BAB V PENUTUP
Lampiran 3. Handout Kelas Eksperimen dan Kelas Kontrol
Handout Kelas Eksperimen dan Kelas
Kontrol
Suhu dan termometer
Pemuaian
Kalor
Perubahan Wujud
Perpindahan Kalor
Lampiran 3. Handout Materi Suhu dan Kalor SUHU DAN TERMOMETER
Pengertian Suhu. Suhu merupakan besaran yang menunjukkan panas atau dinginnya suatu benda. Panas atau dingin suatu benda dapat dirasakan oleh indra peraba, tetapi indra peraba tidak dapat mengetahui dengan pasti derajat panasnya. Agar dapat diukur secara pasti digunakan alat ukur yang disebut termometer.
Termometer. Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu dengan tepat yang dinyatakan dengan suatu angka. Saat terjadi kesetimbangan termal antara zat dan termometer, suhu yang ditunjukan termometer sama dengan suhu zat yang diukur. Ini berarti saat termometer disentuhkan pada zat terjadi rambatan kalor dari zat yang diukur suhunya kedalam termometer atau sebaliknya hingga terjadi kesetimbangan. Oleh sebab itu, suhu zat yang diukur harus mempunyai volume relatif jauh lebih besar dari volume termometernya, supaya tidak terjadi penurunan suhu dari zat karena ada kalor yang diserap atau diberikan oleh termometer.
1. Macam-macam skala termometer
Beberapa jenis skala termometer adalah skala Celcius, skala Fahrenheit, skala Reamur dan skala Kelvin. Keempat jenis skala tersebut memiliki perbedaan dalam pembagian skala.
a. Skala Celcius
Skala Celcius ditetapkan oleh Anders Celcius (1701-1744). Ia menetapkan skala tersebut berdasarkan pada eksperimen berikut.
Sebuah termometer tidak berskala dimasukan ke dalam bejana berisi balok- balok kecil es. Pada saat es melebur, permukaan raksa dalam tabung termometer akan turun sampai batas tertentu. Keadaan ini ditetapkan sebagai titik tetap bawah dan diberi angka 0°C, pada tekanan 1 atmosfer. Selanjutnya, termometer itu dimasukan kedalam bejana berisi air mendidih. Kemudian, antara titik tetap bawah (0°C) dan titik tetap atas (100°C) dibagi menjadi 100 skala yang sama jaraknya.
b. Skala Reamur
Termometer dengan skala Reamur ditetapkan oleh Rene Antoine Ferchault de Reamur (1683-1757). Pada termometer skala Reamur, titik lebur es ditetapkan pada angka 0°R. Adapun titik didih air pada angka 80°R. Antarkedua titik tetap ini dibagi 80 satuan.
c. Skala Fahrenheit
Termometer dengan skala Fahrenheit ditetapkan Gabriel Fahrenheit (1686-1736). Ia menetapkan titik lebur es pada angka 32 dan titik didih air diberi angka 212. Antarkedua titik tetap itu dibagi menjadi 180 satuan. d. Skala Kelvin
Skala Kelvin ditetapkan oleh William Thomson yang lebih dikenal sebagai Lord Kelvin. Pada termometer skala Kelvin, titik lebur es ditetapkan pada angka 273 K dan titik didih air pada angka 373 K. Antar kedua titik tetap ini dibagi 100 satuan.
