Materi Fisika SUHU dan KALOR

A.      SUHU DAN ALAT UKUR SUHU

A.1. SUHU

Secara sederhana suhu didefinisikan sebagai derajad panas dinginnya suatu benda. Ada beberapa sifat benda yang berubah apabila benda itu dipanaskan, antara lain adalah warnanya, volumnya, tekanannya dan daya hantar listriknya. Sifat-sifat benda yang berubah karena dipanaskan disebut sifat termometrik. Suhu termasuk besaran pokok dalam fisika yang dalam S.I. bersatuan Kelvin.

—        A.2. ALAT UKUR SUHU

Untuk menyatakan suhu suatu benda secara kuantitatif diperlukan alat ukur yang disebut termometer. Ada beberapa jenis termometer dengan menggunakan konsep perubahan-perubahan sifat karena pemanasan. Beberapa jenis termometer antara lain: Celcius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin.

—      Dari ketentuan tersebut diperoleh perbandingan skala dari keempat termometer tersebut sebagai berikut:

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

—        Hubungan antara termometer Celcius dan Kelvin secara khusus dapat dinyatakan:

TC = (t + 273) K   TK = (t – 273) C

B.      KALOR

—  Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah jika kedua benda tersebut saling disentuhkan. Karena kalor merupakan suatu bentuk energi, maka satuan kalor dalam S.I. adalah Joule dan dalam CGS adalah erg.

—  1 Joule = 10 ^7erg. Dahulu sebelum orang mengetahui bahwa kalor merupakan suatu bentuk energi, maka orang sudah mempunyai satuan untuk kalor adalah kalori. 1 kalori = 4,18 joule atau 1 Joule = 0,24 kal.

—  B.1. Pengaruh Kalor terhadap suhu

—  terlihat bahwa jika satu gelas air panas dicampur dengan satu gelas air dingin, setelah terjadi keseimbangan termal menjadi air hangat. Hal tersebut dapat terjadi karena pada saat air panas dicampur dengan air dingin maka air panas melepaskan kalor sehingga suhunya turun dan air dingin menyerap kalor sehingga suhunya naik. Dengan demikian jika terdapat suatu benda yang menerima kalor suhunya akan naik

—  B.2. Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor

—  Kalor dapat diberikan kepada benda atau diambil darinya. Kalor dapat diberikan pada suatu benda dengan cara pemanasan dan sebagai salah satu dampak adalah kenaikan suhunya. Kalor dapat diambil dari suatu benda dengan cara pendinginan dan sebagai salah satu dampak adalah penurunan suhu. Jadi, salah satu dampak dari pemberian atau pengurangan kalor adalah perubahan suhu yang diberi lambang Δt. Untuk membedakan zat-zat dalam hubungannya dengan pengaruh kalor pada zat-zat itu digunakan konsep kalor jenis yang diberi lambang “c”. Kalor jenis suatu zat didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk menaikkan atau menurunkan suhu satu satuan massa zat itu sebesar satu satuan suhu. Jika suatu zat yang massanya m memerlukan atau melepaskan kalor sebesar Q untuk mengubah suhunya sebesar ΔT, maka kalor jenis zat itu dapat dinyatakan dengan persamaan: Q = m . c . ΔT

—  Dari persamaan Q = m . c . ΔT, untuk benda-benda tertentu nilai dari m . c adalah konstan. Nilai dari m . c disebut juga dengan kapasitas kalor yang diberi lambang "C" (huruf kapital). Kapasitas kalor didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk mengubah suhu benda sebesar satu satuan suhu.

—  Persamaan kapasitas kalor dapat dinyatakan dengan: Q = C . ΔT

—  Satuan dari C adalah J/K Dari persamaan:     Q  =  m . c . ΔT dan  Q  = C . ΔT

—  diperoleh: C = m . c

MENGUKUR KALOR

—  Pengukuran kalor sering dilakukan untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Dengan mengetahui kalor jenis suatu zat maka dapat dihitung banyaknya kalor yang dilepaskan atau diserap dengan mengetahui massa zat dan perubahan suhunya, menggunakan persamaan: Alat yang dapat digunakan untuk mengukur kalor adalah kalorimeter.

