142
SUHU DAN KALOR
I. IDENTITAS
Mata kuliah : Fisika Umum
Program Studi : Fisika/Pendidikan Fisika Jurusan : Fisika
Fakultas : MIPA
Dosen : Tim Fisika Umum
SKS : 4 sks
Kode : FMA 019
Minggu ke : 11 dan 12
II. CAPAIAN PEMBELAJARAN
Mengaplikasikan konsep dasar tentang suhu dan kalor pada persoalan fisika sederhana
III. MATERI
A. Konsep Suhu dan Kalor
1. Konsep Suhu
a. Suhu/temperatur
didefinisikan sebagai tingkat atau derajat panasnya suatu benda atau lingkungan. Misalnya suhu suatu benda, suhu ruangan, suhu kamar, dsb. Besar kecilnya suhu suatu benda menentukan arah perpindahan energi kalor (kalor). Kalor mengalir dari benda yang suhunyanya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah
b. Keseimbangan Termal
Apabila dua benda A dan B yang suhunya berbeda (TA > TB) dilakukan kontak termal, ,
maka secara berangsur-angsur angsur suhu A turun dan suhu B naik sampai tercapai keseimbangan termal (TA =TB)
c. Dinding Diatermik dan Dinding Adiabatik
Perpindahan kalor hanya terjadi bila dinding pembatas antara 2 benda bersifat diatermik yaitu dinding yang dapat meneruskan kalor. Sedangkan dinding yang tak dapat meneruskan kalor disebut dinding adiabatik
d. Hukum Kenol Termodinamika
Bila system A dan system B dibatasi oleh dinding adiabatic dengan TA > TB dan
keduanya dibatis oleh dinding diatermik dengan system C , setelah beberapa saat A setimbang dengan C dan B juga setimbang dengan C . Bila dinding adiabatic antara A dan B diganti dengan dinding diatermik, ternyata A sudah seimbang dengan B (TA= TB).
-143 masing seimbang termal dengan system ke tiga , maka ketiga system tersebut berada dalam keadaan setimbang termal satu sama lain .
e. Pengukuran Suhu/ Temperatur
Alat untuk mengukur suhu /temperatur disebut termometer . termometer dibuat berdasarkan atas gejala dimana suatu besaran fisis berubah bila temperatur berubah yang dikenal dengan sifat termometrik . Berbagai jenis termometer dapat dibuat, seperti termometer gas, termometer cairan, dan termometer padatan.
- Termometer gas tekanan konstan sifat termomentriknya : V = V(T) - Termometer gas volume konstan sifat termomentriknya : p = p(T) - Termometer cairan sifat termomentriknya : L = L(T) - Termometer resistor sifat termomentriknya : R = R(T) - Termokopel sifat termomentriknya : ξ = ξ(T)
Pemilihan jenis temometer tergantung pada rentangan temperatur atau daerah pengukuran yang hendak di ukur.
f. Termometer Gas Volume konstan
Tabung B berisi gas yang volumenya dianggap tetap. Dengan cara menaikkan atau menurunkan kaki sebelah kanan , sehingga terdapat perbedaan tinggi air raksa pada kedua kaki . Bila suhu gas naik, maka tekanan gas bertambah dan tinggi h bertambah pula. . Tekanan absolut (p) dari gas dalam tabung B dapat dihitung. p = sifat termometrik dari gas volume konstan.
A
B
C
h P0
Gas B
Air raksa
144 gh
p p 0
Bila nilai termometrik dilambangkan dengan x maka ; x = x (T)
Untuk memudahkan membaca skala termometer, x dipilih sebagai fungsi linier dari T sehingga :
X = nilai termometrik pada suhu yang akan di ukur
T2= suhu acuan (dalam SI disepakati diambil suhu tripel air T3 = 273,16 K ) tekanannya sangat rendah, atau p dan p3 kecil sekali, memenuhi persamaan :
3 hasil pengukuran tidak tergantung pada jenis gas. Karena itu termometer gas volume konstan dengan tekanan sangat rendah disebut termometer gas ideal dan nilai suhu pada persamaan diatas disebut temperatur gas ideal .
g. Skala Temperatur
145 termometer dihubungkan dengan air pada titik tripelnya tentukanlah :
Suhu yang di ukur bila panjang kolom air raksa 6 cm
Panjang kolom air raksa bila termometer dihubungkan dengan air pada titik didihnya
146 2. Pada angka temperatur berapa termometer Celcius dan Fahrenheit
menunjukkan angka yang sama ?
