BAB 2 SUHU DAN KALOR

BAB 2

SUHU DAN KALOR

STANDAR KOMPETENSI

 Menerapkan konsep suhu dan kalor

KOMPETENSI DASAR

 Memahami konsep suhu dan kalor

 Menguasai pengaruh kalor terhadap zat

 Mengenal cara perpindahan kalor

Sumber : mantantukanginsinyur.blogspot.com

Dalam kehidupan sehari-hari, ukuran mengenai panas dinginnya benda disebut temperature atau suhu. Alat pengukur suhu mengunakan termometer. Dalam kehidupan sehari-hari kita menggunakan termometer zat cair dan pada umumnya menggunakan raksa atau alkohol.

Sebagian besar zat memuai ketika dipanaskan dan mengerut ketika didinginkan. Misalkan, kabel yang digantungkan pada tiang listrik, memanjang disiang hari karena mendapatkan panas dari sinar matahari. Pada malam hari, kabel akan memendek karena udara disekitarnya cukup dingin. Sifat – sifat zat yang berubah jika dipanaskan disebut sifat termometrik.

1.Konversi Suhu

Perbandingan skala termometer pada tekanan 76 cmHg

100 kalor yang diperlukan untuk memanaskan satu gram air sehingga suhunya naik satu derajat Celcius. 1 kalori = 4,2 joule.

Kalor jenis merupakan sifat khas suatu zat yang menunjukkan kemampuan zat tersebut untuk menyerap kalor

c = kalor jenis (kal/gr o_{C, J/kg} o_K)

Q = jumlah kalor (kal, Joule) m = massa (kg)

Δ _{t = perubahan suhu (}o_C, o_K)

2.

Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor merupakan Bilangan yang menunjukkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu tiap satu-satuan suhu.

C = kapasitas kalor (panas) (kal/o_{C, J/}o_K)

3.

Kalor Laten

Kalor laten merupakan Bilangan yang menunjukkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk merubah wujud suatu zat tiap satu-satuan massa.

L = kalor laten (kal/gr, J/kg)

m = massa yang berubah wujud (kg) Q = kalor (panas)

C.

Pemuaian

Pada umumnya benda akan memuai jika suhunya naik.

1.

Muai Panjang

Suatu batang panjang mula-mula lo dipanaskan hingga bertambah

panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka,

Δℓ

=

ℓ

o

α Δt

ℓt=ℓo(1+αΔt)

Tabel Beberapa koefsien Muai Panjang Benda Benda  (K1) suhu 30 °C. Bila koefsien muai panjang aluminium 25 x 10–6 _{/°C.Berapakah}

pertambahan panjang batang aluminium tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 50 °C.

Jawab :

Δl = lo . α . Δt

= 2 . ( 25 x 10 -6 _{) . (50 – 30 )}

= 10 -3 _m

Δl = 0,1 cm Catatan :

Perubahan suhu dalam satuan derajat Celcius senilai dengan perubahan suhu pada Kelvin. Namun perlu diingat bahwa suhu derajat Celcius tidak senilai dengan Kelvin.

2. Muai Luas

Suatu bidang luasnya mula-mula Ao , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt

sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :

ΔA

=

Ao β

.

Δt

At=Ao(1+β.Δt)

β

= 2 α

Contoh soal

Plat besi luasnya 4 m2 _{pada 20 °C. Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 °C}

maka berapa luasnya sekarang?

Jawab: α = 11 x 10-6_{/ °C}

β = 22 x10-6_{/ °C}

At = Ao (1 + β . Δt )

= 4 .[1 + 22 . 10-6 _{. (100 - 20 ) ]}

= 4 [ 1 + 1760 . 10-6 _]

= 4 [ 1 + 0,00176 ] = 4,00704 m2

Volume mula-mula suatu benda Vo , kemudian dipanaskan sehingga

suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini dapat ditunjukkan dalam rumus :

ΔV ₌

Vo γ Δt

Vt = Vo (1 +

γ Δt ₎ γ = 3 α

Contoh soal

Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m pada suhu 20 C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10-5 /K, tentukan volume perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. B esar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan :

H =

kA Δt

L

Keterangan :

