Pembelajaran I

SUHU DAN KALOR
 SUHU
Suhu merupakan suatu istilah yang dipakai untuk membedakan panas dinginnya suatu benda. Misalnya benda panas akan dikatakan mempunyai suhu tinggi dan benda dingin mempunyai suhu yang rendah.
Zat cair yang biasanya dipakai untuk mengisi termometer adalah air raksa. Suhu dapat diukur dengan termometer. Kebaikan air raksa dari zat cair lainnya yaitu :
a.         Air raksa dapat cepat mengambil panas benda yang diukur sehingga suhunya sama dengan suhu benda yang diukur tersebut.
b.        Dapat dipakai untuk mengukur suhu benda dari yang rendah sampai yang tinggi, karena air raksa punya titik beku –39 °C dan titik didih 357 °C.
c.         Tidak dapat membasahi dinding tabung, sehingga pengukurannya dapat lebih teliti.
d.        Pemuaian dari air raksa adalah teratur.
e.        Mudah dilihat, karena air raksa mengkilat.
Selain air raksa dapat juga digunakan alkohol untuk mengisi tabung termometer. Alkohol mempunyai titik rendah / beku –114 °C dengan titik didih 78 °C. Termometer ada berbagai macam menurut fungsinya, yaitu :
a.         Termometer suhu badan
b.        Termometer udara
c.         Termometer logam
d.        Termometer maximum dan minimum
e.        Termograf untuk terminologi
f.          Termometer digital

image002image003
Skala Termometer
Macam – macam satuan skala termometer :
1.         Termometer skala Celcius, titik didihnya 100 °C dengan titik beku 0 °C. Sehingga dari               0 ° – 100 °C, dibagi dalam 100 skala. 
2.         Termometer skala Reamur, titik didihnya 80 °R dengan titik beku 0 °R. Sehingga  dari               0 ° – 80 °R, dibagi ,dalam 80 skala.
3.         Termometer skala Kelvin, titik didihnya 373 °K dengan titik beku 273 °K. Sehingga                   dari  273 °K – 373  °K, dibagi dalam 100 skala.
4.         Termometer Fahrenheit, titik didihnya 212 °F dengan titik beku 32 °F. Sehingga dari                  32 °F – 212 °F,  dibagi dalam 180 skala.
5.         Termometer Rainkin, titik didihnya 672 °Rn dengan titik beku 492 °Rn. Sehingga dari                492 ° Rn– 672 °Rn, dibagi dalam 180 skala.

 

image004
Jadi, pembagian skala – skala tersebut diatas satu skala dalam derajat Celcius sama dengan satu skala dalam derajat Kelvin.
1 skala C = 1 skala K
1 skala C < 1 skala R
1 skala C > 1 skala F
1 skala C > 1 skala Rn
Perbandingan Pembagian Skala C, R, F, K, Rn

image005
Dalam perhitungan menjadi :  
image006
image007
image008
Dengan perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa :
Perubahan 2 termometer mengikuti aturan perbandingan sebagai berikut :

image009
Contoh:   
1.         Jawablah titik – titik di bawah ini dengan menggunakan rumus yang benar !
a.    16 °R = ……….. °Rn
b.    20 °R = ……….. °C
c.     123 °K = ……….. °Rn
d.    17 °R = ……….. °K
e.    69 °F = ……….. °R
f.     50 °Rn = ……….. °F
Jawab:
 image010image011
2.         Air mendidih bersuhu 30 °C termometer X mempunyai TTA 150 °X dan TTB -50 °X termometer Y mempunyai TTA 130 °Y dan TTB 30 °Y. Tentukan berapa suhu air mendidih menurut termometer X dan Y.
Penyelesaian:
Diket : Air mendidih suhu = 30 °C
       TTAX   = 130 °X, TTBX = -50 °X
       TTAY   = 130 °Y, TTBY = 30 °Y
Ditanya : Suhu termometer X dan Y …… ?

