SUHU DAN KALOR A. SUHU DAN KALOR
1. Suhu
Suhu didefinisikan sebagai derajat panas atau dinginnya suatu benda. Alat yang dipakai untuk mengukur suhu disebut termometer.
Bila suhu suatu zat berubah maka ada beberapa sifat zat yang berubah, antara lain warna, volume, tekanan dan daya hantar listrik. Sifat ini disebut sifat termometrik zat.
Dengan sifat zat ini bisa dibuat termometer cair, gas, termokopel, pirometer, dsb.
Dalam termometer digunakan titik lebur es sebagai titik tetap bawah (kecuali Kelvin) dan titik didih air sebagai titik tetap atas.
Penetapan skala
Jenis Termometer Titik lebur es Titik didih air Jumlah skala Perbandingan Skala
Celcius 0 100 100 5
Reamur 0 80 80 4
Fahrenheit 32 212 180 9
Kelvin 273 373 100 5
Hubungan C dan R : Hubungan R dan F
R C
4 5
dan R C
5 4
( 32)
9 4
F
R dan
32 4 9
R F
Hubungan C dan F Hubungan C dan K
) 32 ( 9 5
F
C dan 32
5 9
C
F C = K-273 dan K = C + 273
Contoh:
Suhu dalam skala celcius menunjukan angka 30oC. Berapakah dalam skala reamur? Jawab:
R = 4/5 C = 4/5 (30) = 120/5 = 24oR Latihan!
1.Pada contoh di atas tentukan suhunya dalam skala fahrenheit dan kelvin!
2.Jika termometer fahrenheit menunjukan 113oF, berapakah dalam skala reamur, celcius dan kelvin?
Beberapa jenis termometer: b.Termometer cair
Terbuat dari kaca dengan rongga didalamnya yang hampa udara, dibagian bawah berisi cairan. Cairan ini biasanya air raksa atau alkohol. Jika dikenai suhu cairan akan memuai menempati ruang hampa.
c. Termometer gas
Bila gas dipanaskan pada ruang tertutup (volume tetap), maka tekanannya akan bertambah. Perubahan tekanan ini digunakan untuk mengukur suhu.
d.Pirometer
Hambatan listrik suatu zat akan berubah bila suhunya berubah. Bila suhu naik hambatan bertambah besar. Prinsip ini digunakan untuk mengukur suhu, biasanya untuk suhu yang sangat tinggi, misalnya cairan logam
e. Termokopel
Bila dua logam berbeda jenis disentuhkan maka saat suhu berubah timbul ggl. Besar ggl yang timbul digunakan untuk pengukuran suhu.
2. Kalor
Kalor merupakan salah satu bentuk energi. Satu kalori (kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga suhunya naik 1º C.
1 Joule = 0,24 kalori atau 1 kal = 4,2 Joule. 1 BTU = 1054 Joule.
Suatu zat yang diberikan kalor belum tentu sama perubahan suhunya karena berbeda kalor jenisnya. Kalor jenis (c) adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan (Q) untuk menaikkan atau menurunkan suhu satu satuan massa zat itu (m) sebesar satu satuan suhu (ΔT).
T m
Q c
atau Q = mc ΔT → mc disebut sebagai kapasitas kalor (C).
Kapasitas kalor (C) adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan (Q) untuk mengubah suhu sebesar satu satuan suhu.
T Q mc
atau
T Q C
Contoh:
Sepotong tembaga massanya 5 kg, suhunya dinaikkan 10 K dengan pemanas berdaya 1 kW. Ternyata perlu waktu 20 detik.
a. Berapa kalor jenis tembaga menurut percobaan itu? b. Berapa kapasitas kalor tembaga itu?
Jawab
Energi yang dihasilkan pemanas Q = W = P . t = 1000 watt x 20 detik = 20.000 Joule a. Kalor jenis tembaga : c = Q/(m . ΔT) = 20.000/(5 x 10) = 400 J/kg . K b. Kapasitas kalor 5 kg tembaga : C = Q/ ΔT = 20.000/10 = 2000 J/K
Latihan!
1.Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 kg air dari 10oC menjadi 30oC, jika kalor jenis air 4,2 x 103 J/kg . K?
2.Sebuah benda massanya 100 gram dan kapasitas kalornya adalah 3,6 x 103 J/K. Benda itu dipanaskan hingga suhunya naik dari 25oC menjadi 100oC.
a. Berapa kalor yang diserap benda? b. Berapa kalor jenis benda?
3.Berapakah kalor yang diperlukan untuk memanaskan 250 cm3 air dari 20oC menjadi 30oC jika kalor jenis air 1 kal/gr oC, ρ air = 1gram/cm3 ?
4.Jika kalor jenis es 0,55 kal/gr oC, maka berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 50 kg es dari suhu -45oC menjadi -5oC?
