A. Kajian Teori
2. Konsep Suhu, Kalor dan Perpindahan kalor
Gambar 2. 1 Peta konsep suhu kalor, dan perpindahan kalor
Kalor
Panjang Luas Volume Mencair Menguap Konduksi
Mekanisme Perpindahan
b. Suhu dan Pemuaian 1). Suhu
Suhu atau temperatur merupakan suatu ukuran panas atau dinginnya benda.40 Suhu atau temperatur adalah ukuran rata-rata energi kinetik dari molekul.41 Saat suhunya naik, pergerakan partikelnya juga akan ikut meningkat. 42 Alat yang digunakan untuk mengukur suhu atau temperatur disebut termometer. 43 Pada termometer terdapat skala yang digunakan untuk mengukur suhu dengan tepat. Skala termometer paling umum dalam fisika adala skala Celcius, Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin. Skala yang paling banyak dipakai adalah skala celcius, di Amerika Serikat sering menggunakan skala fahrenheit. Skala yang paling penting dalam sains adalah skala absolut atau kelvin.44 Skala termometer dibuat berdasarkan dua titik acuan, yaitu titik tetap bawah yakni suhu air membeku atau titik beku air dan titik tetap atas yakni suhu air mendidih atau titik didih air.45 Seperti terlihat pada Gambar 2.1 berikut.
Gambar 2.2 Perbandingan Empat Skala Termometer Gambar diambil dari: https://i0.wp.com/www.amongguru.com/wp-content/uploads/2018/02/Screenshot_584.png?resize=300%2C173&ssl=1
Secara matematis perbandingan keempat skala termometer tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
40 Douglas C. Giancoli, Fisika: Prinsip dan Aplikasi Edisi Kelima Jilid 1, (Jakarta: Erlangga, 2001), h. 449.
41 David Sang. Dkk., Cambridge International AS and A Level Physics Coursebook Second Edition, Cambridge University Press, 2014, h.330
42 Rhett Allain, “Temperature Is Not What You Think It Is”, 2017, (https://www.wired.com/story/temperature-is-not-what-you-think-it-is/)
43 Douglas C. Giancoli, loc. cit.
44 Giancoli, D.C., Fisika Edisi kelima Jilid 1, (Jakarta: Erlangga, 2001), h. 451
45 Bambang Ruwanto, Fisika 2 untuk SMA kelas XI, (Jakarta: Yudhistira, 2017), cet. Pertama, hal. 109
= = = Keterangan:
adalah suhu dalam satuan derajat Celcius adalah suhu dalam satuan derajat Fahrenheit adalah suhu dalam satuan Reamur
adalah suhu dalam satuan Kelvin 2) Pemuaian
Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena kenaikan suhu yang terjadi pada benda tersebut. Setiap zat (padat, cair, dan gas) disusun oleh partikel-partikel kecil yang bergetar. Jika sebuah benda dipanaskan, partikel-partikel di dalamnya bergetar lebih kuat hingga saling menjauh (memuai). Jika benda didinginkan, getaran-getaran partikel lebih lemah, dan partikel-partikel saling mendekat (menyusut).46 Pemuaian pada zat meliputi pemuaian panjang, luas, dan volume.
Tabel 2. 2 Jenis-jenis pemuaian
Jenis Pemuaian Pertambahan Ukuran Ukuran Akhir Muai Panjang
Muai Luas
Muai Volume
Keterangan:
L = panjang akhir (m)
= panjang mula-mula (m)
α = koefisien muai panjang (/ atau / ) A = luas akhir ( )
= luas mula-mula ( )
β = koefisien muai volume (/ atau / ) β = 2α
V = volume akhir ( )
46 Marthen Kanginan, Fisika Untuk SMA/MA Kelas XI, (Jakarta: Erlangga, 2013), h. 200
= volume awal ( )
γ = koefisien muai volume (/ atau / ) γ = 3α
ΔT = perubahan suhu (°Catau K)
Besar pemuaian zat tersebut terkait dengan besar koefisien muainya. Pada zat padat, pemuaian yang terjadi berupa pemuaian panjang, luas, dan volume. Pada zat cair, pemuaian yang terjadi hanya pemuaian volume saja karena sifat zat cair yang selalu mengikuti bentuk ruang yang ditempatinya. Pada gas, pemuaian yang terjadi berupa pemuaian volume.47 Pemuaian panjang disebut juga dengan pemuaian linier.
