4. Bahan Ajar (pemuaian).pdf

Suhu

Suhu dan Kalor (PEMUAIAN)

Alokasi Waktu

Suhu dalam kehidupan sehari-hari adalah besaran fisika yang dimiliki oleh dua sistem atau lebih yang mencapai titik setimbang (kesetimbangan termal) atau mencapai nilai yang sama. Kesetimbangan termal tercapai ketika kedua benda memiliki suhu yang sama. Saat termometer mengukur suhu tubuh kita, kalor secara spontan mengalir dari tubuh kita (benda yang lebih panas) menuju termometer (benda yang lebih dingin). Saat termometer memiliki suhu yang sama dengan tubuh kita, maka termometer dikatakan telah mencapai kesetimbangan dan tidak ada lagi aliran kalor.

: 2 JP x 40 menit

Cakupan Materi Suhu dan Kalor Pemuaian Zat Gas, Zat Padat dan Zat Cair Pemuaian panjang, luas dan volume

Gambar 1. Dua benda yang bersuhu berbeda disentuhkan, lama-lama suhu kedua sistem menjadi sama

KALOR Kalor adalah salah bentuk energi energy yang dipindahkan dari suatu benda ke benda lain karena perbedaan suhu. Pengaruh Kalor terhadap Benda

KOMPETENSI DASAR 3.5 Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor yang meliputi karakteristik termal suatu bahan, kapasitas, dan konduktivitas kalor pada kehidupan sehari-hari

Gambar berikut ini adalah bagan pengaruh kalor terhadap suatu benda:

Diberi

Benda

4.5 Merancang dan melakukan percobaan tentang karakterisik termal, suatu bahan terutama terkait dengan kapasitas dan konduktivitas kalor, beserta presentasi hasil percobaan dan pemanfaatannya

FISIKA KELAS X/SEMESTER 1

Kalor

Benda akan

Bertambah Suhu

Berubah wujud

Memuai

Gambar 2. Bagan Pengaruh kalor

terhadap benda

1

1. Perubahan Suhu sebagai Pengaruh Kalor pada Benda Ketika benda diberi kalor, maka kalor yang ditransfer kepada benda akan mengalir dari benda dengan suhu yang lebih tinggi menuju suhu yang lebih rendah. Berdasarkan pengertian suhu, aliran kalor ini akan berhenti saat kedua benda mencapai kesetimbangan termal. Sehingga suhu benda yang lebih dingin akan mengalami kenaikan suhu, dan benda yang lebih panas akan mengalami penurunan suhu. 2. Perubahan Wujud Zat sebagai Pengaruh Kalor pada Benda Saat dipanaskan atom dalam zat akan bergerak acak lebih cepat dan energi kinetiknya lebih besar sehingga atom membutuhkan ruang bergerak yang lebih, sehingga benda akan memuai. Pada suhu tertentu, benda akan mengalami perubahan wujud zat saat dipanaskan. Bila kalor diberikan pada suatu zat pada tekanan konstan, maka biasanya, hasilnya adalah kenaikan temperatur zat. Namun, kadang-kadang zat dapat menyerap kalor dalam jumlah yang besar tanpa mengalami perubahan apapun pada temperaturnya. Ini terjadi selama Perubahan Fasa, artinya, ketika kondisi fisis zat itu berubah dari satu bentuk menjadi bentuk lain. Jenis perubahan dapat dilihat pada diagram dibawah ini :

3. Pemuaian sebagai Pengaruh Kalor pada Benda

Gambar 4. Pemuaian pada Rel Kereta

Pada umumnya benda akan memuai ketika dipanaskan. Pemuaian merupakan gerakan atom penyusun banda karena di paaskan. Makin panas suhu suatu benda, makin cepat getaran antara atom yang menyebar ke segala arah. Karena adanya getaran atom, menyebabkan atom membutuhkan ruang yang lebih besar untuk bergerak, hal inilah yang menjadikan benda tersebut memuai ke segala arah. Pemuaian dapat terjadi pada zat gas, zat padat, dan zat cair. Pemuaian pada Gas

Gambar 5. Balon

Coba kamu tiup balon, kemudian simpan balon itu ditengah teiknya matahari. Jika panas matahari cukup terik, maka balon akan meletus. Mengapa demikian? Hal ini dikarenakan gas dalam balon memuai, sedangkan elastisitas balon terbatas, sehingga ketika udara terus memuai, penampang balon tidak dapat menampung udara di dalamnya akhirnya, Bum!!!! Balon meletus. Pemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai ∆𝑉 = 𝛾 ∆𝑇 𝑉0 V  V0 1  T  (1)

Gambar 3. Diagram perubahan fasa

γ adalah koefisien muai volume. Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu: a. pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal),

2

b. pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar), dan c. pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik). Pemuaian Zat Cair Gambar 8. Diagram anomali air

Gambar 6. Air yang dipanaskan

Pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu. Titik pertemuan antara wujud cair, padat dan gas disebut titik tripel.