Jadi, kalor yang dilepas = kalor yang diterima → dikenal sebagai Azas Black Q diterima = Q dilepas
Contoh:
Sepotong aluminium yang massanya 0,5 kg dan suhunya 100oC dicelupkan ke dalam air yang mempunyai massa 0,5 kg dan suhunya 25oC. Bila suhu akhir menjadi 39oC dan kalor jenis air 4200 J/kg oC, tentukan kalor jenis aluminium!
Jawab:
Azas Black → kalor yang dilepas aluminium = kalor yang diterima air
Qal= Qair → 30,5 cal = 29400 → cal = 29400/30,5 = 963,9 J/kgoC
Latihan!
1. Sebatang timah bermassa 200 gram dipanaskan sampai 90oC, kemudian dimasukkan ke dalam 500 gram air pada suhu 20oC (kalor jenis air 1 kal/gr oC). Jika suhu akhir timah dan air 20,8oC, berapa kalor jenis timah tersebut?
2. Dalam suatu bejana yang berisi 4oC air, dicelupkan besi 2100 gram 90oC. Pada saat keseimbangan termal tercapai suhu campuran adalah 34oC. Bila kalor jenis air 1 kal/groC, kalor jenis besi 0,10 kal/groC, tentukan massa air dalam bejana!
3. 100 gram air pada suhu 290oC hendak dicampur dengan 200 gram air yang suhunya 50oC. Tentukan suhu akhir campuran!
B. PEMUAIAN ZAT
Pada umumnya zat akam memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Kecuali air pada suhu 0º – 4ºC.
1. Pemuaian panjang
Setiap jenis zat bila dipanaskan akan mengalami perubahan panjang yang berbeda. Perbedaan ini ditentukan oleh koefisien muai panjang (α) masing-masing zat, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang zat (Δl) dengan panjang semula (l0), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (ΔT).
T
Bila suatu benda berbentuk bidang akan lebih tepat jika ditinjau muai luasnya yang tergantung pada koefisien muai luas (β) yaitu perbandingan antara pertambahan luas zat (ΔA) dengan luas semula (A0) untuk kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (ΔT).
T
Hubungan koefisien muai luas dan koefisien muai panjang adalah β = 2α 3. Pemuaian volume
Bila suatu benda berbentuk 3 dimensi akan lebih tepat jika ditinjau muai volumenya yang tergantung pada koefisien muai volume (γ) yaitu perbandingan antara pertambahan volume zat (ΔV) dengan volume semula (V0) untuk kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (ΔT).
T
Hubungan koefisien muai volume dan koefisien muai panjang adalah γ = 3α Untuk gas pada tekanan tetap koefisien muai volumenya adalah γ = 1/273
Anomali air
Pada umumnya suatu benda volumenya akan bertambah bila
dipanaskan. Tetapi air pada suhu 0oC volumenya akan menyusut hingga mencapai suhu 4oC lalu akan bertambah lagi. Hal ini disebut anomali air. Grafik anomali air seperti gambar di samping!
Latihan:
1. Batang aluminium yang panjangnya 4 m, naik suhunya dari 27oC menjadi 72oC. Jika koefisien muai panjang aluminium 24 x 10-6 (oC)-1, hitung pertambahan panjang aluminium!
2. Sebuah pipa baja panangnya 100 cm pada suhu 27oC. Berapa panjangnya pada suhu 77oC bila koefisien muai panjang baja 11 x 10-6 (oC)-1?
3. Kaca jendela rumah pada suhu 25oC luasnya 1 m2. Berapa luas kaca tersebut jika suhunya naik menjadi 45oC karena terik matahari ? (Koefisien muai panjang kaca 9 x 10-6 (oC)-1) 4. Suatu gas suhunya 20oC dipanaskan sampai suhunya 111oC pada tekanan tetap. Bila volume
gas sebelum dipanaskan V, tentukan volume gas setelah dipanaskan!
C. KALOR DAN PERUBAHAN WUJUD
Pemberian kalor atau pelepasan kalor pada suatu zat dapat menyebabkan perubahan wujud zat tersebut.
Selama perubahan wujud tersebut, suhu zat tidak berubah, kalor yang diterima atau dilepas digunakan untuk mengubah wujud. Kalor ini disebut kalor laten yaitu kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari satu wujud ke wujud lainnya.
m Q L
Kalor lebur → kalor yang diserap 1 kg zat padat sehingga menjadi cair Kalor beku → kalor yang dilepas 1 kg zat cair sehingga menjadi padat Kalor didih → kalor yang diserap 1 kg zat cair sehingga menjadi uap Kalor embun → kalor yang dilepas 1 kg uap sehingga menjadi cair Contoh:
Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 gram es -50oC menjadi 1 gram uap 150oC? Kalor jenis es 0,5 kal/gr oC, kalor jenis air 1 kal/gr oC, kalor lebur es 80 kal/gr dan kalor didih air 540 kal/gr.
