Bahan Kuliah Fisika (kelas C)

FLUIDA

Fuida : Zat alir (zat yang dapat mengalir) mencakup zat cair dan gas

Cabang-cabang ilmu tentang fluida :

• Hidrostatika (statika fluida = Fluida diam/tak bergerak))

• Hidrodinamika (mekanika fluida= Fluida bergerak)

• Aerodinamika (khusus mengenai aliran gas dan udara) Perbedaan utama zat cair dengan gas

Kompressibilitasnya

Zat cair :

 volume tetap, bejana yang ditempati memberikan bentuk padanya

 praktis tidak dapat dimanpatkan (pengaruh tekanan terhadap volume dapat diabaikan)

G a s

 mengisi seluruh bejana tempatnya, bagaimanapun besarnya bejana itu

 mudah dimampatkan (volume dan bentuknya tidak tetap)

Kerapatan (ρ) suatu bahan yang homogen didefinisikan sebagai massa (m) per volume (V)

m =  ^{. V}

Kerapatan relatif (berat jenis) adalah perbandingan kerapatan suatu bahan dengan kerapatan air

Fluida Tak Bergerak

: Tekanan pada fluida

tidak ada satuannya

Tekanan : adalah gaya per satuan luas dimana gaya itu bekerja.

Jika gaya sebesar F bekerja pada bidang yang luasnya A, maka besar tekanan yang dialami bidang itu adalah : P =

Tekanan dalam zat cair

Bejana berbentuk tabung dengan luas alasnya A, berisi air dengan ketinggian h. Pada

permukaan air bekerja tekanan udara sebesar Po.

 tekanan udara diteruskan didalam zat cair kesegala arah tanpa berkurang (Hukum Pascal)

 Dasar bejana mengalami tekanan karena berat zat cair yang ada dalam bejana itu ditambah Po yang diteruskan zat cair ke dasar bejana

 Tekanan yang disebabkan berat zat cair itu disebut tekanan hidrostatis

 Besarnya tekanan hidrostatis pada dasar bejana itu adalah : P yang disebabkan gaya berat zat cair itu.

F = m g m = ρ V F = ρ V g karena V = Ah F = ρ A h g F ρ A h g

P = = ; maka : A A

Tekanan total pada dasar bejana :

Bejana berhubungan

Tekanan pada A1 yang disebabkan Satuannya : satuan gaya per satuan luas ( N/m² = Pa (pascal))

P = ρ h g

P total = Po + ρ h g

oleh gaya F1 adalah P1, tekanan itu diteruskan kesegala arah, pada A2 besarnya sama dengan P1 yaitu P2.

F1 F2 P1 = dan P2 = A1 A2 F1 F2 Karena P1 = P2, maka = A1 A2

Konsekwensinya : dengan gaya yang kecil dapat mengangkat beban yang berat

Pada gas :

 Gas dalam ruang tertutup, tekanannya tergantung kepada volume dan suhunya, karena gas mudah dimanpatkan.

• Pada suhu tertentu : PV = C (konstan) Hukum Boyle ( P1V1 = P2V2 = P3V3 = …….)

• Jadi ada tiga hal yang perlu diperhatikan pada gas, yaitu:

suhu, tekanan dan volume

• Angka muai ruang dan angka muai tekanan semua jenis gas sama, yaitu: 1/273 per derajat Celsius atau 0,00366/^oC ( Gay Lussac)

• Volume setiap mol gas dalam keadaan standar (t = 0 ⁰C, P = 1 atm) sama yaitu 22,4 liter.

- maka angka muai setiap mol gas adalah :

22,4 x 0,00366 = 0,0825 liter.atm /⁰C disebut : Konstanta Gas (R)

• Pada perhitungan pemuaian : V = V0 ( 1 + β0 t )

Ket : V vulume pada suhu t, V0 = volume pada suhu nol β0 = angka muai ruang gas dan t = suhu

PV = C , maka PV = P0 V0 ( 1 + β⁰ t ) secara matematis : P0 V0 ( 1 + β⁰ t ) = P⁰ V0 β⁰ (t +1/ β⁰ )

F1.A2

F2 =

A1

(t +1/ β0 ) = ( t + 273) = ^o K (T= suhu mutlak)

maka : Pers. Gas Ideal

Azas Archimedes

“ Benda yang berada di dalam zat alir mendapat mendapat gaya ke atas sebesar berat zat alir yang ditempati benda itu “

Azas archimedes dapat dijelas kan seperti contoh berikut :

 Dalam bejana berisi air terdapat sebuah benda berbentuk kubus dengan sisi y. Permukaan atas kubus terbenam dalam air sedalam x.

