Materi Suhu Dan Kalor.docx

SUHU DAN KALOR A. SUHU ( TEMPERATURE ) Suhu adalah besaran termodinamika yang menunjukkan besarnya energi kinetik translasi rata-rata molekul dalam sistem gas. Termometer adalah alat untuk mengukur suhu suatu benda. Suhu didefinisikan sebagai derajat panas atau dinginnya suatu benda. Secara mikroskopik suhu menunjukkan pergerakan atau kandungan energi kinetik dari partikel-partikel benda tersebut. Semakin tinggi suhu suatu benda makin cepat partikel penyusun benda bergerak atau bergetar, semakin rendah suhu suatu benda semakin lambat partikel penyusun benda bergerak atau bergetar.

B. KALOR ( HEAT ) Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Kesimpulannya, Kalor adalah energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan. Besar kalor yang diberikan pada sebuah benda yang digunakan untuk menaikkan suhu tergantung pada : •

massa benda

•

kalor jenis benda

•

perbedaan suhu kedua benda

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

𝑸 = 𝒎 . 𝒄 . ∆𝒕 Dimana : Q = Jumlah kalor yang diperlukan ( Joule ) m = massa benda ( kg ) c = kalor jenis ( J/kg ) ∆t = perubahan suhu ( oC atau K ) Kalor

yang

digunakan

untuk

mengubah

wujud

(kalor

laten),

persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U Q = m.L Dimana : Q = Jumlah kalor yang diperlukan ( Joule ) m = massa benda ( kg ) U = kalor uap ( J/kg ) L = kalor lebur (J/kg) Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (C) dan kalor jenis (c) Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

𝑸 𝑪= ∆𝒕 Keterangan : C = kapasitas kalor ( Joule ) Q = jumlah kalor ( J/kg ) ∆𝑡 = perubahan suhu ( oC atau K )

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

𝒄=

𝑸 𝒎 . ∆𝒕

Keterangan : c

= kalor jenis (J/kg°C atau J/kg K)

Q = jumlah kalor ( J/Kg ) m = massa zat (kg) ΔT = perubahan suhu (°C atau K) Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

C = m.c Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan : Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0o C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100o C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

C. Asas Black Menurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan :

Q lepas = Q terima Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh :

Q lepas = Q terima m1.c1.(t1 – ta) = m2.c2.(ta-t2) Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asas Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1 – ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan.

D. PERPINDAHAN KALOR Perpindahan kalor dapat dilakukan dengan 3 cara, yaitu : 1)

konduksi,

2)

konveksi dan

3)

radiasi

1)

Konduksi Adalah proses perpindahan kalor yang terjadi tanpa disertai dengan

perpindahan, partikel-partikel dalam zat itu, contoh : zat padat (logam) yang dipanaskan. Berdasarkan kemampuan kemudahannya menghantarkan kalor, zat dapat dibagi menjadi : konduktor yang mudah dalam menghantarkan kalor dan isolator yang lebih sulit dalam menghantarkan kalor. Contoh konduktor adalah aluminium, logam besi, dsb, sedangkan contoh isolator adalah plastik, kayu, kain, dll. Besar kalor yang mengalir per satuan waktu pada proses konduksi ini tergantung pada : -

Berbanding lurus dengan luas penampang batang

-

Berbanding lurus dengan selisih suhu kedua ujung batang, dan

-

Berbanding terbalik dengan panjang batang

Keterangan: Q = kalor (joule) k = koefisien konduski (konduktivitas termal) t = waktu (s) A = luas penampang (m persegi) L = panjang logam (m) T = Suhu (kelvin)

2)

Konveksi Adalah proses perpindahan kalor yang terjadi yang disertai dengan

perpindahan pergerakan fluida itu sendiri. Ada 2 jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Pada konveksi alamiah pergerakan fluida terjadi karena perbedaan massa jenis, sedangkan pada konveksi paksa terjadinya pergerakan fluida karena ada paksaan dari luar. Contoh konveksi alamiah : nyala lilin akan menimbulkan konveksi udara disekitarnya, air yang dipanaskan dalam panci, terjadinya angin laut dan angin darat, dsb. Contoh konveksi paksa : sistim pendingin mobil, pengering rambut, kipas angin, dsb. panas dingin Besar laju kalor ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluida di sekitarnya adalah berbanding lurus dengan luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida dan perbedaan suhu antara benda dengan fluida.