H = laju aliran kalor (J/s atau watt) Q = kalor yang dipindahkan (joule) t = waktu (s)

k = konduktivitas termal zat (W/mK) A = luas penampang melintang (m2₎

l = tebal penghantar (m)

Tabel konduktivitas termal zat (W/mK)

Bahan K

Emas 300

Besi 80

Kaca 0.9

Kayu 0.1 – 0.2

Beton 0.9

Air 0.6

Udara 0.024

Aluminium 240

Contoh soal

Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefsien konduksi termal kuningan tiga kali koefsien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. Maka [k . A ∆T/L)]  besi = [k . A ∆T/L)]  kuningan

k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l T= 2600/7

= 371,4ºC

Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair. Laju perpindahan kalor di sekitar suatu benda dirumuskan :

H

=

Q

_t

=

h

.

A

.

Δt

Keterangan :

H = laju aliran kalor (J/s atau watt) Q = kalor yang dipindahkan (joule) t = waktu (s)

h = koefsien konveksi (W/m2_K)

A = luas penampang melintang (m2₎

∆t = perubahan suhu (C)

3.

Radiasi

Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara, seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran dengan oven dan efek rumah kaca. Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam radiasi dirumuskan :

H

=

Q

_t

=

eσ

.

A

. T

4

Sedangkan intensitas radiasi sebesar, I = e  T4

Keterangan :

Q = kalor yang dialirkan (J) t = waktu (s)

A = luas (m2_{), luas permukaan lingkaran = 4.}

.r2

T = suhu (K)

e = emisivitas benda (tanpa satuan)

(e bernilai 1 untuk benda hitam sempurna, dan bernilai 0 untuk benda tidak hitam sama sekali. Pengertian benda hitam sempurna disini adalah benda yang memiliki kemampuan menyerap semua kalor yang tiba padanya, atau mampu memancarkan seluruh energi yang

dimilikinya). Contoh:

Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m2 _{dan suhunya 27 ºC. Jika}

suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:

a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam

Jawab:

Benda hitam, maka e = 1 T1 = 300 K ; T2 = 350 K

 = 5,672.10 -8 watt/m2K4

a. I = e  ( T24 - T14)

= 1. 5,672.10-8 ₍₃₅₀4 _{- 300}4₎

= 391,72 watt/m2

b. I = Q/A.t

Q = I. A. t

E.

Azas Black

Ilmuwan Inggris pada tahun 1761 Joseph Black menyatakan bahwa kalor yang diberikan suatu benda sama dengan kalor yang diterima pada suatu benda dalam suatu sistem tertutup. Sistem tertutup tersebut dapat dilakukan dalam suatu kalorimeter, misalkan ada jumlah masa m1 zat,

bersuhu t1, kemudian dicampuri dengan sejumlah masa m2 zat lain bersuhu

t2 dan keduanya dapat ditentukan dengan persamaan:

Qserap = Qlepas

Bunyi asas Black “ Kalor yang diserap/diterima sama dengan kalor yang dilepas.Persamaan di atas dikenal dengan nama asas Black atau hukum kekekalan energi kalor.

Contoh:

Jika 2 kg air bersuhu 5 0_{C dicampur dengan 5 kg air bersuhu 26} 0_{C, maka}

tentukan suhu akhir campuran kedua zat ! Jawab :

Karena kedua zat sejenis, maka kalor jenis dari kedua zat adalah sama, dan dapat saling meniadakan.

Q serap = Q lepas m1.c.∆t1 = m2.c. ∆t2

Latihan

1. Sebatang linggis massa 10 kg dimasukkan ke dalam api unggun hingga bersuhu 99°C. Jika kalor jenis linggis 280 J/kg °C, berapakah suhu akhir ketikaa linggis tersebut dicelupkan ke dalam bak mandi berisi 50kg air bersuhu 19°C, kalor jenis air 4200 J/kg°C ?

2. Secangkir air kopi pahit bersuhu 70 0_{C bermassa 200 gram, kedalamnya}

dituangkan susu sapi dingin dengan suhu 20 0_{C bermassa 60 gram.Jenis}

air kopi dan air susu sama dengan kalor jenis air yaitu 1 kalori/gram0_C.

