Joule diaplikasikan dalam sistem pengamanan listrik di rumah, seperti pada penggunaan MCB (Miniature Circuit Breaker) atau sekering? Jelaskan mekanismenya.
   Pembahasan:
   Hukum Joule sangat penting dalam sistem pengamanan listrik di rumah, terutama pada penggunaan MCB (Miniature Circuit Breaker) atau sekering. Keduanya berfungsi untuk melindungi instalasi listrik dan peralatan dari kerusakan akibat arus berlebihan (overcurrent) atau hubungan pendek (short circuit). Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut: MCB dan sekering dirancang dengan elemen penghantar yang memiliki titik lebur tertentu dan hambatan yang spesifik. Ketika arus listrik yang mengalir melebihi batas aman yang ditentukan, elemen ini akan menghasilkan kalor yang sangat besar menurut Hukum Joule (Q = I²Rt), karena Q berbanding lurus dengan kuadrat arus (I²). Peningkatan kalor yang cepat ini menyebabkan elemen penghantar pada sekering meleleh dan memutus rangkaian secara permanen (sekering putus), atau pada MCB, menyebabkan mekanisme bimetal melengkung atau elektromagnet menarik tuas, sehingga memutus rangkaian secara otomatis (MCB ‘trip’). Dengan memutus aliran listrik, MCB atau sekering mencegah kerusakan pada peralatan, kebakaran akibat panas berlebih, dan potensi bahaya listrik lainnya, sehingga menjaga keamanan instalasi listrik di rumah.

D. Menjodohkan