Jawab
9 32 5
F
C
diketahui C = F = CF sehingga
9 32 5
CF
CF
dan diperoleh CF = -400
3. Suatu termometer X jika dihubungkan dengan es yang sedang melebur menunjukkan bacaan 400 dan jika dihubungkan dengan air yang sedang mendidih menunjukkan bacaan 1200. Tentukanlah berapa bacaan termometer Reamur jika termometer X menunjukkan bacaan 600 ?
Jawab
0 80
0 40
120 40
R
X
jika di masukkan X = 60 diperoleh R = 200
h. Ekspansi Termal
Pada umumnya ukuran (dimensi ) sebuah benda bertambah besar jika suhunya dinaikkan. Pada air ada pengecualian, yaitu justru dimensinya berkurang jika suhunya dinaikkan dari 00 C s.d 40 C yang dikenal dengan anomaly air .
Diagram Anomali Air
Ekspansi (muai) termal suatu benda dapat dibedakan atas 3 macam, yaitu : 1. Ekspansi linier (muai panjang) : (p, l, t)
2. Ekspansi luas (muai luas ) : ( pxl ) 3. Ekspansi volume (muai volume) : (pxlxt)
Misalkan suatu batang panjangnya mula-mula L0 dan suhunya T0 . Batang
dipanasi sampai suhunya naik menjadi T1 dan panjangnya menjadi L1 maka ;
0 4 8 10
t ( suhu ) dalam derjat Celcius V
O
L
U
M
E
147 pada temperatur 250C volumenya 250 cm3, Bejana penuh berisi gliserin . Setelah dipanasi sampai 500C ada gliserin yang tumpah. Jika γgl= kefisien
muai volume gliserin = 49.10-5 C-1. Berapa banyak gliserin yang tumpah ?
Jawab
Banyak gliserin yang tumpah = pertambahan volume gliserin –
pertambahan volume bejana
148 2. Konsep Kalor
Bila dua benda yang suhunya berbeda di lakukan kontak termal satu sama lainnya, setelah beberapa saat ternyata suhu kedua benda menjadi sama, hal ini karena terjadi perpindahan energi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Aliran atau perpindahan energi ini disebut dengan kalor .
Kalor diartikan sebagai aliran atau perpindahan energi akibat beda suhu. Kalor mengalir dari benda atau bahagian benda yang bersuhu tinggi, ke bahagian benda yang bersuhu rendah. Secara terpisah tidak dapat dikatakan benda yang bersuhu tinggi mempunyai kalor lebih tinggi dibanding benda yang bersuhu rendah. Istilah kalor hanya digunakan disaat terjadinya aliran /perpindahan (musyafir) energi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.
Satuan kalor adalah kalori (k) ; yang menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan benda untuk menaikkan temperaturnya 1 0C .
1 kilo kalori (K) = 103 kalori 1 kalori = 4,2 Joule
Apabila kalor sebesar Δ Q diberikan kepada suatu benda, sehingga benda tersebut nail temperaturnya sebesar Δt, maka besarnya kapasitas kalor ( C ) dengan kalor jenis benda (c) memenuhi persamaan :
Kalor jenis molar (cm) zat/benda didefinisikan sebagai besarnya kapasitas
kalor tiap satuan mol zat (n) = C/n joule/kmol0C sehingga :
Bila dua buah benda yang temperaturnya berbeda, dilakukan kontak termal satu sama lainnya , maka benda yang temperaturnya lebih tinggi akan melepas kalor dan benda yang temperaturnya rendah akan menyerap kalor tersebut. Bila dianggap perpindahan kalor hanya terjadi antara kedua benda tersebut, maka jumlah kalor yang dilepas benda yang suhunya lebih tinggi sama dengan jumlah kalor yang diserap benda yang suhunya lebih rendah sampai kesetimbangan termal terjadi, memenuhi azas Black :
149 Contoh Soal :
1. 200 cm3 air pada suhu 95oC dituangkan ke dalam gelas yang massanya 300 gr dari suhu 250C. Bila diketahui ρair = 1000 kg/m3, cair = 1 kkal/kg0C dan ckaca =0,2
kkal/kg0C, tentukanlah suhu akhir setelah tercapai kesetimbangan termal .