image012

image013image014

Kalor
1. Pemahaman Tentang Kalor 
Dari awal abad 18 hingga 19 Masehi, kalor masih diyakini oleh sebagian orang sebagai suatu fluida yang disebut kalorik. Fluida ini dapat berpindah dari suatu zat ke zat yang lainnya. Arah perpindahan itu adalah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu rendah. Kalor adalah suatu bentuk energi. Istilah kalor berasal dari Caloric, pertama kali diperkenalkan oleh A.L. Lavoiser seorang ahli kimia dari Perancis. Oleh para ahli kimia dan fisika kalor dianggap sejenis zat alir yang tidak terlihat oleh manusia, berdasarkan itulah satuan kalor ditetapkan dengan nama kalori disingkat kal.
Kalori didefinisikan :
Satu kalori (kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gr air sehingga suhunya naik 1ºC.
Sedang pengertian suhu adalah ukuran derajat panas dinginnya suatu benda. Suhu umumnya diukur dengan alat ukur suhu berupa termometer.
Adapun syarat terjadinya perpindahan kalorik ini adalah adanya sentuhan kedua benda yang berbeda suhu. Fluida kalorik ini akan berpindah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu rendah, hingga tercapai suatu kesamaan suhu antara kedua benda yang disebut dengan kesetimbangan termal.
Hingga pertengahan abad ke 18 pengertian kalor sebagai suatu fluida masih mengemuka dimasyarakat, bahkan pengertian kalor semakin rancu dengan pengertian suhu, yang sesungguhnya memang berbeda. Kalor adalah fluida atau zat alir, dan suhu adalah derajat panas atau dinginya suatu benda yang diukur dengan termometer.
Namun pendapat tersebut berubah, ketika seorang bernama Benjamin Thompson menyatakan bahwa kalor bukanlah suatu fluida kalorik tetapi dihasilkan oleh usaha yang dilakukan oleh kerja mekanis.
Percobaan Joule :
Pemikiran bahwa kalor bukanlah suatu fluida, namun dihasilkan dari suatu usaha yang berarti berhubungan dengan energi, maka Prescot Joule melakukan percobaan untuk menghitung besar energi mekanik yang ekuivalen dengan kalor sebanyak 1 kalori.
Percobaan joule adalah dengan menggantung beban pada suatu kontrol yang dihubungkan dengan kincir yang dapat bergerak manakala beban bergerak. Kincir tersebut dimasukkan kedalam air. Akibat gerakan kincir tersebut, maka suhu air akan berubah naik
Penurunan ketinggian beban dapat menunjukkan adannya perubahan energi potensial gravitasi pada beban. Jika beban turun dengan kecepatan tetap, maka dapat dikatakan tidak terdapat perubahan energi kinetic pada beban, sehingga seluruh perubahan energi potensial dari beban akan berubah menjadi energi kalor pada air.
Berdasarkan teori bahwa terjadi perubahan energi potensial gravitasi menjadi energi kalor, maka diperoleh suatu nilai tara mekanik kalor, yaitu ekuivalensi energi mekanik menjadi energi kalor.
1 joule = 0,24 kalori
1 kalori = 4, 18 joule
image017
Gambar 1. Kalorimeter
 
2. Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Jenis (c)
image018
Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu zat sebesar 1°C. jika sejumlah kalor Q menghasilkan perubahan suhu sebesar ∆t, maka kapasitas kalor dapat dirumuskan:
image019                                                              
Dengan keterangan,
C             : kapasitas kalor (Joule / K atau kal / K)
Q             : kalor pada perubahan suhu tersebut (J atau kal)
∆t           : perubahan suhu (K atau °C)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan zat sebesar 1 kg untuk mengalami perubahan suhu sebesar 1 K atau 1°C. Kalor jenis merupakan karakteristik termal suatu benda, karena tergantung dari jenis benda yang dipanaskan atau didinginkan, serta dapat dinyatakan dalam persamaan :
image019                                                         
               Dengan keterangan,
c              : kalor jenis (J/kg.K atau J/kg.°C)
C             : kapasitas kalor (Joule/K atau kal/K)
Q             : kalor pada perubahan suhu tersebut (J atau kal)
∆t           : perubahan suhu (K atau °C)
m            : massa benda (kg)
  Tabel kalor jenis beberapa zat
image020
Contoh:
1.        Ubahlah satuan berikut ini :
         a.       5 J    = …….kal
         b.      2 kal = …….J
Jawab :
        a.       5 joule = 5 : 4,184 kal = 20,92 kal
        b.      2 kal  = 2 x 4,184 J = 8,368 J
2.    Tentukan kapasitas kalor suatu zat, jika untuk menaikkan suhu 4 °C dari zat itu diperlukan  kalor 10                  joule !
Jawab :
 image021 
3.   Jika kalor sebanyak 12 joule digunakan untuk menaikkan suhu 10 °C zat sebanyak 0,5 kg , maka tentukan kalor jenis dari zat tersebut !
Jawab :
image022
3. Pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud zat
Adanya pengertian, bahwa kalor bukanlah aliran fluida, melainkan merupakan suatu bentuk energi, yang dapat diperoleh dari perubahan energi mekanik, maka akan kita perhatikan apakah kalor tersebut akan mempengaruhi suatu benda atau temperatur dari suatu benda atau zat.
Apabila suatu benda diberikan kalor, maka pada zat tersebut dapat terjadi perubahan seperti :
                                a.  terjadi pemuaian
                                b. terjadi perubahan wujud
                                c.  terjadi kenaikan suhu
Kegiatan Percobaan Mandiri
Masukkan 1 kg es pada sebuah panci, kemudian letakkan panci diatas api.
Amatilah beberapa saat. Apa yang akan terjadi pada es pada beberapa waktu kemudian?
Pindahkan isi panci ke dalam gelas. Buatlah kesimpulanmu.
Ternyata kalor dapat menyebabkan benda berubah wujud atau menyebabkan benda mengalami perubahan suhu. Adanya pengaruh kalor terhadap perubahan wujud atau suhu, diteliti lebih lanjut oleh Joseph Black.
Beberapa hal yang dikemukakan oleh Joseph Black berkaitan dengan perubahan suhu benda, ternyata dapat digunakan untuk menentukan besar kalor yang diserap oleh suatu zat.
 
a. Pemuaian
 
Pemberian kalor pada sustu zat selain dapat menaikkan atau menurunkan suhu zat, dapat juga merubah wujud suatu zat, atau menyebabkan benda mengalami pemuaian.
Umumnya semua zat akan memuai jika ia mengalami kenaikan suhu, kecuali beberapa zat yang mengalami penyusutan saat terjadi kenaikan suhu, pada suatu interval suhu tertentu. Kejadian penyusutan wujud zat saat benda mengalami kenaikan suhu disebut anomali, seperti terjadi pada air. Air saat dipanaskan dari suhu 0 °C menjadi 4 °C justru volumenya mengecil, dan baru setelah suhunya lebih besar dari 4 °C volumenya membesar.
Anomali Air
                             Hal tersebut diatas tidak berlaku sepenuhnya pada air, pada air terjadi perkecualian. Misalnya volume air akan berkurang bila suhunya dinaikkan dari 0 °C, peristiwa ini disebut dengan anomali air.
Peristiwa anomali air dapat diterangkan dengan meninjau bangun kristal es.
Dari pengamatan kristal es disimpulkan bahwa kedudukan molekul-molekul H2O teratur seperti bangun kristal es, yang penuh dengan rongga-rongga. Sedangkan molekul H2O dalam bentuk cair (air) lebih rapat dibandingkan dalam bentuk es, oleh karena itu es terapung dalam air. Bila air mulai 4 °C didinginkan molekul air mulai mengadakan persiapan untuk membentuk bangun berongga tersebut. °C.
image023
Gambar 2. Grafik anomali air 
Volume air terkecil pada suhu 4  °C, dan pada 0  °C terjadi loncatan volume dari air 0  °C sampai es 0  °C, dimana pada suhu 0  °C volume es > volume air 
Pada umumnya zat akan memuai menurut aturan sebagai berikut. 
1)  Pemuaian Panjang (Linier)
         
Suatu batang panjang mula-mula lo dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka,
             α = 1/lo . Δt/Δl
             Δl = αlo . Δt
             α = koefisien muai panjang suatu zat ( per °C )            
             Sehingga panjang batang suatu logam yang suhunya dinaikkan sebesar Δt akan menjadi
             lt   =  lo + Δl
             lt   =   lo ( l + α . Δt )
Tabel Beberapa koefisien Muai Panjang Benda
image024
Contoh Soal:
1.       Suatu batang logam yang terbuat dari aluminium panjangnya 2 m  pada suhu 30 °C. Bila koefisien muai panjang             aluminium 25 x 10–6 /°C.Berapakah pertambahan panjang batang aluminium tersebut bila suhunya            dinaikkan  menjadi 50 °C.
                             Jawab :
image025                                             
2.       Jika besi sepanjang 20 m dengan koefisien muai panjang 1,2. 10-5 /K dipanaskan  dari suhu 00C hingga 1000C, maka tentukan pertambahan panjangnya !
             Jawab :
image026
Catatan :
Perubahan suhu dalam satuan derajat Celcius senilai dengan perubahan suhu     pada Kelvin. Namun perlu diingat bahwa suhu derajat Celcius tidak senilai dengan Kelvin.
                             