Keterangan: Q = kalor (joule) h = koefisien konveksi t = waktu (s) A = luas penampang (m persegi) T = Suhu (kelvin) 3)

Radiasi Radiai

adalah

perpindahan

kalor

dalam

bentuk

gelombang

elektromagnetik, perpindahan kalor yang tidak memerlukan medium. contoh : cahaya matahari, gelombang radio, gelombang TV, dsb. Berdasarkan hasil eksperimen besarnya laju kalor radiasi tergantung pada luas permukaan benda dan suhu mutlak benda seperti dinyatakan dalam Hukum Stefan- Boltzman berikut ini : “ Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu

sebanding dengan luas permukaan benda (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan benda itu”.

Keterangan: P = Daya Radiasi/Energi Radiasi setiap Waktu (watt) Q = Kalor (joule) t = waktu (s) e = emisivitas bahan A = luas penampang (m persegi) T = suhu (kelvin) o = konstanta stefan boltzmann (5,67 x 10 pangkat minus 8)

E. PERUBAHAN WUJUD ZAT

Perubahan wujud zat adalah perubahan termodinamika dari satu fase benda ke keadaan wujud zat lain. yang biasanya dikuantitaskan dalam angka suhu.

F. JENIS PERUBAHAN WUJUD Perubahan wujud zat digolongkan menjadi enam peristiwa sebagai berikut. 

Membeku Peristiwa perubahan wujud dari cair menjadi padat. Dalam peristiwa

ini zat melepaskan energi panas. Contoh peristiwa mencair yaitu air yang dimasukkan dalam freezer akan menjadi es batu, lilin cair yang didinginkan. 

Mencair Peristiwa perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Dalam

peristiwa ini zat memerlukan energi panas. Contoh peristiwa mencair yaitu pada batu es yang berubah menjadi air, lilin yang dipanaskan. 

Menguap Peristiwa perubahan wujud dari cair menjadi gas. Dalam peristiwa ini

zat memerlukan energi panas. Contohnya air yang direbus jika dibiarkan lama-kelamaan akan habis, bensin yang dibiarkan berada pada tempat terbuka lama-lama juga akan habis berubah menjadi gas. 

Mengembun Peristiwa perubahan wujud dari gas menjadi cair. Dalam peristiwa ini

zat melepaskan energi panas. Contoh mengembun adalah ketika kita menyimpan es batu dalam sebuah gelas maka bagian luar gelas akan basah, atau rumput di lapangan pada pagi hari menjadi basah padahal sore harinya tidak hujan 

Menyublim Peristiwa perubahan wujud dari padat menjadi gas. Dalam peristiwa ini

zat memerlukan energi panas. Contoh menyublim yaitu pada kapur barus (kamper) yang disimpan pada lemari pakaian lama-lama akan habis.



Mengkristal Peristiwa perubahan wujud dari gas menjadi padat. Dalam peristiwa ini

zat melepaskan energi panas. Contoh mengkristal adalah pada peristiwa berubahnya uap menjadi salju

G. PEMUAIAN Pengertian Pemuaian Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang (untuk satu demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk tiga dimensi). Sedangkan pada zat cair dan zat gas hanya terjadi pemuaian volume saja, khusus pada zat gas biasanya diambil nilai koofisien muai volumenya sama dengan 1/273. A. Pemuaian Zat Padat a. Pemuaian panjang Adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu. Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda atau jenis bahan.

