Suhu dan Kalor

Keadaan panas atau dingin yang terjadi dilingkungan kita dapat dirasakan karena ada pengaruh suhu udara. Ketika berada di pantai pada siang hari yang terik kadang terasa sejuk karena adanya udara yang berembus, peristiwa semacam ini dikatakan perpindahan kalor.

Apakah suhu itu sama dengan kalor , apa yang dimaksud dengan perubahan wujud zat dan pemuaian akan di bahas pada Bab ini.

A. Suhu dan Termometer

1. Pengertian Suhu

Suhu adalah derajat panas atau dingin suatu benda, suhu disebut juga temperatur. Dalam pembahasan yang lebih mendalam suhu adalah ukuran energi kinetik rata – rata yang dimiliki oleh molekul – molekul suatu benda. Perubahan suhu dapat mengakibatkan berubahnya sifat – sifat benda. Sifat – fifat ii dinamakan sifat termometrik.

Sifat – sifat termometrik zat dapat berupa :

1. Pemuaian zat padat, car dan gas
2. Tekanan zat cair dan udara
3. Regangan zat padat
4. Hambatan zat terhadap arus listrik
5. Intensitas cahaya (radiasi cahaya)

2. Termometer

Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu. Ada beberapa skala yang digunakan pada termometer yaitu kelvin, reamur, fahrenheit dan celcius. Sedangkan satuan suhu yang diteteapkan sebagai satuan Internasional adalah kelvin. Jenis – jenis termometer ada bermacam – macam sesuai dengan sifat termometrik bahan. Berikut jenis – jenis termometer dan karakteristisnya :

1. Jenis termometer : Raksa, jangkauan ukur -39 s/d 500, Sifat termometrik : volume zat cair bertambah jika dipanaskan dan berkurang jika didinginkan.
2. Jenis termometer : alkohol, jangkauan ukur -114 s/d 78, Sifat termometrik : volume zat cair bertambah jika dipanaskan dan berkurang jika didinginkan.
3. Jenis termometer : Hambatan, jangkauan ukur -200 s/d 1200, Sifat termometrik : hambatan bertambah jika dipanaskan dan berkurang jika didinginkan.
4. Jenis termometer : Termokopel, jangkauan ukur -250 s/d 1500, Sifat termometrik : perbedaan pemuaian antara dua logam berbeda yang ujungnya disentuhkan akan menghasilkan GGL
5. Jenis termometer : gas volume konstan, jangkauan ukur -270 s/d 1500, Sifat termometrik : gas yang dihasilkan pada volume tetap mengakibatkan bertambahnya tekanan.
6. Jenis termometer : pyrometer, jangkauan ukur di atas 1000, Sifat termometrik : intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda yang sangat panas.

3. Skala termometer

Skala termometer didasarkan pada titik bekuair dan titik didih air. Perbandingan skala pada masing – masing termometer dapat dilihat pada gambar di bawah.

Gambar : Perbandingan skala pada termometer celcius, reamur, fahrenheit dan kelvin

Hubungan skala celcius , reamur, fahrenheit dan kelvin :

° C = 5/4 ° R =  5/9(° F – 32) = ° K – 273

Dalam kehidupan sehari – hari , kita juga bisa membuat skalatermometer sendiri misalkan termometer X. skala termometer kita juga dapat dkonversikan dengan termometer jenis yang lain. Perhatikan gambar di bawah ini !.

Gambar : Perbandingan skala termometer sembarang

maka dapat diketahui hubungan konversi antara termometer satu dengan lainnya sebagai berikut :

Keterangan :

X = Skala pada termometer X ( º X)

Y = Skala pada termometer Y (º Y)

A = titik didih / titik tetap atas

B = titik beku / tetap bawah

Contoh soal :

Suhu dalam skala derajat celcius menunjukkan angka 200 º C. Berapakah suhu tersebut jika diukur menggunakan skala fahrenheit ?.

Diketahui : º C = 200 º C

Ditanya : t º F = ……. ?

Jawab : t º C = 5/9(t º F  – 32 )

t º F  = 9/5 t º C + 32 = 9/5. 200. + 32

t º F  = 360 + 32 = 392 º F

2. Termometer X menunjukkan angka 40 pada titik beku air dan 120 pada titik didih air.  Berapakah suhu 20 º X jika ditunjukkan dengan skala cellcius .

Diketahui : Xa = 100 º C , Xb = 0 º C , Yb = 40 º Y , Ya = 120 º Y,

Y = 20 º Y

Ditanya : X : ……..?