Pemuaian panjang zat padat berlaku jika zat padat itu hanya dipandang sebagai satu dimensi (berbentuk garis). Sebagian besar zat akan memuai ketika dipanaskan dan menyusut saat didinginkan.48 Nilai koefisien muai panjang setiap zat berbeda-beda, dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
Tabel 2. 3 Nilai koefisien muai panjang (∝) untuk berbagai zat.49 Zat Koefisien Muai Panjang ( )
Aluminium 25 X 10-6
Kuningan 19 X 10-6
Besi atau Baja 12 X 10-6
Timah Hitam 29 X 10-6
Kaca (Pyrex) 3 X 10-6
Kaca (Biasa) 9 X 10-6
Kwarsa 0,4 X 10-6
Beton dan Bata 12 X 10-6
47 Bambang Ruwanto, Fisika 2 untuk SMA kelas XI, (Jakarta: Yudhistira, 2017), cet. Pertama, hal. 110-111
48 Giancoli, Op. Cit., h. 454.
49 Douglas C. Giancoli, op. cit., h. 455.
Mamer 1,4 – 3,5 X 10-6
Jika terdapat benda yang berbentuk lempengan plat (dua dimensi) dipanaskan, maka akan terjadi pemuaian dalam arah panjang dan lebar. Hal ini menunjukkan bahwa lempengan tersebut mengalami pertambahan luas atau pemuaian luas. Zat padat yang mempunyai tiga dimensi yaitu panjang, lebar, dan tinggi, seperti bola dan balok, jika dipanaskan akan mengalami muai volume, yakni bertambahnya panjang, lebar, dan tinggi zat padat pada benda tersebut. Nilai koefisien muai panjang setiap zat pun juga berbeda-beda, dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
Tabel 2. 4 Nilai koefisien muai volume pada bahan tertentu50 Zat Koefisien Muai Panjang ( )
Aluminium 7,2 X 10-5
Kuningan 6,0 X 10-5
Tembaga 5,1 X 10-5
Invar (paduan besi-nikel) 0,27 X 10-5
Kuarsa (dilebur) 0,12 X 10-5
Baja 3,6 X 10-5
Etanol 75 X 10-5
Karbon disulfide X 10-5
Gliserin 49 X 10-5
Raksa 18 X 10-5
50 Young, Loc. Cit.
c. Kalor dan perpindahan kalor 1) Pengertian Kalor
Kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur.51 Satuan energi kalor adalah kalori (kal), 1 kalori energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air murni sebesar 1 . Satuan energi dalam sistem SI adalah joule. yang diambil dari nama seorang ilmuwan yang telah berjasa dalam bidang ilmu Fisika, yaitu James Joule.52 Kalor berpindah dari benda yang memiliki suhu tinggi ke benda yang memiliki suhu rendah.53 Kalor timbul akibat adanya perbedaan suhu. Maka, perbedaan suhu dan kalor adalah sebagai berikut. Suhu merepresentasikan energi kinetik satu molekul zat. Sedangkan, kalor adalah perpindahan energi dalam dari suatu zat ke zat lain karena adanya perbedaan suhu.54 Satuan kalor adalah joule atau kalori. 1 kalori = 4,186 joule. Hubungan antara satuan kuantitas kalor dan satuan energi mekanik adalah sebagai berikut:
1 kal = 4,186 J = 4,190 J 1 kkal = 1000 kal = 4.190 J 1 Btu = 252 kal = 1.056 J.55
2) Kapasitas Kalor dan Kalor Jenis
Kapasitas kalor (C) didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar satu satuan suhu.56
=
Kalor jenis (c) dari suatu zat adalah kapasitas kalor per satuan massanya.