Jawab: Q diterima = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Q1 = m ces ΔT (kalor perubahan suhu) Q2 = m Llebur (kalor perubahan wujud)
Nilainya sama Titik lebur = titik beku Nilainya sama
Q3 = m cair ΔT (kalor perubahan suhu) Q4 = m Ldidih (kalor perubahan wujud) Q5 = m cair ΔT (kalor perubahan suhu) Latihan:
1. Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 100 gram es -5oC menjadi uap 100oC? dan kalor didih air 540 kal/gr.
2. Satu kilogram es suhunya -2oC. Bila titik lebur es 0oC, kalor jenis es 0,5 kal/gr oC, kalor jenis air 1 kal/gr oC, kalor lebur es 80 kal/gr, maka berapa kalor untuk meleburkan es tersebut! 3. Es masanya 100 gram bersuhu -5oC kemudian diberi kalor hingga bersuhu 15oC. Kalor jenis
es 0,5 kal/gr oC, kalor jenis air 1 kal/gr oC, kalor lebur es 80 kal/gr, berapa kalor yang diberikan pada es tersebut?
D. PERPINDAHAN KALOR
Kalor dpat berpindah dari tempat/benda bersuhu tinggi ke tempat/benda bersuhu rendah. Ada tiga cara perpindahan kalor:
1. Konduksi
Yaitu perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel zat. Peristiwa ini bisa
dipandang sebagai akibat perpindahan energi kinetik dari satu partikel yang bergetar karena dipanaskan ke partikel yang lain melalui tumbukan.
Misal salah satu ujung besi dipanaskan, ujung yang lain juga panas. Jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu adalah:
L T A k
H dengan t Q
H = jml kalor yang mengalir tiap satuan waktu (J/s).
k = koefisien konduksi termal (daya hantar panas) A = luas penampang
ΔT = selisih temperatur kedua ujung batang
L = panjang batang atau tebal bila benda berbentuk pelat 2. Konveksi
Yaitu perpindahan kalor disertai perpindahan partikel zat, terjadi pada fluida (cair, gas). Jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu adalah:
H = h ∙A∙ΔT → h = koefisien konveksi, A = luas permukaan, ΔT = perbedaan suhu 3. Radiasi
Yaitu perpindahan kalor tanpa memerlukan medium perantara. Misal panas dari matahari ke bumi, cahaya, gelombang radio.
Besarnya energi yang dipancarkan tiap satuan luas, tiap satuan waktu oleh Josep Stefan dirumuskan:
W = e∙τ∙T4
e = emisivitas benda (0<e≤1), tergantung dari sifat permukaan zat. Untuk benda hitam sempurna e = 1, merupakan penyerap dan pemancar kalor paling baik.
τ = konstanta Stefan – Boltzman = 5,67 x 10-8 watt/m2K4 T = suhu permukaan benda (dalam kelvin)
Contoh :
1. Sebuah jendela kaca ruang ber-AC panjangnya 2 m, tinggi 1 m dan tebal 5 mm. Suhu permukaan dalam kaca 25oC dan suhu permukaan luar kaca 35oC. Berapa banyaknya kalor yang mengalir keluar melalui kaca tersebut? (koefisien konduksi termal kaca 8,0 x 10-4 kJ/m.s.K)
Jawab:
A = 2 x 1 = 2 m2, L = 5 mm = 5 x 10-2 m, ΔT = 35 -25 = 10oC, k = 8,0 x 10-4 kJ/m.s.K s
kJ x x
x L
T A k
H 32 10 /
10 5
10 ) 2 )( 10 0 , 8
( 2
2
4
2. Sebuah bola mempunyai suhu 600oC. Berapa energi yang dipancarkan benda per satuan luas tiap detiknya, jika bola dianggap hitam sempurna?
Jawab:
T = 600 + 273 = 873 K W = e∙τ∙T4
= (1) (5,67 x 10-8) (873)4 = 3,29 x 104 watt/m2
Latihan:
1. Sekeping besi tebal 2 cm dengan luas penampang 5000 cm2, sisi yang satu bersuhu 150oC dan sisi yang lain bersuhu 140oC. Berapa kalor yang berpindah melalui keping setiap detik? (kbesi 4,6 x 10-3 kJ/m.s.K)
2. Filamen wolfram suatu lampu ( e = 0,3 dan τ = 5,67 x 10-8 watt/m2) mempunyai luas permukaan 2,52 x 10-5 m2. Arus sebesar 0,1 A akan mengalir pada filamen tersebut jika dipasang pada 220 volt. Berapa suhu wolfram tersebut?