Gambar 7. Diagram perubahn fasa

Anomali Air Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0º C sampai 4º C volumenya tidak bertambah, akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan anomali air. Oleh karena itu, pada suhu 4ºC air mempunyai volume terendah. Hubungan volume dengan suhu pada air dapat digambarkan pada grafik berikut.

Pada suhu 4ºC, air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikkan dari 0ºC – 4ºC akan menyusut, dan bila suhunya dinaikkan dari 4ºC ke atas akan memuai. Biasanya pada setiap benda bila suhunya bertambah pasti mengalami pemuaian. Lakukan kegiatan berikut untuk menyelidiki kecepatan pemuaian pada berbagai macam zat cair. Pemuaian Zat Padat

Gambar 9. Pemuaian zat Padat

Coba kamu amati bingkai kaca jendela di ruang kelasmu! Adakah bingkai jendela yang melengkung? Tahukah kamu apa sebabnya? Bingkai jendela tersebut melengkung tidak lain karena mengalami pemuaian. Pemuaian yang terjadi pada benda, sebenarnya terjadi pada seluruh bagian benda tersebut. Namun demikian, untuk mempermudah pemahaman maka pemuaian dibedakan tiga macam, yaitu pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. 1. Pemuaian Panjang Pernahkah kamu mengamati kabel jaringan listrik pada pagi hari dan siang hari? Kabel jaringan akan tampak kencang pada pagi hari dan tampak kendor pada siang hari. Kabel tersebut mengalami pemuaian panjang akibat terkena panas sinar matahari. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda.

3

Alat Musschenbroek

β = Koefisien muai luas zat (/º C) Δt = Kenaikan suhu (ºC) Besarnya β dapat dinyatakan dalam persamaan berikut. (8)   2 3. Pemuaian Volume

Gambar 10. Alat Musschenbroek

Besarnya panjang logam setelah dipanaskan adalah sebesar 𝐿 = 𝐿0 + ∆𝐿 (2) Besarnya panjang zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat sepanjang 1 m disebut koefisien muai panjang (α). Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan ∆𝐿 = 𝐿0 . 𝛼. ∆𝑇 (3) 𝐿 = 𝐿0 (1 + 𝛼. ∆𝑇) (4) Keterangan: L = Panjang akhir (m) L0 = Panjang mula-mula (m) ΔL = Pertambahan panjang (m) α = Koefisien muai panjang (/ºC) ΔT = kenaikan suhu (ºC) 2. Pemuaian Luas Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang. Pertambahan luas zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat seluas 1 m2 disebut koefisien muai luas (β). Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah

Gambar 12. Pemuaian volume

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P0, lebar L0, dan tinggi h0 dipanaskan hingga suhunya bertambah ΔT, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar 𝑉 = 𝑉0 + ∆𝑉 (9) ∆𝑉 = 𝑉0 . 𝛾. ∆𝑇 (10) 𝑉 = 𝑉0 (1 + 𝛾. ∆𝑇) (11) Dimana 𝛾 = 3𝛼 (12) Keterangan: V = Volume akhir (m3) V0 = Volume mula-mula (m3) ΔV = Pertambahan volume (m3) γ = Koefisien muai volume (/ºC) ΔT = Kenaikan suhu (ºC) Penerapan konsep dalam kehidupan sehari-hari diantaranya:  Konstruksi Bangunan  Konstruksi Jembatan  Saklar Bimetal  Water heater  Konstruksi pipa air

Gambar 11. Pemuaian plat penggaris

𝐴 = 𝐴0 + ∆𝐴 ∆𝐴 = 𝐴0 . 𝛽. ∆𝑇 𝐴 = 𝐴0 (1 + 𝛽. ∆𝑇) Keterangan: A = Luas akhir (m2) ΔA = Pertambahan luas (m2) A0 = Luas mula-mula (m2)

(5) (6) (7)

4