2. Perbandingan skala termometer
Tabel perbandingan skala termometer Termometer Titik beku air (°) Titik didih air
(°) Pembagian skala (°) Celcius ( C) 0 100 100 Reamur (R) 0 80 80 Fahrenheit (F) 32 212 180 Kelvin (K) 273 373 100
Dari tabel tersebut diperoleh perbandingan pembagian skala Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin sebagai berikut :
T (° C) : T (° R) : T (° F) : T (K) = 100 : 80 : 180 : 100 = 5 : 4 : 9 : 5 1) Kesamaan antara skala Celcius dan Reamur
) 2) Kesamaan antara skala Celcius dan Fahrenheit
3) Kesamaan antara skala Celcius dan Kelvin
4) Kesamaan antara skala Reamur dan Fahrenheit
Atau dapat juga dirumuskan dengan :
dengan :
T1 = suhu termometer 1
T2 = suhu termometer 2
Ta = titik tetap atas
Tb = titik tetap bawah
3. Jenis – jenis termometer
a. Termometer maksimum-minimum
Digunakan oleh pengamat cuaca untuk mengetahui suhu udara tertinggi dan suhu udara terendah dalam suatu hari. Termometer ini disebut juga termometer Six- Belanni.
b. Termometer suhu badan ( termometer klinis)
Termometer ini khusus dibuat untuk mengukur suhu tubuh manusia. Skala pengukurannya di antara 35°C dan 42°C karena suhu tubuh manusia berada pada daerah sekitar suhu tersebut.
c. Termometer untuk keperluan industri
Di industri, keperluan pengukuran suhu yang tinggi digunakan termometer logam yang bekerja berdasarkan hambatan logam. Jika terjadi kenaikan suhu, hambatan logam yang akan naik sehingga daya hantar listriknya menurun. Sifat daya hantar listrik inilah yang dipakai sebagai dasar pengukuran suhu.
d. Termometer optik
Termometer optik bekerja berdasarkan warna cahaya yang dipancarkan oleh suatu logam jika logam tersebut dipanaskan dapat memancarkan warna- warna pelangi bergantung pada suhu benda tersebut.
Contoh soal :
1. Suatu termometer Reamur menunjukan angka 600 R, berapakah suhu tersebut dalam skala Kelvin?
Jawab : T°R = 60°R = = 75°C T°C = (T + 273) K 75°C = (75 + 273) K = 348 K
2. Hasil pengukuran dengan termometer Reamur suatu zat menunjukan suhu 40°C. Jika diukur dengan termometer yang menggunakan skala Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin berapa suhu zat tersebut?
Jawab :
Diketahui : T(°C) = 40°C a. Dalam skala Reamur
T°C = 40°C =
= 32°R
b. Dalam skala Fahrenheit T°C = 40°C = = 104 °F
c. Dalam skala Kelvin T°C = (T + 273) K 40°C = (40 + 273) K = 313 K Tugas !
1. Pada suhu berapa nilai pada skala Celcius dan Fahrenheit sama?
2. Carilah di internet adanya bermacam termometer dan jelaskan cara kerjanya 3. Berilah komentar terhadap pernyataan berikut (setuju atau tidak setuju) dan
sertakan dengan alasan:
a. Suhu benda bergantung pada ukuran besarnya b. Suhu bukan sifat dari suatu materi
PEMUAIAN
Masih ingatkah bahwa zat tersusun atas partikel-partikel atau molekul-molekul yang senantiasa bergerak dan mempunyai gaya tarik satu terhadap yang lain? Jika dipanaskan, gerakan molekulnya semakin cepat. Hal ini menyebabkan molekul- moekulnya akan mendorong satu sama lain sehingga jarak antarmolekulnya menjadi lebih besar. Molekul-molekul akan menempati ruang yang lebih besar. Peristiwa ini disebut pemuaian. Sebaliknya, jika suatu zat didinginkan, gerakannya menjadi lebih lambat. Gaya tarik antar molekulnya menjadi lebih besar sehingga jarak antar molekulnya kecil, zat tersebut menyusut. Besar pemuaian dari suatu benda bergantung pada jenis zat pembentuk benda, ukuran benda mula-mula, serta besarnya kenaikan suhu benda tersebut. Jadi, semua zat yang dipanaskan akan memuai dan akan menyusut jika didinginkan.