Jawab
Massa air ; m = ρV = 1000x200.10-6
= 0,2 kg = 200 gr. Qdiberikan air = Qditerima gelas
2
1 m c t
t c
maie air gelas gelas
200x1x(95-ta) = 300x0,2x(ta- 25)
diperoleh ta = 73,650C
2. Sebuah benda massanya 100 gr temperaturnya 2000C dimasukkan kedalam kalorimeter yang terbuat dari almunium yang massanya 200 gr. Bila kalorumeter berisi 500 gr air pada temperatur 25 0C . jika temperatur kalorime-ter naik menjadi 300C , dan diketahui kalor jenis almunium 0,125 kal/gr0C dan kalor jenis air 1 kal/gr0C, Tentukanlah kalor jenis benda tersebut
Jawab
Azas Black : Kalor yang dilepas = kalor yang diterima
air al x Q Q
Q
3 2
1 m c t m c t
t c
mx x al al air air
100 x cx (200-30)=200 x 0,125 x (30-25) + 500 x 1 x (30-25)
diperoleh cx = 0,16 kal/g0C
B. Pengaruh Kalor Terhadap Zat
Apabila terhadap suatu benda/zat terjadi aliran kalor, maka kemungkinan pada benda /zat itu akan terjadi perubahan suhu, perubahan fase, perubahan warna, perubahan hambatan listrik dan sebagainya. Hal ini sangat tergantung pada keadaan mula-mula benda atau zat dan sifat zat itu.
150 Diagram Perubahan Fase
Ambillah segumpal es dari suhu -100C lalu masukkan kedalam sebuah bejana Panaskan bejana berisi es ini dengan laju pemanasan yang konstan, maka es tersebut suhunya akan naik sampai 00C. Selanjutnya es mulai mencair (melebur) menjadi air (perubahan fase padat ke fase cair) . Selama perubahan fase ini suhu tetap 00C sampai seluruh es menjadi air . Begitu es habis mencair, suhunya naik lagi sampai mencapai 1000C . Selanjutnya air mulai menguap (perubahan fase cair menjadi fase uap) . Selama perubahan fase ini suhunya tetap 1000C sampai seluruh air menjadi uap.
Grafik Perubahan Fase Es Yang dipanaskan Menjadi Uap Air
Selama perubahan fase kalor yang diterima zat tidak digunakan untuk perubahan suhu tetapi digunakan untuk perubahan fase. Kalor yang digunakan untuk perubahan fase ini disebut kalor laten (tersembunyi), karena tidak berdampak pada perubahan suhu. Yang termasuk kedalam kalor laten (L) adalah kalor peleburan, kalor penguapan , kalor beku, dan kalor pengembunan
Yang dimaksud dengan kalor lebur adalah banyaknya kalor yang diperlukan tiap gram atau tiap kilogram zat melebur pada titik leburnya dan kalor penguapan adalan banyaknya kalor yang diperlukan tiap gram atau tiap kilogram zat menjadi uap. Apabila arahnya dari fase uap berubah sampai menjadi padat dinamakan kalor pengembunan dan kalor beku :
Kalor peleburan = kalor beku
Kalor uap = kalor pengembunan
151 Hubungan banyaknya kalor yang di lepas/diterima (Q) dengan kalor laten (L)
memenuhi persamaan :
Q = mL
Contoh soal
Hitunglah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg es bersuhu – 10 oC, menjadi uap bersuhu 100 oC, jika diketahui kalor jenis es = 0,5 kal/gramoC, kalor lebur es = 80 kalori/gram, dan kalor uap = 540 kal/gram.