E V A L U A S I

Pernyataan benar mengenai cairan pengisi termometer raksa adalah… A. (1), (2) dan (3) D. (4) saja

B. (1) dan (3) E. Semua benar

C. (2) dan (4)

2. Suhu dalam suatu ruang 68o_{F. nyatakan suhu ini dalam …}O_Celcius

A. 5,7 D. 30

B. 57 E. 40

C. 20

3. Jika suatu ruangan memiliki suhu 64o_{R berapa angka pada skala celcius?}

A. 24 D. 80

B. 40 E. 120

C. 60

4. Termometer X menunjukkan 20o _{pada titik bekunya dan 210}o _{pada titik}

didihnya. Jika suhu ruangan 25o_{C. Berapa suhu pada termometer X ?}

A. 40 D. 320

6. Jika suatu zat memiliki kalor jenis tinggi,maka zat itu …. A. lambat mendidih

B. cepat mendidih C. lambat melebur

7. Besi bermassa 1 kg dipanaskan dari suhu 140_{C menjadi 30}0_{C, dengan}

energi kalor sebesar 7200 J, maka kalor jenis besi adalah ….

A. 254 J/kg.K D. 450 J/kg.K

9. Jika 75 gram air yang suhunya 00_{C dicampur dengan 50 gram air yang}

suhunya 1000_{C. maka suhu akhir campuran itu adalah ….}

A. 250_{C D. 65}0_C

B. 400_{C E. 75}0_C

C. 600_C

10. Ibu akan menyajikan segelas susu untuk ayah dengan mencampurkan air panas 300 gram saat suhunya 100o_{C dan susu 200 gram bersuhu 0}o _C.

berapakah suhu campuran ketika ibu menyajikan segelas susu kepada ayah?

A. 80O _{c D. 40}0 _c

B. 60 O _{c E. 50}0 _c

C. 50 O _c

11. Sebatang logam panjangnya 20 cm koefsien muai logam adalah 10-4_/o_C

jika logam dipanasi dari 30o_{c menjadi 80}o_{c maka pertambahan panjang}

logam tersebut adalah...

A. 0,001 cm D. 1 cm

B. 0,01 cm E. 10 cm

C. 0,1 cm

12. Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 100 gram es dari suhu -100_C

menjadi air bersuhu 100_{C adalah ….(kalor jenis es = 2100 J/kg.K, kalor}

jenis air = 4200 J/kg.K, kalor lebur es = 336 kJ/kg)

A. 22.000 J D. 45.250 J

B. 33.980 J E. 45.750 J

13. Laju kalor pada sebatang logam yang panjangnya x, luas penampang A dan perbedaan suhu ∆ T adalah …

A. Berbandinglurus dengan luas penampang B. Berbanding terbalik dengan perbedaan suhu C. Berbanding lurus dengan panjang logam

D. Berbanding terbalik dengan luas penampang logam E. Berbanding lurus dengan waktu

14. Sepotong plat besi memiliki luas 2 m2_{, dan tebal 0,5 cm, serta}

konduktivitas termal 80 W/m.K, akan memiliki laju aliran kalor sebesar …., jika terjadi perbedaan suhu 400 _{pada kedua sisi plat besi tersebut.}

A. 1,54 x 105 _{watt D. 1,18 x 10}6 _watt

B. 1,68 x 105 _{watt E. 1,28 x 10}6 _watt

C. 1,82 x 105 _watt

15. Solder merupakan alat yang memenfaatkan teori fsika yaitu pada konsep perambatan kalor secara…

A. radiasi D. konduksi

campuranya adalah ...(kalor jenis ait 1 kal/gr o_C)

3. Suatu plat logam berbentuk persegi dengan sisi 10 cm. jika koefsien muai panjang logam adalah 3 x 10-5_/ o_{C dan temperatiur plat dipanasi}

hingga bertambah 20 o_{C. Berapakah pertambahan luas plat logam}

tersebut?

4. Jika kalor jenis air 1 kkal/kg o_{C, kalor jenis es 0,5 kkal/kg} o_{C dan kalor lebur}

es=80 kkal/kg, maka untuk menaikkan suhu 5 kg es -20o_{C menjadi air 80} o_{C dierlukkan kalor sebesar...kkal}

pada bagian ruang luar adalah 30 o_{C. bila diketahui konduktivitas termal}