Pemuaian bisa terjadi pada zat padat, pada zat cair, dan pada gas. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang (untuk satu dimensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk tiga dimensi). Sedangkan pada zat cair dan gas hanya terjadi pemuaian volume saja.
a. Pemuaian panjang
Sebuah batang logam semula panjangnya L0 pada suhu T0. Batang ini
selanjutnya dipanaskan sehingga suhunya bertambah sebesar ∆T. Akibatnya, batang akan memuai dan panjangnya bertambah sebesar ∆L. Jika perubahan suhu ∆T tidak terlalu besar, ∆L akan sebanding dengan ∆T. Secara matematis dinyatakan :
∆L = αL0∆T
dengan α adalah koefisien muai panjang yang bergantung pada jenis bahan.
Satuan α adalah K-1
atau (°C) -1. Panjang batang setelah memuai adalah L = L0+ ∆L atau L = L0( 1 + α∆T).
b. Pemuaian luas
Jika zat padat berbentuk pelat dengan luas A0 dipanaskan, akan terjadi
pemuaian dalam arah panjang dan lebarnya. Dengan kata lain, zat mengalami pemuaian luas. Besar pemuaian luas (∆A) akan sebanding
dengan perubahan suhu ∆T dan luas awalnya (A0). Secara matematis,
∆A = A0 ∆T
dengan = koefisien muai luas. c. Pemuaian volume
Kenaikan suhu juga dapat menimbulkan pemuaian volume. Besar pemuaian volume (∆V) berbanding lurus dengan perubahan suhu ∆T dan volume mula-mula V0. Secara matematis, dinyatakan bahwa
∆V = V0 ∆T
dengan adalah koefisien muai volume. Contoh soal
1. Jika panjang sebatang pita kuningan 100 cm pada 250C, tentukan panjangnya pada 750C. koefisien muai kuningan 19106(/0C)!
Jawab : diketahui: T0 = 250C dengan L0 = 100 cm ditanya: L1 ……. saat T1 = 750C ? Penyelesaian: m L C C C m L T T L T L L 4 0 0 0 6 1 2 0 0 10 5 , 9 ) 25 75 ( / 10 19 1 ) ( ∆L = L0α∆T = L0α(T1-T0) ∆L = ( 1 m ) ( 19.10-5/°C ) (75°C-25°C) ∆L = 9,5 x 10-4 m Jadi, L1 = L0+ ∆L L1 = 1 m + (9,5 x 10-4m) L1 = 1,00095 m
2. Sebuah bola berongga terbuat dari perunggu (koefisien muai linear
) (/ 10 19 6 0C
)pada suhu 00C. Jari-jarinya = 1 m. Jika bola tersebut dipanaskan dari 0 °C sampai suhu 800C, maka pertambahan luas penampang bola adalah sebesar (m2)?Diketahui:
19106(/0C) C C 6 0 0 6 / 10 38 ) / 10 19 ( 2 2
T0 = 00C dengan r0 = 1 mDitanya: ΔA……. saat bola dipanaskan sampai suhu T1 = 800C ?
Jawab:
Luas bola pada T0 = 00C dengan r0 = 1 m
Bola dipanaskan sampai suhu T1 = 800C, sehingga kenaikkan suhu ΔT =
800C - 00C = 800C. Pertambahan panjang luas bola, ΔA:
2 2 0 2 0 6 0 10 15 , 1 ) 80 )( 4 )( / 10 38 ( m A C m C A T A A Tugas!
1. Jelaskan berdasarkan konsep pemuaian mengapa peristiwa ini terjadi : a. Rel kereta api dapat melengkung dan mengakibatkan kecelakaan! b. Kawat listrik dan telepon dapat putus karena cuaca!
c. Banyak pintu dan jendela rumah sulit ditutup atau selalu terbuka karena cuaca berbeda!
d. Bagaimana orang membuat cangkul, clurit, roda kereta yang dilapisi besi. e. Botol yang diisi penuh dengan air dan ditutup rapat bila dipanaskan akan
pecah!