2)  Pemuaian Bidang ( Luas )
             Suatu bidang luasnya mula-mula Ao , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :
             β    = 1/Ao. ΔA / Δt
          ΔA  = Ao β Δt
              β   = Koefisien muai luas suatu zat ( per °C ) dimana β = 2 α 
Sehingga luas bidang yang suhunya dinaikkan sebesar t akan menjadi
             At = Ao + ΔA
             At = Ao ( 1 + β Δt )            
Contoh Soal:
1.       Plat besi luasnya 4 m2 pada 20 °C. Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 °C maka berapa luasnya sekarang ?
image027 
2.       Kaca seluas 2 m2 , dengan koefisien muai panjang 8,5.10-6 K, mengalami pemanasan dari suhu 20 °C hingga 120 °C. Tentukan  luas akhir dari kaca !
Jawab :  
image028
                        
3)  Pemuaian Ruang ( volume )
                             Volume mula-mula suatu benda Vo , kemudian dipanaskan sehingga suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini dapat ditunjukkan dalam rumus :
                             γ    = 1/Vo. ΔV/Δt
                             ΔV = γ . Vo . Δt
                              γ   = koefisien muai ruang suatu zat ( per °C )
                              γ   = 3 α
                             sehingga persamaan volumenya menjadi
                             Vt = Vo + Δt
                             Vt = Vo ( 1 + γ . Δt )
Contoh:
1. Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m pada suhu 20 °C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10-5 /K, tentukan volume kuningan pada suhu 120 °C !
image029 
a)  Pemuaian Volume zat Cair
                           
Zat cair yang hanya mempunyai koefisien muai volume ( γ ). Bila volume mula-mula suatu zat cair V0 kemudian zat cair itu dipanaskan sehingga suhunya naik sebesar Δt dan volumenya bertambah besar ΔV, maka dapat ditulis sebagai berikut
                             Vt =  γ . Vo . Δt
             dan volumenya sekarang menjadi
                             Vt = Vo + ΔV
                             Vt = Vo ( 1 +  γ Δt )
             Hal ini tidak berlaku bagi air dibawah 4 °C, ingat anomali air.
b)  Pemuaian Volume Gas
Khusus untuk gas, pemuaian volume dapat menggunakan persamaan seperti pemuaian zat cair,
image030 
Perubahan volume gas tidak hanya menggunakan persamaan tersebut di atas, namun ada besaran-besaran lain yang perlu diperhatikan seperti tekanan dan temperatur. Persamaan yang berlaku dalam pemuaian gas dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
·         Pada saat tekanan konstan, berlaku hukum Gay Lussac :
           image031
·         Pada saat temperatur konstan, berlaku hukum Boyle :
           image032
·         Pada saat volume konstan, berlaku hukum Charles :
          image033            
·         Pada saat kondisi ideal dengan mol konstan, berlaku hukum Boyle-Gay Lussac :
           image034
               
dengan keterangan,

V          = volume (liter atau m3)

T           = temperature (K)

P           = tekanan (N/m2 atau atm atau Pa)

  Contoh:

1.       Suatu gas mula-mula volumenya V, berapa besarkah suhu harus dinaikkan supaya volumenya menjadi 2 kali volume mula-mula, dengan tekanan tetap.
Penyelesaian:
Diketahui :
Vo = V dan Vt = 2V
 Ditanya : Dt ....?
Jawab :
                            Vt = Vo ( 1 + 1/ 273 Δt )
                             2V = V ( 1+ 1/ 273 Δt )
                             2   = ( 1 + 1/ 273 Δt )
                             1 = 1/ 273 Δt
                             Δt= 273 °C
                             Jadi suhu gas tersebut harus dinaikkan sebesar 273 °C
  

«Pendahuluan      Daftar Isi      »Rangkuman