 Tekanan pada permukaan atas kubus P1 = P0 + ρgx, maka gaya pada permukaan atas F1 = ( P0 + ρgx ) A, dimana A adalah luas permukaan sisi kubus (sisi atas), jika sisi kubus itu y, maka A = y².

 Tekanan pada permukaan bawah kubus

P2 = P0 + ρg(x+y), maka gaya pada permukaan atas

F2 = (P0 + ρg(x+y) ) A, dimana A adalah luas permukaan sisi kubus (sisi bawah), arah tekanan berlawanan dengan P1, karena permukaan bawah berlawanan arah dengan permukaan atas, maka F1 juga berlawanan arah dg F2

Resultan F1 dan F2 adalah :

F2 – F1 = ( P0 + ρg(x+y) ) A – (P0 + ρg(x+y)) = (ρ g y)A

= berat zat cair yang ditempati kubus

Tegangan Permukaan Zat Cair

• Serangga dapat berlari dipermukaan air

• Pisau silet, jarum dan sejenisnya dapat diletakkan dipermukaan air

• Tetesan air dalam keadaan bebas cenderung berbentuk seperti bola

Gejala-gejala di atas dapat dijelaskan sebagai berikut : PV = nRT

P0

F1

F2 1

“ karena ada gaya tarik menarik antar molekul air (kohesi) maka molekul molekul air cenderung ditarik kebagian dalam, sehingga pada permukaan timbul suatu gaya tegangan yang bekerja sejajar permukaan yang membuat permukaan air sebagai selaput “

(a) (b) (c) Keterangan :

( a ). Sebuah gelang yang di bagian dalamnya ada benang ( b ). Gelang tersebut sesudah dicelupkan kedalam lair deterjen ( c ) . Bagian dalam benang yang berlapis dua ditusuk dengan jarum

Percobaan di atas memperlihatkan bahwa selaput zat cair cenderung membentuk luas permukaan sekecil-kecilnya.

Tegangan permukaan itu dapat juga dijelaskan dengan peristiwa berikut :

( a ) ( b )

Gambar (a) : sebuah kawat berbentuk U dengan kawat peluncur

Gambar (b) : kawat peluncur dipasang lalu dicelupkan kedalam larutan deterjen, kawat peluncur tertahan oleh selapis zat cair (dalam keseimbangan)

Jika panjang kawat itu l maka tegangan permukaan bekerja sepanjang 2l (ada dua permukaan, yaitu permukaan atas dan permukaan bawah). Maka total gaya tegangan permukaan itu adalah : F = 2l

γ

Dalam hal ini F = m g ( berat kawat peluncur )

Gb. Sebuah benda bulat dipermukaan zat cair

Jika sudut antara arah γ

dengan arah tegak lurus adalah α, maka :

F = 2r γ cos α = mg

Tegangan permukaan ( γ ) dipengaruhi oleh suhu “ semakin tinggi suhu zat cair, tegangan permukaan semakin kecil “

Kapilaritas

Kapiler = halus seperti rambut

Kapilaritas = naiknya permukaan air di dalam pipa kapiler

• Air dalam bejana kaca - kohesi < adesi

- sudut kontak < 90 ⁰ (berminiskus cekung)

- membasahi didnding bejana

• Jika air dalam pipa kapiler, maka dengan sudut kontak yang kecil ini membuat gaya tegangan permukaan ini menarik

molekul-molekul ke atas, hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut :

Jika air dalam pipa kapiler dibesarkan (seperti pada gambar) :

• jari-jari pipa = r

• sudut kontak air dengan dinding = θ

- maka total gaya yang menarik molekul-molekul air ke atas adalah : F = 2πrγ cos θ (karena γ bekerja disekeliling pipa)

γ F

mg

h

- air naik ke atas sampai tercapai keseimbangan, yaitu berat (W) air yang naik sama dengan F keatas.

F = W F = m g , m = ρ V, V = π r² h ( m = massa, V = volume dan h = tinggi permukaan naik ) maka : W = ρ π r² h g

F = 2 π r γ cos θ

Pada saat seimbang W = F ρ π r² h g = 2 π r γ cos θ 2 π r γ cos θ 2 γ cos θ h = atau h =

ρ π r2 g ρ r g

Hydrodinamika :

“ pelajaran tentang zat cair yang bergerak / mengalir “

.

a . b c

A

1 . l . m n

A

2

. p . q r

v

2

v

1

Arus laminer

Gambar di atas sebuah pipa yang dialiri air. Sepanjang aliran ada perubahan luas penampang pipa yang dilewat. Jika arusnya streamline (laminer = tenang), maka tiap-tiap partikel yang melewati titik a akan menempuh aliran partikel yang mendahului melalui titik a itu. Lintasan ini disebut garis alir atau garis arus Kecepatan partikel pada setiap titik akan tetap, tetapi berbeda dengan titik lain (tergantung pada luas penampang pipa).