2. Sebuah silinder kuningan bervolume 200 cm3 di isi etanol hingga penuh pada suhu 20°C. Jika silinder berisi etanol itu dipanaskan hingga 100°C, berapakah volume etanol yang tumpah? (Koefisien muai volume silinder adalah sebesar 6 x 10-5/°C dan koefisien muai volume etanol 75 x 10 -5/°C)!
KALOR
Kalor adalah salah satu bentuk energi. Pengertian kalor sebagai bentuk energi baru berkembang pada awal abad kesembilan belas. Sebelumnya, orang menganggap bahwa kalor adalah suatu zat yang dapat mengalir dari suatu benda kebenda lainnya. Jika kalor dianggap suatu zat, berarti kalor tersebut haruslah mempunyai massa karena setiap zat mempunyai massa. Ternyata, kalor tidak mempunyai massa. Jadi, kalor bukanlah suatu zat. Secara umum kalor didefinisikan sebagai energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan suhu atau temperatur. Satuan yang umum untuk kalor yang masih digunakan sekarang dinamakan kalori.
1. Kalor jenis
Jika suatu zat menerima kalor, suhu zat tersebut akan naik. Besarnya kenaikan suhu dari suatu zat sebanding dengan banyaknya kalor yang diterima oleh zat tersebut, berbanding terbalik dengan massa dan kalor jenis zat. Jika kalor jenis suatu zat besar, untuk menaikan suhu zat tersebut sebesar 1°C dibutuhkan kalor yang banyak. Demikian juga jika massa zat tersebut banyak, untuk menaikan suhu zat tersebut sebesar 1°C dibutuhkan kalor yang besar pula. Kalor jenis didefisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikan suhu 1 kg zat tersebut sebesar 1°C.
Hubungan antara banyaknya kalor yang diserap oleh suatu benda terhadap kalor jenis benda serta kenaikan suhu benda dituliskan dalm bentuk persamaan:
Q = m c ∆T dengan :
Q = kalor ( kalori atau Joule) m = massa benda (gram atau kg)
c = kalor jenis (kal/g°C atau Joule/kg°C) ∆T = perubahan suhu (°C)
Semakin besar kalor jenis suatu benda, semakin besar pula kemampuan benda tersebut untuk menyerap kalor.
2. Kapasitas kalor
Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu benda sebanding dengan kapasitas kalor benda tersebut , dan sebanding pula dengan perubahan suhunya. Kapasitas kalor (C) suatu kalorimeter didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diserap oleh kalorimeter untuk menaikkan suhu sebesar
1⁰C. Hubungan antara banyanknya kalor yang diserap oleh suatu benda terhadap kapasitas kalor benda dan kenaikan suhu suatu benda dituliskan dalam bentuk persamaan :
Q = C ∆T dengan
Q = kalor ( kalori atau Joule )
C = kapasitas kalor (kal/°C atau Joule /°C)
∆T = perubahan suhu (°C)
Pengertian kapasitas kalor ( C) berbeda dengan kalor jenis (c), tetapi keduanya memiliki hubungan sebagai berikut:
Persamaan untuk kalor jenis :
Q = m c ∆T Persamaan untuk kapasitas kalor :
Q = C ∆T Sehingga didapatkan persamaan :
m c ∆T = C ∆T C = m c
dengan :
c = kalor jenis ((kal/g°C atau Joule/kg°C) C = kapasitas kalor (kal/°C atau Joule /°C)
Contoh soal
1. Sebuah benda bermassa 0,5 kg mempunyai kalor jenis 860 J/kg°C. Jika benda tersebut diberikan kalor 1 720 joule, hitung perubahan suhu benda tersebut. Diketahui : m = 0,5 kg
c = 860 J/kg°C Q = 1720 J Perubahan suhu benda : Q = m c ∆T
( )
Jadi, suhu naik sebesar 4°C.
2. Sebuah kalorimeter memiliki kapasitas kalor sebesar 2000 joule/°C. Tentukan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu kalorimeter sebesar 10°C.