ASAS BLACK

—  Bila dua zat yang suhunya tidak sama dicampur maka zat yang bersuhu tinggi akan melepaskan kalor sehingga suhunya turun dan zat yang bersuhu rendah akan menyerap kalor sehingga suhunya naik sampai terjadi kesetimbangan termal. Karena kalor merupakan suatu energi maka berdasar hukum kekekalan energi diperoleh kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap.

—  Konsep tersebut sering disebut dengan azaz Black, yang secara matematis dapat dinyatakan: 

—  Q dilepaskan = Q diserap

PERUBAHAN WUJUD ZAT

—  Wujud zat dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu zat padat, zat cair dan zat gas. Wujud suatu zat dapat berubah dari wujud zat yang satu menjadi wujud yang lain. Perubahan wujud dapat disebabkan karena pengaruh kalor. Perubahan wujud zat selain karena penyerapan kalor, dapat juga karena pelepasan kalor. Setiap terjadi perubahan wujud terdapat nama-nama tertentu.Berikut adalah skema perubahan wujud zat beserta nama perubahan wujud zat tersebut.

—  Pada saat zat mengalami perubahan wujud, suhu zat tersebut tetap, sehingga selama terjadi perubahan wujud zat seakan-akan kalor tersebut disimpan. Kalor yang tersimpan tersebut disebut kalor laten, yang diberi lambang "L". Banyaknya kalor yang diserap atau dilepaskan selama terjadi perubahan wujud dapat dinyatakan dengan persamaan: Q  =  m . L

—  Q = banyak kalor yang diserap atau dilepaskan (dalam joule)

—  m = massa zat yang mengalami perubahan wujud (dalam Kg)

—  L = kalor laten (dalam Joule/Kg)

—  Dari hasil percobaan yang dilakukan oleh para ilmuwan diperoleh:

—  Kalor uap  =  Kalor embun

—  Kalor lebur  =  Kalor beku

PEMUAIAN

—  Perubahan suatu benda yang bisa menjadi bertambah panjang, lebar, luas, atau berubah volumenya karena terkena panas (kalor). Pemuaian tiap-tiap benda akan berbeda, tergantung pada suhu di sekitar dan koefisien muai atau daya muai dari benda tersebut.

      PEMUAIAN ZAT PADAT

—  A. Pemuaian Panjang

—  Pemuaian panjang disebut juga dengan pemuaian linier.Pemuaian panjang zat padat berlaku jika zat padat itu hanya dipandang sebagai satu dimensi (berbentuk garis). Pemuaian panjang disebut juga dengan pemuaian linier.

ΔL = α . Lo . ΔT dimana ΔL = Lt-Lo

    Sehingga

—       Lt-Lo = α . Lo . ΔT atau Lt = Lo + α . Lo . ΔT

—           Lt = Lo . (1 + α . ΔT)

—  B. Pemuaian Luas

                Jika zat padat tersebut mempunyai 2 dimensi (panjang dan lebar), kemudian dipanasi tentu baik panjang maupun lebarnya mengalami pemuaian atau dengan kata lain luas zat padat tersebut mengalami pemuaian. Koefisien muaipada pemuaian luas ini disebut dengan koefisien muai luas yang diberi lambang β.

At = Ao . (1 + β . ΔT)

At = luas zat padat pada suhu t

Berdasarkan penurunan persamaan pemuaian luas, diperoleh nilai β = 2α.

  

—  C.  Pemuaian Volume

—  Zat padat yang mempunyai bentuk ruang, jika dipanaskan mengalami pemuaian volum. Koefisien pemuaian pada pemuaian volum ini disebut dengan koefisien muai volum atau koefisien muai ruang yang diberi lambang γ.