Walaupun luas penampang A1 berbeda dengan A2 ( pada gb.

di atas A1 lebih luas dari A2 ) dalam satu aliran, volume air yang masuk pada penampang A1 tiap satuan waktu, sama dengan vulume air yang keluar dari penampang A2 tiap satuan waktu yang sama.

Volume air mengalir persatuan waktu disebut debit aliran ( Q

) Q = A v

Dalam satu aliran : Q = A v = C ( konstan )

Maka

: A

1

v

1

= A

2

v

2

= …… Pers. Kontinuitas

Jika volume air yang mengalir dalam waktu t adalah V : Maka

: V = A v t V = Q t V = A

1

v

1

t = A

2

v

2

t

Konsekwensinya : “ kecepatan terbesar terjadi pada titik dimana luas penampangnya terkecil

“

Hubungan :Tekanan (P), kecepatan (v) dan tinggi tempat (h) sepanjang garis arus

v

2 A2

P

2

A

1

P

1

v

1

h

2

h

1

 Usaha oleh P

1

pada A

1

W

1

= P

1

V

= P

1

( v

1

t A

1

)

 Usaha oleh P

2

pada A

2

W

2

= - P

2

V (P

2

negatif karena berlawanan arah dengan P

1

)

= - P

2

( v

2

t A

2

) Usaha netto dari A

1

ke A

2

: W = W

1

+ W

2

W = P

1

A

1

v

1

t – P

2

A

2

v

2

t

W = P

1

V - P

2

V

Jika kita tinjau dari perubahan energi mekanik (Δm) : W = Δm

P

1

V - P

2

V

= Δk + Δp

= (½ m v

22

- ½ m v

12

) + (mgh

2

- mgh

1

) P

1

- P

2

= ½ρv

22

- ½ρv

12

+ ρgh

2

- ρgh

1

Maka : P

1

+ ½ ρv

12

+ ρgh

1

= P

2

+ ½ρv

22

+ ρgh

2

Atau : P + ½ ρ v

²

+ ρ g h = konstan

Inilah Persamaan Bernoulli (1738

)

Dari persamaan Bernoulli terlihat : “ makin cepat aliran zat cair, makin kecil tekanan zat cair di titik itu “

Alat yang dapat digunakan untuk mengukur tekanan zat cair sedang mengalir : Venturimeter

Dalil Torricelli :

P1 + ½ ρ v12 + ρ g h1 = P2 + ½ ρ v22 + ρ g h2 P1 = P2 (tekanan udara luar), maka :

½ ρ v12 + ρ g h1 = ½ ρ v22 + ρ g h2 v12 + 2 g h1 = v22 + 2 g h2

Jika A1 jauh lebih luas dari A2 v1 kecil sekali (dianggap nol), maka persamaan tersebut menjadi :

2 g h1 = v22 + 2 g h2

v22 = 2 g h2 - 2 g h1

Jadi kecepatan air keluar dari lobang dinding bejana itu (v2), adalah

:

v = √ 2 g h

Ket : v = kecepatan air keluar lobang g = percepatan gravitasi

h = tinggi permukaan air dari lobang ( h2 – h1 )

Jauh pancuran ( x ) dapat dicari dengan menggunakan gerak setengah parabola : x = v t t =

√ 2 h

2

/g

x =

√ 2 g h . √ 2 h

2

/g

x = 2

√

h 2 ( h ) Visikositas (kekentalan)

Kekentalan dapat dianggap sebagai gesekan dalam pada suatu fluida (zat alir). Pada zat cair, semakin tinggi suhu kekentalannya berkurang, tetapi pada gas jika suhu naik kekentalannya bertambah.

F L gaya x jarak dyne cm dyne detik Kekentalan (η) = = =

A v luas x kecepatan cm² cm/det cm² dyne detik

=

poise cm²

Kekentalan minyak pelumas biasanya dinyatakan dengan skala yang ditentukan menurut “ Society of Automotive Engineers “ ( S A E ), sebagai berikut :

SAE 10 pada suhu 54,5 ^o C 160 - 220 cp (centi poise) SAE 20 pada suhu 54,5 ^o C 230 - 300 cp (centi poise) SAE 30 pada suhu 54,5 ^o C 300 - 360 cp (centi poise) SAE 40 pada suhu 54,5 ^o C 370 - 430 cp (centi poise Ada kombinasi dari 4 faktor yang menentukan apakah arus suatu zat cair dalam pipa laminer atau turbulen . Kombinasi itu disebut bilangan Reynolds.