Jawab :
Diketahui : C = 2000 joule/°C ∆T = 10°C
Q = C ∆T = (2000 joule/°C)( 10°C) = 20000 joule = 20 kJ Jadi, kalor yang dibutuhkan sebesar 20 kJ.
Tugas
1. Sebatang besi bermassa 5 kg akan dinaikan suhunya sebesar 10 °C. Jika kalor yang dibutuhkan sebesar 20 kJ, berapakah kalor jenis dan kapasitas kalor besi tersebut?
2. Berilah komentar terhadap pernyataan berikut (setuju atau tidak setuju) dan sertakan dengan alasan:
c. Panas bukanlah energi
PERUBAHAN WUJUD ZAT
Kalor dapat mengubah wujud zat. Misalnya, es (zat padat) yang dipanaskan (diberi kalor) akan berubah wujudnya menjadi air (zat cair). Demikian pula sebaliknya, air (zat cair) yang didinginkan (diambil kalornya) dalam batas tertentu akan berubah wujud menjadi es (zat padat).
Secara umum perubahan wujud zat dibagi dalam beberapa bentuk sebagai berikut :
Contoh peristiwa perubahan wujud benda 1. Padat cair : mencair atau melebur
Es batu yang mencair. Lilin mencair terkena api 2. Cair padat : membeku
Air yang membeku di dalam kulkas (freezer). Lilin yang membeku dengan sendirinya. 3. Gascair : mengembun
Embun pada tanaman di pagi hari 4. Cair gas : menguap
Air yang menguap terkena sinar matahari. Air yang direbus lama kelamaan habis. 5. Padat gas : menyublim
Kapur barus yang disimpan di tempat terbuka lama kelamaan habis 6. Gas padat : mengkristal
Parfum yang disemprotkan ke tubuh akan terlihat seperti butiran-butiran kecil
Pada umumnya, suhu suatu zat akan naik jika menerima kalor dan akan turun jika melepaskan kalor. Namun, ada suatu kondisi di saat kalor yang diterima suatu zat bukan lagi digunakan untuk menaikan suhu zat itu, melainkan untuk mengubah wujudnya. Demikian pula, ada satu kondisi di saat kalor yang dilepaskan suatu zat bukan lagi digunakan untuk menurunkan suhu suatu zat itu, melainkan untuk mengubah wujudnya.
Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud benda disebut kalor laten (L). Kalor laten (L) adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk mengubah wujud zat itu.
Secara matematis dapat dinyatakan:
atau Q = mL Dengan Q = kalor dan m = massa zat
Ada beberapa jenis kalor laten yaitu kalor laten lebur, kalor laten beku, kalor laten beku, dan kalor laten embun.
1. Kalor laten lebur
Kalor laten lebur atau kalor lebur adalah banyaknya kalor yang diserap untuk mengubah 1 kg zat dari wujud padat menjadi cair pada titik leburnya.
2. Kalor laten beku
Kalor laten beku atau kalor beku adalah banyaknya kalor yang dilepaskan untuk mengubah 1 kg zat dari wujud cair menjadi padat pada titik bekunya. Kalor lebur sama dengan kalor beku dan titik lebur sama dengan titik beku.
3. Kalor laten uap
Kalor laten uap atau kalor uap adalah banyaknya kalor yang diserap untuk mengubah 1 kg zat dari wujud cair menjadi uap pada titik didihnya.
4. Kalor laten embun
Kalor laten embun atau kalor embun adalah banyaknya kalor yang dilepaskan untuk mengubah 1 kg zat dari wujud uap menjadi cair pada titik embunnya. Kalor embun sama dengan kalor uap dan titik embun sama dengan titik didih.
Contoh soal
1. Hitunglah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 1 gram es bersuhu -5°C menjadi 1 gram air bersuhu 15°C jika diketahui kalor jenis es adalah 0,5 kal/g°C, kalor lebur es 80 kal/g, dan kalor jenis air 1 kal/g°C.