Jawab : ( X – Xb) /( Xa – Xb)  = (Y – Yb) / (Ya – Yb)

(X – 0) / (100 – 0) = ( 20 – 40) / (120 – 40)

(X / 100) = (-20 / 80)

X = – 25 º C

Tugas :

1. Dalam suatu pengukuran , didapatkan hasil 120 º C, . Nyatakan hasil pengukuran tersebut dalam skala : a celcius  b. Fahrenheit , c. Kelvin
2. Pada suatu termometer X,  titik beku ai adalah -20 º X dan titik didih air adalah  300 º X. Berapakah penunjukan skala pada termometer fahrenheit  jika pada termometer X menunjukkan skala 64 º X.

B. Kalor

Kalor adalah bentuk energi dalam yang dipindahkan dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. dalam satuan internasional Kalor mrmiliki satuan Joule(J), dalam satuan yang lain kalor juga dapat memiliki satuan kalori.

Satu kalori adalah jumlah kalor yang diberikan pada satu gram air untukmenuaikkan suhu air pada suhu 1 º C. Konversi joule dengan kalori adalah 1 joule = 0,24 kalori atau 1 kalori = 4,2 joule.

Perubahan Suhu dan Perubahan Wujud zat

Perubahan suhu dan perubahan wujud zat adalah dua akibat suatu benda jika menyerap atau melepaskan kalor. Benda yang menyerap kalor , suhunya akan naik atau wujudnya berubah. Benda yang melepas kalor , suhunya akan turun atau wujudnya berubah. Untuk perubahan suhu, besarnya kalor yang diserap atau dilepas di rumuskan dengan :

Q = m.c.Δt = m . c . (t2 – t1)

Keterangan :

Q = Besarnya kalor yang diserap atau dilepas (J)

m = massa benda (Kg)

Δt = perubahan suhu (K)

c = kalor jenis( J/Kg K)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk menaikkan atau menurunkan suhu 1 gr zat sebesar 1 K atau 1º C.

Kapasitas kalor (C) adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk menaikkan atau menurunkan suhu benda sebesar 1 K atau 1ºC. Secara matematis kapasitas kalor dirumuskan sebagai berikut :

C = m . c = Q / Δt

Keterangan :

C = Kapasitas kalor (J / K)

Jika kalor tersebut terus menerus dilepaskan atau diserap, benda akan mengalami perubahan wujud. Perubahan wujud zat tersebut dapat diperhatikan pada gambar di bawah ini :

Gambar . Perubahan wujud zat

Besarnya kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses perubahan wujud zat memenuhi persamaan :

Q = m . L

Keterangan :

L = kalor laten (J/Kg)

Kalor laten adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 Kg zat untuk berubah dari wujud satu ke wujud lain. Berikut tabel kalor laten dan kalor jenis beberapa zat

Tabel : Kalor laten beberapa zat

Suatu zat jika melepas atau menyerap kalor akan mengalami perubahan suhu dan perubahan wujud. Contoh jika es dipanaskan mula – mula akan mengalami perubahan suhu  sebelum mengalami perubahan wujud menjadi air, kemudian air akan naik suhunya sampai mendidih dan kemudian menguap dan uap air akan terus naik suhunya. berikut grafk pemanasan air tersebut.

Sehingga pada proses perubahan wujud es menjadi uap air akan dibutuhkan kalor sebanyak :

Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

Contoh soal :

1. Diketahui kalor jenis air 1,0 kal/gr º C, maka untuk menaikkan suhu 800 gr air dari suhu 20 º C menjadi 35 º C di butuhkan kalor sebanyak ……

Diketahui : c air = 1 kal / gr º C

m air = 800 gr

Δt = t2 – t1 = 35 – 20 = 15 º C

Ditanya : Q ………… ?

Jawab : Q = m . c . Δ t = 800 . 1. 15 = 1200 kal

2. Diketahui kalor lebur es sebesar 80 kal/gr. Berapakah kalor yang diperlukan untuk merubah es yang bermassa 250 gr menjadi air jika kalor jenis air sebesar 1 kal / gr º C ?.

3. Hukum Kekekalan Energi Kalor

Pada percobaan yang dilakukan oleh Josep Balck (1720 – 1799) , mendapatkan suatu kesimpulan tentang azas Balck. Ilmuan asal inggris tersebut menyatakan :

“Pada pencampuran dua zat atau lebih, banyaknya kalor yang dilepaskan zat yang bersuhu lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diserap oleh zat yang bersuhu lebih rendah”

atau dapat ditulis  dengan persamaan :

Q lepas = Q terima

Hukum ini hanya berlaku untuk sistem tertutup, artinya jika dua zat dicampurkan tidah ada pengaruh lingkungan luar. Untuk melakukan pencampuran yang tertutup menggunakan kalorimeter.