Secara matematis kalor jenis dirumuskan sebagai berikut.57 =
Keterangan:
51 Douglas C. Giancoli, op. cit., h. 490.
52 Mikrajuddin Abdullah.Fisika Dasar I. (Bandung: Institut Teknologi Bandun.2016), h.837-838
53 Douglas C. Giancoli, op. cit., h. 489.
54 Marthen Kanginan, Op. Cit., h.213
55 Bambang Ruwanto, Fisika 2 untuk SMA kelas XI, (Jakarta: Yudhistira, 2017), cet. Pertama, hal. 116
56Paul A. Tipler, Fisika: untuk Sains dan Teknik, terj. Lea Prasetio, Rahmad W. Adi, (Jakarta: Erlangga, 1998), h. 599.
57 Ibid.
adalah kapasitas kalor zat (J.K-1 atau J. -1 atau kal. -1) adalah kalor yang diserap atau dilepas benda (J atau kal)
adalah perubahan suhu ( ) adalah massa benda (kg)
adalah kalor jenis benda (J.kg-1. -1)
Kalor jenis suatu benda merupakan suatu ukuran seberapa tidak sensitifnya zat secara termal terhadap penambahan energi. Semakin besar kalor jenis suatu bahan, semakin besar pula energi yang harus ditambahkan pada bahan tersebut untuk menyebabkan perubahan suhu.58 Berikut nilai kalor jenis berbagai zat pada tekanan konstan 1 atm dan temperatur 20 pada tabel 2.4.
Tabel 2. 5 Nilai Kalor Jenis Pada Berbagai Zat59
Zat
Kalor
kkal.kg-1 -1 J.kg-1 -1
Alumunium 0,22 900
Tembaga 0,093 390
Kaca 0,20 840
C = Besi atau baja 0,11 450
Timah hitam 0,031 130
Marmer 0,21 860
Perak 0,056 230
Kayu 0,4 1700
Alkohol (ethyl) 0,58 2400
Raksa 0,033 140
58 Ibid.
59 Giancoli, op. cit., h. 493.
Zat
Kalor
kkal.kg-1 -1 J.kg-1 -1 Air
Es (5 ) 0,50 2100
Cair (15) 1,00 4186
Uap (110 0,48 2010
Tubuh manusia (rata-rata) 0,83 3470
Protein 0,4 1700
3) Hubungan Kalor dengan Suhu Zat
Jumlah energi kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat ialah sebanding dengan perubahan suhu dan massa zat tersebut.60 Secara matematis dituliskan sebagai berikut.
𝑄 = 𝑚.𝑐. Δ 𝑇 =𝐶. Δ𝑇 Keterangan:
adalah kalor jenis benda (J.kg-1. -1)
adalah kapasitas kalor zat (J.K-1 atau J. -1 atau kal. -1) adalah kalor yang diserap atau dilepas benda (J atau kal)
adalah perubahan suhu ( ) adalah massa benda (kg)
4) Hubungan Kalor dengan Wujud Zat
Zat dapat berada dalam tiga wujud, yaitu wujud padat, cair dan gas. Akibat pengaruh suhu yang dimiliki oleh zat, sehingga zat tersebut dapat berada dalam ketiga wujud tersebut. Pada saat terjadi perubahan wujud selalu disertai dengan pelepasan atau penyerapan kalor. Akan tetapi, perubahan wujud tidak disertai dengan perubahan suhu, sehingga pada saat perubahan wujud suhu zat tersebut tetap. Contoh umum perubahan fasa atau perubahan wujud zat adalah peristiwa es mencair.