Jawab : mes = 1 gram mair = 1 gram ces = 0,5 kal/g°C cair = 1 kal/g°C Llebur es = 80 kal/g
Titik lebur es = titik beku air = 0°C ∆Tes = 0°C – (- 5°C) = 5°C
∆Tair = 15°C – 0°C = 15°C
Total jumlah kalor yang dibutuhkan adalah kalor untuk menaikan suhu es dari - 5°C menjadi 0°C ditambah kalor utnuk mengubah wujud 1 gram es menjadi 1 gram air ditambah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air dari suhu 0°C menjadi 15°C.
Q = (mes ces∆Tes) + (mes Llebur es) + (mair cair∆Tair)
= (1 g) (0,5 kal/g°C) (5°C) + (1 g) (80 kal/g) + (1 g) (1 kal/g°C) (15°C) = 2,5 kal + 80 kal + 15 kal
= 97,5 kal Tugas
1. Es 50 gram 0°C dicampurkan dengan 250 gram air 40°C. Berapa suhu akhirnya? 2. Berilah komentar terhadap pernyataan berikut (setuju atau tidak setuju) dan
sertakan dengan alasan:
a. Mendidih adalah suhu tertinggi yang dapat dicapai suatu benda b. Air pasti membeku pada suhu 0°C
PERPINDAHAN KALOR
Kalor berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Perpindahan kalor dapat dikelompokan kedalam tiga macam yaitu : secara konduksi, konveksi dan radiasi.
1. Konduksi
Jika sebatang logam yang salah satu ujungnya dipanaskan, ujung yang lainnya pun akan terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa pada batang logam tersebut terjadi aliran atau perpindahan kalor dari logam bersuhu tinggi ke bagian logam bersuhu rendah. Perpindahan kalor pada logam yang tidak diikuti perpindahan massa ini disebut dengan perpindahan kalor secara konduksi. Jadi, konduksi adalah perpindahan kalor yang dilakukan melalui zat perantara dan selama terjadi perpindahan kalor tidak disertai dengan perpindahan dari partikel-partikel zat perantaranya.
Perpindahan kalor didalam zat padat ini dapat dijelaskan dengan teori atom. Atom-atom didalam zat padat yang dipanaskan akan bergetar dengan kuat. Atom-atom yang bergetar akan memindahkan sebagian energinya kepada atom- atom tetangga terdekat yang ditumbuknya. Kemudian, atom tetangga ini akan ikut bergetar dan menumbuk atom tetangga yang lainnya, demikian seterusnya sehingga terjadi perpindahan energi atau kalor didalam zat padat.
Pada logam, elektron-elektronnya dapat bergerak bebas sehingga akan ikut berperan didalam menentukan perpindahan kalor tersebut. Dari hasil percobaan, dapat dibuktikan bahwa logam merupakan penghantar arus listrik yang sangat baik.
Dari hasil percobaan didapatkan bahwa perpindahan kalor bergantung pada jenis logam, luas penampang penghantar panas, perbedaan suhu dari kedua ujung-ujung logam tempat kalor merambat, serta panjang jalan yang dilalui oleh kalor tersebut.
Perpindahan kalor secara konduksi persatuan waktu dirumuskan :
dengan :
k = koefisien konduksi termal (J/ms°C)
A = luas panampang perpindahan kalor dari batang logam (m2) L = panjang batang ( meter)
T1 = suhu ujung batang logam bersuhu tinggi (°C)
T2 = suhu ujung batang logam bersuhu rendah (°C)
∆T = beda suhu antar T1 dan T2 (°C)
Jadi, perpindahan kalor secara konduksi berbanding lurus terhadap luas penampang serta beda suhu antara kedua ujung-ujung logam dan berbanding terbalik dengan panjang logam penghantar kalor tersebut.