Pertambahan panjang suatu zat secara fisis : 1. Berbanding lurus dengan panjang mula-mula 2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu 3. Bergantung dari jenis zat

Sebuah batang logam sebelum dipanaskan dan dan setelah dipanaskan Secara

matematis

persamaan

yang

digunakan

untuk

menentukan

pertambahan panjang benda setelah dipanaskan pada suhu tertentu adalah

Bila ingin menentukan panjang akhir setelah pemanasan maka digunakan persamaan sebagai berikut :

Berikut contoh beberapa koefisien muai panjang zat.

Gambar di atas merupakan Alat Musschenbroek yaitu alat untuk menyelidiki muai panjang suatu zat. b. Pemuaian luas Adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada. Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang lebar sekali dan tipis. Seperti halnya pada pemuian luas faktor yang mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Pada perguruan tinggi nanti akan dibahas bagaimana perumusan sehingga diperoleh bahwa koefisien muai luas sama dengan 2 kali koefisien muai panjang.

Sebuah kaca sebelum dipanaskan dan dan setelah dipanaskan Pertambahan luas suatu zat bila dipanaskan akan : 1. Berbanding lurus dengan luas mula-mula 2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu 3. Bergantung dari jenis zat

Untuk menentukan pertambahan luas dan volume akhir digunakan persamaan sebagai berikut :

c. Pemuaian volume Adalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang. Sebagaimana yang telah dijelaskan diatas bahwa khusus gas koefisien muai volumenya sama dengan 1/273 Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume dan volume akhir suatu benda tidak jauh beda pada perumusan sebelum. Hanya saja beda pada lambangnya saja. Perumusannya adalah

B. Pemuaian Zat Cair Pada zat cair hanya dikenal ukuran volume, karena itu pada zat cair hanya dikenal muai volume. Makin tinggi kenaikan suhu, makin besar penambahan volume zat cair. Pemuaian zat cair yang satu dengan yang lain umumnya berbeda, meskipun volume zat cair mula-mula sama. Untuk seluruh zat cair pemuaian makin besar jika kenaikan suhu bertambah besar. Pemuaian zat cair dapat dimanfaatkan dalam penggunaan termometer zat cair, biasanya zat cair yang digunakan adalah raksa atau alkohol. Sifat naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler sebagai akibat pemuaian zat cair inilah yang digunakan untuk mengukur suhu. Permukaan zat cair naik sepanjang pipa kapiler dan berhenti pada posisi tertentu yang sesuai dengan suhu benda. Suhu yang terukur dinyatakan oleh skala yang berimpit dengan permukaan zat cair pada pipa kapiler tersebut. Pemuaian yang terjadi pada zat cair adalah muai volume. Air yang keluar dari bejana merupakan indikasi perbedaan pemuaian yang berbeda antara zat padat dan zat cair. Air yang tertumpah dari bejana menandakan pemuaian zat cair yang lebih besar dari muai zat padat, dalam hal ini adalah

bejananya.

Di bawah ini adalah tabel koefisien muai volume beberapa zat cair. Tabel Koefisien Muai Volume Zat Cair

Gambar : Termometer air raksa

adalah salah satu contoh penerapan

pemuaian pada zat cair. Prinsip kerja dari termometer zat cair yang menggunakan prinsip dasar pemuaian zat cair adalah naiknya permukaan air raksa mengindikasikan adanya pemuaian, semakin besar panas yang diterima semakin besar pula tingkat kenaikan air raksa. C. Pemuaian Gas Gas mengalami pemuaian ketika suhunya bertambah dan mengalami penyusutan jika suhunya turun. Pada gas tidak dikenal muai panjang dan muai luas, yang ada hanyalah muai volume gas. Dari penelitian yang dilakukan menunjukkan bahwa koefisien muai volume semua gas sama yaitu 0,00367 /K.

Perumusan muai volume pada tekanan tetap dapat dituliskan