5) Kalor Lebur dan Kalor Uap
Kalor yang dibutuhkan untuk merubah 1 kg zat dari padat menjadi cair disebut kalor lebur yang dinyatakan dengan 𝐿F. Sedangkan kalor yang dibutuhkan untuk merubah suatu zat dari wujud cair ke wujud gas atau uap disebut kalor uap yang dinyatakan dengan 𝐿V. Ketika kalor ditambahkan pada es bersuhu 0℃ dan tekanan atmosfer normal, suhu es tidak bertambah meskipun es mencair menjadi air. Efek penambahan kalor pada sistem ini bukan untuk menaikkan suhu es tapi untuk mengubah fasa es dari padat menjadi cair.61 Kalor yang terlibat dalam perubahan fasa tidak hanya bergantung pada kalor lebur atau kalor uap saja, tetapi juga pada massa total zat tersebut.62
60 Tipler, Op. Cit., h. 598.
61 Hugh D. Young dan Roger A. Freedman, op. cit., h. 470.
62 Douglas C. Giancoli, op. cit., h. 497.
𝑄= 𝑚.𝐿 Keterangan:
𝑄 adalah kalor yang diserap atau dilepas benda (J) 𝑚 adalah massa benda (kg)
𝐿 adalah kalor lebur atau kalor uap (J.kg-1)
Berikut merupakan nilai kalor lebur dan kalor uap untuk beberapa zat pada tekanan 1 atm pada tabel 2.5.
Tabel 2. 6 Nilai kalor lebur dan kalor uap untuk beberapa zat pada tekanan 1 atm
Zat
Kalor lebur Kalor uap kkal.kg-1 J.kg-1 kkal.kg-1 J.kg-1
Oksigen 3,3 0,14 x 105 51 2,1 x 105
Nitrogen 6,1 0,26 x 105 48 2,0 x 105
Ethyl alcohol 25 1,04 x 105 204 8,5 x 105
Ammonia 8,0 0,33 x 105 33 1,37 x 105
Air 79,7 3,33 x 105 539 22,6 x 105
Timah hitam 5,9 0,25 x 105 208 8,7 x 105
Perak 21 0,88 x 105 558 23 x 105
Besi 69,1 2,89 x 105 1520 63,4 x 105
Tungsten 44 1,84 x 105 1150 48 x 105
c. Hukum Konservasi Energi
Ketika bagian-bagian yang berbeda dari sistem yang terisolasi berada pada suhu yang berbeda, kalor akan mengalir dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah. Namun jika sistem terisolasi seluruhnya, maka tidak ada energi yang dapat mengalir ke dalam atau ke luar sistem. Joseph Black merumuskan perpindahan kalor antara dua benda yang membentuk suhu termal sebagai berikut.63
Qlepas = Qterima
Keterangan:
Qlepas adalah besar kalor yang diberikan (J) Qterima adalah besar kalor yang diterima (J)
d. Perpindahan Kalor
Kalor dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ke yang lainnya dengan tiga cara, yaitu dengan konduksi, konveksi dan radiasi.
1) Perpindahan Kalor Secara Konduksi
Konduksi merupakan perpindahan kalor tanpa diikuti oleh mediumnya.
Perpindahan energi secara konduksi ini banyak terjadi pada zat padat, sehingga didefinisikan juga konduksi adalah perpindahan kalor pada zat padat.
Konduksi terjadi pada suatu benda atau dua benda yang disentuhkan.
Perpindahan panas hanya terjadi diantara daerah yang berbeda suhunya dan arah aliran kalor selalu terjadi dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah.