2. Konveksi
Pada saat memanaskan air didapur menggunakan panci, kalor akan berpindah dari air yang ada didasar panci kepermukaannya secara konveksi. Perpindahan kalor secara konveksi disertai gerakan massa atau gerakan pertikel- pertikel zat perantaranya. Perpindahan ini terjadi karena adanya perbedaan massa jenis. Akibat panas, massa jenisnya akan berkurang sehingga partikel- partikel yang mempunyai massa jenis yang lebih besar, yaitu yang suhunya lebih rendah akan turun. Adapun kalor dari panci ke air berpindah secara konduksi. Perpindahan kalor secara konveksi hanya terjadi pada zat cair dan gas saja (fluida) karena partikel-partikelnya dapat bergerak bebas. Perpindahan kalor secara konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai perpindahan partikel.
Jika disederhanakan rambatan kalor secara konveksi persatuan waktu dapat dituliskan dalam bentuk :
H = h A ∆T dengan
H = kalor yang merambat per satuan waktu (J/s) h = koefisien konveksi termal (J/sm2°C)
A = luas penampang perpindahan kalor pada tabung (m2) ∆T = beda suhu antara T1 dan T2 (°C)
Nilai koefisien konveksi termal selain bergantung pada sifat- sifat fluidanya, juga bergantung pada bentuk dan kedudukan geometri permukaan tempat fluida.
3. Radiasi
Radiasi adalah pancaran energi dengan cara emisi dari permukaan benda secara kontinu. Emisi atau pancaran energi ini berupa gelombang elektromagnetik yang dapat merambat tanpa zat perantara.
Walaupun matahari jauh dari bumi, dan bagian terbesar ruang diantaranya adalah hampa, tetapi energi dari matahari dapat sampai kebumi. Jadi, energi yang dipancarkan oleh matahari sampai kebumi berperilaku sebagai gelombang elektromagnetik yang tidak memerlukan zat perantara unruk merambat.
Sebenarnya, setiap benda memancarkan dan menyerap energi radiasi. Jika benda bersuhu lebih panas, benda tersebut akan memancarkan panasnya ke lingkungan. Sebaliknya, jika benda bersuhu lebih rendah dari lingkungan, benda tersebut akan menyerap panas dari lingkungan.
Josef Stefan mengemukaakn bahwa besarnya energi persatuan luas persatuan waktu yang dipancarkan oleh permukaan sebuah benda ke lingkungannya memenuhi persamaan :
P = ℯσ T4 dengan :
P = energi persatuan luas per satuan waktu (J/m2s atau watt/m2)
ℯ = koefisien emisivitas (tidak bersatuan) σ = konstanta umum (5,672 x 10-8 watt/m2K4) T = suhu mutlak (K)
Untuk benda hitam sempurna, harga ℯ = 1. Benda-benda lain, harga koefisien emisivitas lebih kecil dari satu. Harga ℯ bergantung pada keadaan permukaan benda, yaitu kekasarannya serta warna dari benda. Oleh karena P bersatuan joule /m2s atau watt/m2, untuk menetukan besarnya energi yang dipancarkan oleh sebuah benda ditentukan dengan persamaan :
W = ℯσ T4 A t Dengan :
W = energi yang dipancarkan oleh permukaan benda (joule) A = luas permukaan benda ( m2)
t = waktu atau lamanya emisi energi (sekon)
Jika dibandingkan terhadap lingkungan yang bersuhu T0, persamaannya akan
menjadi:
Contoh soal :
1. Sebuah batang besi panjangnya 4 meter dengan luas penampang 25 cm2. Beda suhu antara kedua ujung besi 80°C. Diketahui pula koefisien konduksi termal besi 4,6 J/ms°C. Tentukanlah jumlah kalor yang dipindahkan per satuan waktu. Diketahui : L = 4 m ∆T = 80°C A = 25 cm2 = 25 x 10-4m2 k = 4,6 J/ms°C Sehingga : ( ) = 0,23 joule/s
2. Gas dengan koefisien konveksi termal 0,05 kal/s m2°C dirambatkan didalam pipa dengan luas penampang 10 cm2. Gas mengalir dari tempat bersuhu 80°C ketempat lain yang suhunya 70°C. Hitunglah besarnya kalor yang dipindahkan selama satu jam.