Contoh soal :

Pada pencampuran dua buah zat A dan zat B, dimana zat A bermassa 25 gr dan kalor jenis 0,3 kal/gr º C. Sedangkan zat B kalor jenis 0,6 kal/gr º C. Berapakah massa zat B jika suhu zat A mula – mula 10º C, suhu zat B mula – mula 70 º Cdan suhu campuran sebesar 45 º C.

diketahui : mA = 25 gr ,  cA = 0,3 kal/gr º C , cB = 0,6 kal/gr º C

tA = 10 º C ,  tB = 70 º C ,  tC = 45 º C

ΔtB = 70 – 45 = 25 º C , ΔtA = 70 – 10 º C

Ditanya : mB : ………. ?

Jawab :    Q lepas  = Q terima

mB. cB . ΔtB = mA . cA . ΔtA

mB . 0,6 . 25 = 25 . 0,3 . 35

mb = 17,5 gr

C. Pemuaian

Pemuaian adalah pertambahan jarak antar molekul karena dipanaskan. Ada tiga jenis pemuaian zat padat yaitu :

1. Pemuaian Panjang

Sebuah batang yang memiliki panjang tertentu jika dipanaskan maka akan terjadi pertmabahan panjang seperti pada gambar di bawah ini :

di bawah ini disajikan tabel koefisien muai panjang berbagai macam benda :

Tabel Muai panjang berbagai benda

Jika kita memanaskan kawat yang panjangnya mula – mula Lo

, maka akan bertambah panjang sebesar ΔL. secara matematis dapat dituliskan dalam bentuk persamaan :

dengan α = merupakan koefisien muai panjang

2. Pemauaian Luas

Jika lempeng besi berbentuk persegi panjang , dimana luas mula  mula Ao jika dipanaskan maka akan mengalami perubahan luas sebesar ΔA.

Gambar lempeng benda padat dipanaskan

Untuk menentukan perubahan luas suatu benda dapat digunakan persamaan seperti di bawah ini :

ΔA = Ao . β . ΔT

β = 2 . α

Keterangan :

β = koefisien muai luas

Contoh soal :

suatu lempeng aluminium dipanaskan mulai suhu 27º C sampai suhu 177 º C. Jika lempeng memiliki panjang 20 cm dan lebar 20 cm dan koefisien muai luas sebesar α = 23 x 10-6 / K. Hitunglah pertambahan luas lempeng tersebut ?.

Diketahui :

l = 20 cm   , p = 20 cm , ΔT = 177 – 27 = 150 º C

α = 23 x 10-6 / K , β = 2 . α = 23 x 10-6 / K = 46 x 10-6 / K.

Ditanya : ΔA : ……… ?

Jawab : ΔA = Ao . β . ΔT = 400 . 46 x 10-6 . 150 = 2760000 . 10-6

ΔA = 2,7 cm²

3. Pemuaian Volume

Gambar : Pemuaian volume pada benda padat

Jika lempeng besi berbentuk kubus dipanaskan yang memiliki volume awal Vo maka akan mengalami perubahan volume sebesar ΔV. Atau secara matematis dapat ditulis dengan persamaan :

ΔV = Vo . γ . ΔT

γ = 3 . α

Keterangan :

γ = koefisien muai volume

Contoh soal :

Sebuah balok beton dengan ukuran 5m .1m . 0,5m dipanaskan hingga mengalami kenaikan suhu sebesar 280º C. Berapakah pemuaian volume yang dialami oleh balok tersebut jika koefisien muai panjang balok (α = 23 x 10-6 / K)?.

Diketahui : Vo = 5m .1m . 0,5 = 2,5 m³   , ΔT = 280 º C

α = 11 x 10-6 / K    , γ = 3 . α = 33 . 10-6 /K

Jawab : ΔV = Vo . γ . ΔT

ΔV = 2,5 . 33 . 10-6 . 280 = 23100 x 10-6 = 2,3 x 10-2 m³

Contoh aplikasi pemuaian zat padat dalam kehidupan sehari – hari :

• Akibat pemuaian pada jalan raya , dimana karbon beton yang merupakan pembatas jalan memuai dan retak ketika suhu udara meningkat sangat tinggi, sehingga pemasangan pembatas jalan dengan terputus – putus.
• Terbngkoknya rel kereta api akibat