Percobaan menunjukkan bahwa laju aliran kalor yang dilambangkan dengan H berbanding lurus dengan luas penampang A dan perbedaan suhu Δ𝑇 dan berbanding terbalik dengan panjang batang ℓ. Dengan mendefinisikan konstanta proporsionalitas k yang disebut konduktivitas termal bahan, maka diperoleh persamaan sebagai berikut:64
𝐻 = =𝑘 Δ𝑇 Keterangan:
𝐻 adalah kelajuan hantaran kalor konduksi (J.s-1) adalah kalor yang dihantarkan (J)
63 Douglas C. Giancoli, op. cit., h. 494.
64 Hugh D. Young dan Roger A. Freedman, op. cit., h. 475.
adalah selang waktu yang diperlukan (s)
adalah koefisien konduksi termal bahan (J.s-1. -1) adalah luas penampang benda (m2)
adalah panjang benda (m)
Δ𝑇 adalah perbedaan suhu antara kedua ujung benda ( )
Zat-zat yang memiliki nilai koefisien konduksi termal k besar, dapat menghantarkan kalor dengan cepat dan disebut sebagai konduktor yang baik.
Sedangkan zat-zat yang memiliki nilai koefisien konduksi termal k yang kecil, merupakan penghantar kalor yang buruk dan dengan demikian dinamakan isolator.65 Nilai konduktivitas termal berbagai zat ditunjukkan pada tabel 2.6 berikut:
Tabel 2. 7 Nilai Konduktivitas Termal Berbagai Zat66
Zat
Konduktivitas Termal Kkal.s-1.m-1. -1 J.s-1. m-1. -1
Perak 10 x 10-2 420
Tembaga 9,2 x 10-2 380
Aluminium 5,0 x 10-2 200
Baja 1,1 x 10-2 40
Es 5 x 10-4 2
Gelas (biasa) 2 x 10-4 0,84
Batu bata dan beton 2 x 10-4 0,84
Air 1,4 x 10-4 0,56
Jaringan tubuh manusia (tidak
termasuk darah) 0,5 x 10-4 0,2
Kayu 0,2 – 0,4 x 10-4 0,08 – 0,16
65 Giancoli, op. cit., h. 502
66 Ibid.
Zat
Konduktivitas Termal Kkal.s-1.m-1. -1 J.s-1. m-1. -1
Isolator fiberglass 0,12 x 10-4 0,048
Gabus dan serat kaca 0,1 x 10-4 0,042
Wol 0,1 x 10-4 0,040
Bulu angsa 0,06 x 10-4 0,025
Busa polyurethane 0,06 x 10-4 0,024
Udara 0,055 x 10-4 0,023
2) Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Konveksi merupakan proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Konveksi atau aliran kalor adalah proses di mana kalor ditransfer dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat yang lain.67 Besarnya energi (kalor) yang dipindahkan secara konveksi memenuhi persamaan berikut:
𝐻= = ℎ. Δ 𝑇 Keterangan:
𝐻 adalah kelajuan hantaran kalor (J.s-1) ℎ adalah koefisien konveksi (J.s-1. m-1. -1) 𝐴 adalah luas penampang benda (m2)
Δ𝑇 adalah perbedaan suhu antara kedua ujung benda ( ) adalah kalor yang dihantarkan (J)
adalah selang waktu yang diperlukan (s)
3) Perpindahan Kalor Secara Radiasi
Radiasi dikenal juga dengan perpindahan kalor/panas oleh gelombang elektromagnetik. Jadi, radiasi adalah proses perpindahan kalor yang tidak memerlukan
67 Giancoli, op. cit., h. 504.
zat perantara atau medium.68 Laju yang dipancarkan persatuan luas oleh sebuah benda bersuhu T kelvin memenuhi persamaan:
𝐻=𝐴.𝑒.𝜎. 𝑇4 Keterangan:
E adalah adalah energi yang dipancarkan atau diserap per satuan waktu per satuan luas (J.s-1.m-2 atau watt.m-2)
𝑒 adalah emisivitas bahan
𝜎 adalah konstanta Stefan-Boltzmann (5,67×10-8 watt.m-2. K -4) 𝑇 adalah suhu mutlak (K)
68 Young, Op. Cit., h. 478.