Jawab
Seluruh proses dapat digambarkan sebagai berikut t oC
100
Q4
Q3
0
Q2
Q1
-10
Gambar 1.7
Jumah kalor yan dibutuhkan selama proses adalah Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
Q1 = mcesΔt = 1.000 gram x 0,5 kal/gramoC x [ 0 – (- 10)] oC = 5.000 kal
Q2 = m L = 1.000 gram x 80 kal/gram = 80.000 kal
Q3 = mcairΔt = 1.000 gram x 1 kal/gramoC x [ 100 – 0] oC = 100.000 kal
Q4 = m L = 1.000 gram x 540 kal/gram = 540.000 kal
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
152
Contoh soal
Sebuah kalorimeter dengan kapasitas kalor (harga air kalorimater H) 10 kal/0C, berisi 500 ml air yang suhunya 100C. Ke dalam kalorimeter itu kemudian dimasukkan 200 gr es yang suhunya –200C. Jika kalor jenis es 0,5 kal/gr0C dan kalor lebur es 80 kal/gr, berapakah suhu akhir dan bagaimana keadaan es pada saat itu (sudah melebur semua atau belum).
Jawab
Misalkan suhu akhir campuran adalah ta. Menurut azas Black, Jumlah panas yang
diberikan oleh bagian sistem yang suhunya lebih tinggi sama dengan jumlah panas yang diterima oleh bagian sistem yang suhunya lebih rendah. Bagian yang memberikan panas adalah air dan kalorimeter, sedangkan yang menerima panas adalah es.
Bagian yang memberikan panas
Calorimeter : Q1 = H Δt = 10 kal/oC.(10 -–ta) oC = 10(10 –ta)
Air : Q2 = mcairΔt = 500 gram.1 kal/gram oC. (10 -–ta) oC = 500(10 –ta)
Bagian yang menerima panas
Es dari -20 oC ke 0 oC :
Q3 = mcesΔt = 200 gram x 0,5 kal/gramoC x [ 0 – (-20)] oC = 2000 kal
Kalor lebur
Q4= Mles= 200 gram x 80 kal/gram= 16000 kal
Air yang berasal dari es
Q5 = mcairΔt = 200 gram x 1 kal/gramoC x [ ta– 0] oC = 200 takal
Azas Black
Q1 + Q2 = Q3 + Q4+QL
10 (10–ta) kal + 500(10 –ta) kal = 2.000 kal +16000 kal+ 200 takal
(10–ta) kal + 50 (10 –ta) kal = 200 kal + 20 takal+1600 kal
diperoleh suhu akhir ta= -1290/71= -18oC.
Ini berarti semua es melebur.
C. Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor hanya dapat terjadi pada suatu benda /zat/bahan apabila bagian-bagian dari benda tersebut berada pada temperatur yang tidak sama. Arah aliran kalor adalah dari bagian benda yang suhunya lebih tinggi ke bagian benda yang suhunya lebih rendah, yang dapat terjadi dengan tiga cara yaitu :
1. Konduksi (hantaran) ; dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas 2. Konveksi (aliran) ; dapat terjadi pada zat zair dan gas
153 1. Konduksi ; perpindahan kalor yang tidak disertai perpindahan materi
Misalkan sebuah batang yang panjangnya L dan luas penampang lintangnya A, mula-mula berada pada temperatur t1 di lakukan kontak termal
dengan benda yang suhunya lebih tinggi t2 yang tetap. Bila perubahan
temperatur (dt) tiap perubahan jarak (dx) pada setiap titik disepanjang batang dinamakan gradien temperatur (Gradt ) yang memenuhi persamaan :
dx dt
Gradt /
maka banyaknya kalor yang mengalir (dQ) yang mengalir tiap satuan waktu (dt) disebut arus kalor (H) memenuhi persamaan :
dt dQ
H / (joule/sec)
Berdasarkan hasil percobaan, besarnya H sebanding dengan luas permukaan (A) dan gradien temperatur (Gradt) . Bila k menyatakan daya hantar kalor atau
koefisien konduktivitas termal bahan, maka memenuhi persamaan : )
/ (dt dx kA
H
Tanda negatif (-) berarti arah aliran kalor berlawanan dengan arah naiknya temperatur. Bila keadaan stasioner telah tercapai, maka berlaku :
L T T kA
H 2 1
2. Konveksi ; perpindahan kalor yang disertai perpindahan materi
contohnya pada fluida. Bagian fluida yang menerima kalor ( dipanasi) akan memuai sehingga massa jenisnya menjadi lebih kecil, dan bergerak keatas, maka tempatnya akan digantikan oleh fluida yang massa jenisnya lebih besar, sampai memuai dan bergerak keatas juga, begitulah seterusnya sampai seluruh fluida menjadi panas. Laju kalor konveksi (Q/t) sebanding dengan luas permukaan benda (A) yang bersentuhan dengan fluida dan beda suhu (ΔT) antara sumber kalor dengan fluida yang memenuhi persamaan :
T hA t Q
h = koefisien konveksi
3. Radiasi ; aliran kalor melalui pancaran (emisi)
154 b. Suatu permukaan bahan dapat menyerap atau memancarkan radiasi dari permukannya. Kemampuan suatu bahan untuk menyerap atau meman-carkan radiasi tidaklah sama.