   Jika volum mula mula Vo, pertambahan volum  ΔV dan perubahan suhu ΔT, maka koefisien muai volum dapat dinyatakan dengan persamaan:ΔV = γ . Vo. ΔT atau

—  Vt= Vo. (1 + γ . ΔT)

—  Vt = volum zat padat pada suhu t

—   γ = 3 α

PEMUAIAN ZAT CAIR

—  Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan bahwa pada umumnya setiap zat memuai jika dipanaskan, kecuali air jika dipanaskan dari 0 C sampai 4 C, menyusut. Sifat keanehan air seperti itu disebut anomali air. Karena pada zat cair hanya mengalami pemuaian volum, maka pada pemuaian zat cair hanya diperoleh persamaan : Vt= Vo. (1 + γ . ΔT)

—  Vt = volum zat padat pada suhu t

—   γ = 3 α

PEMUAIAN ZAT GAS

—  Jika gas dipanaskan, maka dapat mengalami pemuaian volum dan dapat juga terjadi pemuaian tekanan. Dengan demikian pada pemuaian gas terdapat beberapa persamaan, sesuai dengan proses pemanasannya.

a. Pemuaian volum pada tekanan tetap (Isobarik)

Pada tekanan tetap, volum gas sebanding dengan suhu mutlak gas itu.Pernyataan itu disebut hukum Gay-Lussac .Secara matematik dapat dinyatakan: V ~ T

b. Pemuaian tekanan gas pada volum tetap (Isokhorik)

Pada volum tetap tekanan gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Pernyataan itu disebut juga dengan hukum Gay-Lussac. Secara matematik dapat dinyatakan:  P ~ T

 c. Pemuaian volum gas pada suhu tetap (Isotermis)

Pada suhu tetap, tekanan gas berbanding terbalik dengan volum gas.Pernyataan itu disebut hukum Boyle. Salah satu penerapan hukum Boyle yaitu pada pompa sepeda. Dari hukum Boyle tersebut diperoleh:P . V = tetap atau P1 V1= P2 . V2

PERPINDAHAN KALOR

Kalor merupakan suatu bentuk energi yang dapat berpindah karena ada perbedaan suhu. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan 3 cara, yaitu secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk lebih jelasnya perhatikan

1.Konduksi

—  Perpindahan kalor secara konduksi (hantaran) adalah perpindahan kalor melalui zat perantara dimana partikel-partikel zat perantara tersebut tidak berpindah.

     Secara matematik banyaknya kalor H yang mengalir dari ujung bersuhu T1 ke ujung bersuhu T2 dapat dinyatakan dengan persamaan:

H = perambatan kalor tiap satuan waktu (Kal/det)

ΔT = perbedaan suhu (

K = koefisien konduksi termal (Kal/m

A = luas penampang (m

L = panjang (m)

II. Konveksi

Perpindahan kalor karena aliran zat yang dipanaskan. Konveksi hanya terjadi pada zat yang dapat mengalir, yaitu zat cair dan zat gas.

a. Konveksi dalam zat cair

Gerakan atau sirkulasi air dalam tempat dinamakan arus konveksi.

b. Konveksi dalam udara

—  Banyaknya kalor yang merambat tiap satuan waktu secara konveksi dapat dinyatakan dengan persamaan:

H = perambatan kalor tiap satuan waktu (Kal/det)

A = luas penampang (m

h = koefisien konveksi (Kal/m det

 ΔT = perbedaan suhu

Note: Persoalan perpindahan kalor secara konveksi sangat sulit.

—  III. RADIASI

Perpindahan kalor tanpa zat perantara.

—  Benda yang permukaannya hitam kusam memancarkan atau menyerap kalor lebih baik dari pada benda yang permukaannya putih mengkilap.

—  Banyaknya kalor yang dipancarkan tiap satuan luas, tiap satuan waktu dapat dinyatakan dengan :

W = energi kalor tiap satuan luas tiap satuan waktu (Watt/m^2K)

e = emisivitas, besarnya tergantung sifat permukaan benda.

t = konstanta stefan - Boltzman = 5,672.10^-8

T = suhu mutlak (K)

—  Catatan: Untuk benda hitam e = 1 untuk benda bukan hitam 0 < e < 1