Jawab : Diketahui : h = 0,05 kal/s m2°C A = 10 cm2 = 0,001 m2 dan ∆T = (80-70)°C = 10°C Sehingga : H = h A ∆T = ( 0,05 kal/s m2°C) (0,001 m2) (10°C) = 5 x 10 kal/s
Dalam waktu 1 jam = 3600 sekon, banyaknya kalor yang berpindah sebesar: Q = H t = (5 x 10 kal/s)(3600 s) = 1,8 kal
3. Sebuah benda hitam sempurna suhunya 127°C dengan luas permukaan 50 cm2 memancarkan energi ke lingkungan bersuhu 27°C. Tentukan energi persatuan waktu yang dipancarkan oleh benda tersebut.
Jawab :
Benda hitam sempurna, ℯ = 1
Luas permukaan : A =50 cm2 = 50 x 10-4 m2
Konstanta umum, σ = 5, 672 x 10-8
watt/ m2K4
T1 = (273 + 127) = 400 K dan T2 = (273 + 27) = 300 K
( )
(50 x 10-4m2) = 4,963 joule/s
= 4,963 watt
Jadi, besarnya energi persatuan waktu yang dipancarkan oleh benda tersebut adalah 4,963 watt.
Tugas
1. Tulislah dan jelaskan beberapa kejadian sekitar yang menunjukan terjadinya proses perpindahan panas melalui
a. Konduksi b. konveksi dan c. radiasi.
ASAS BLACK
Seorang ilmuwan Inggris yaitu Joseph Black mengadakan pengamatan mengenai kalor. Black menyatakan bahwa jika dua zat yang suhunya berbeda dicampur, zat yang suhunya lebih tinggi akan melepaskan sejumlah kalor yang akan diserap oleh zat yang lebih rendah.
Misalnya suatu zat panas A bermassa m1, kalor jenisnya c1 dan suhunya T1°C, dicampur
dengan suatu zat dingin B yang bermassa m2, kalor jenisnya c2 dan suhunya T2°C,
hingga suhu campurannya T°C.
Benda panas mengalami penurunan suhu sebesar ∆TT = (T1– T)°C
Benda dingin mengalami kenaikan suhu sebesar ∆TN = (T – T2)°C
Kalor yang diserap benda dingin Qserap = m2.c2.(T - T2)
Kalor yang dilepas benda panas Qlepas = m1.c1.(T1 - T)
Jika tidak ada kalor yang terbuang kelingkungan, maka : Qserap = Qterima m2.c2.(T - T2) = m1.c1.(T1 - T)
Jadi, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diserap oleh zat yang suhunya lebih rendah.
Kita mengenal prinsip itu sebagai Asas Black Contoh soal :
1. 2000 gram contoh timah hitam pada 110°C dimasukan kedalam sebuah kalorimeter yang mengandung 3000 gram air pada 18°C. Jika kalor jenis timah hitam 140 J/kg°C dan kalor jenis air 4 200 J/kg°C, maka suhu akhir campuran pada saat kesetimbangan termal dicapai adalah ....
diketahui : timah hitam m1= 2 kg c1 = 140 J/kg°C ∆T1 =( 110- x )°C air m2= 3 kg c2 = 4 200 J/kg°C ∆T2 =( x- 18 )°C
ditanya : suhu akhir tembaga? jawab : Q lepas = Q serap m1.c1.∆T1 = m2.c2.∆T2 (2 kg )( 140 J/kg°C ) ( 110- x )°C = (3 kg )( 4 200 J/kg°C )( x- 18 )°C 30 800 – 280x = 12 600x - 226 800 257 600 = 12 880x x = 20 °C Tugas
1. Sebuah benda bermassa 0,5 kg bersuhu 100°C dimasukan kedalam air yang