c. Benda /bahan sebagai penyerap radiasi yang baik, merupakan pemancar radiasi yang baik pula. Dan sebaliknya
d. Benda hitam sempurna merupakan menyerap seluruh radiasi yang diterimanya, dan memancarkan seluruh radiasi yang dikeluarkannya.
e. Radiasi thermal adalah radiasi energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu bahan karena pengaruh temperaturnya. Tidak semua radiasi thermal dapat diamati .
f. I(T) (Intensitas radiasi ) , didefinisikan sebagai energi radiasi yang dipancarkan
/diserap tiap satuan luas tiap satuan waktu , yang tergantung kepada suhu mutlak pangkat empat, memenuhi persamaan :
=
g. Stefan dan Boltzmann dari hasil eksperimennya, tanpa pembuktian teoritis, menyimpulkan bahwa besarnya I(T) untuk benda hitam sempurna tergantung
kepada suhu mutlak pangkat empat, memenuhi persamaan :
(Persamaan Hukum Stefan Boltzmann)
h. Untuk benda-benda yang sesungguhnya I(T) yang dipancarkan selalu < I(T)
yang dipancarkan benda hitam sempurna , memenuhi persamaan :
Dengan : e = emisivitas nilainya < 1, untuk benda hitam sempurna = 1 σ = konstanta Stefan – Boltzmann = 5,67X10-8 Watt/m2K4
Jika suatu benda bersuhu T1 dikelilingi oleh benda bersuhu T2 (T1>T2)
maka penambahan energi persatuan waktu benda bersuhu T2 akibat radiasi
benda bersuhu T1 adalah
Batang-batang dari tembaga merah, kuningan dan baja yang mempunyai luas penampang yang sama, dilas membentuk huruf Y. Suhu ujung tembaga merah tetap 100 oC, sedangkan suhu ujung kuningan dan baja tetap 0 oC. Panjang batang tembaga merah 46 cm, kuningan 13 cm, dan baja 12 cm. a). Berapakah suhu titik hubungnya ? b). Berapakah arus kalor pada masing-masing batang ? Diketahui konduktivitas tembaga merah, kuningan dan baja berturut-turut adalah 0,92, 0,26, dan 0,12 kal.cm/….
155
Arus kalor melalui kuningan adalah Arus kalor melalui
H1 = -
Arus kalor yang melalui tembaga merah sama dengan jumlah arus yang melalui kuningan dan yang melalui baja, oleh sebab itu berlaku
H = H1 + H2 permukaan dasarnya 1500 cm3. Ketika bejana diletakkan di atas perapian, ternyata setelah air mendidih, 750 gram air menguap setiap 5 menit. Tentukanlah suhu bagian bawah bawah bejana ke air adalah
H = artinya jumlah air yang menguap dalam 1 detik adalah 2,5 gram.
Untuk menguapkan 2,5 gram air diperlukan kalor sebanyak
156 Q = mL = 2,5 gram. 540 kal/gram
= 1350 kalori
Jumlah ini sama dengan arus kalor yang mengalir dari bagian bawah bejana ke air, jadi 5
, 1
) 100 (
1500 12 ,
0 t2 . = 1350 kalori Diperoleh suhu bagian bawah bejana didih t2 = 120,83 oC.
REFERENSI
P.A. Tipler. 1998. Fisika untuk sains dan teknik, Terjemahan, Erlangga. Jakarta.
H.D. Young dan R.A. Freedman, 2008. University Physics. 12th Edition. Addison Wesley.New York.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, 2007, Fundamental of Physics, 8th Edition, John Wiley & Sons.