ρ v D NR = bilangan Reynolds NR = ρ = kerapatan zat cair η η = kekentalan D = diameter pipa Dari hasil percobaan : NR < 2000 laminer NR > 3000 turbulen Antara 2000 - 3000 tidak stabil

Mengukur η dengan cara Stokes :

v0

FA R

v tetap mg

 Bola yang bergerak dalam zat cair (zat alir) ke bawah seperti pada gambar, mendapat gaya ke atas, yaitu gaya apung (gaya Archimedes) dan gaya geser (gaya stokes).

 Mis : benda bergerak tanpa kecepatan awal dari permukaan air, berarti gaya yang bekerja adalah gaya beratnya , yaitu W = m g

 Stokes dapat membuktikan bahwa gaya geser (yang menahan) pada benda yang berbentuk bola adalah : R = 6 π η r v, berarti ada hubungan linier antara R dan v ( yang lain konstan)

Semakin besar kecepatan benda maka gaya geser semakin besar pula , tentu akan tercapai keadaan seimbang (gaya ke atas sama dengan gaya ke bawah), sehingga kecepatannya (v) menjadi konstan.

Keadaan seimbang terjadi saat : R + FA = W 6 π

η r v +

ρair Vbola g = mbola g

6 π

η r v =

ρ bola Vbola g - ρair Vbola g = Vbola g (ρbola - ρair)

= 4/3 π

r

³g (ρbola - ρair) 2 r² g (ρbola - ρair)

η =

9

v

Soal :

1. Benda ditimbang di udara 20 N, ditimbang dalam air 15 N. Berapa volume benda itu jika kerapatan air 1 g/cc ? ( g = 10 ms^-2 )

2.

Perhatikan gambar !

Benda berbentuk kubus yang sisinya 10 cm, 7 cm terbenam ke dalam air ( 3 cm muncul dipermukaan ). Jika kerapatan air 1 g.cc^-1 dan percepatan gravitasi bumi 10 m.s^-2 . Berapa kerapatan benda itu ?

A I R

3. Berapa volume gas helium yang dibutuhkan untuk mengisi sebuah balon yang digunakan untuk mengangkat sebuah beban yang massanya 8 kg, jika kerapatan udara 1,29 kg m^-3 dan kerapatan gas Helium 0,18 kg m^-3 (massa balon kosong diabaikan !

1. Jika xylem sebuah pohon mempunyai jari-jari 0,0001 cm, berapa tinggi yang mungkin dapat dicapai pohon itu (jika air naik hanya disebabkan kapilaritas pada xilem). Diketahui tegangan permukaan air = 0,072 N/m, percepatan grafitasi bumi = 10 m/det², kerapatan air 1g/cc dan sudut kontak air dengan dinding xilem 0^o.

5. Dari ujung sebuah kran yang luas penampangnya 1 cm² mengalir air dengan kecepatan 25 cm/s. Berapa lama kita menampung air untuk mengisi penuh sebuah ember kosong yang volumenya 6 liter.

6.

air

Dari gambar disamping tampak sebuah bejana berbentuk tabung berisi air dengan ketinggian h meter.

Jika pada ketinggian yang sama terdapat dua buah lobang (kebocoran) dimana luas lobang B dua kali luas lobang Bagaimana menurut anda jauh pancuran air yang dikeluarkan kedua lobang itu? Dan bagaimana dengan debit aliran air yang keluar dari kedua lobang tersebut ? Jelaskan mengapa demikian !

7. Kedalam tangki kosong dialirkan air dari sebuah pipa yang luas penampangnya 1 cm² dengan kecepatan aliran 4 m.s^-1. Jika pada ketinggian 10 cm dari dasar tangki ada kebocoran dengan luas penampang 2 cm², berapa tinggi air maksimum yang dapat dicapai dalam tangki itu ? (g = 10 m.s^-2 )

8. Berapa besar gaya minimal yang harus ditimbulkan sebuah pompa air untuk mengisi sebuah tangki yang tingginya 100 m dari pompa itu pada pipa berpenampang 1 cm² jika tekanan udara luar 1 bar dan g = 10 m.s^-2.

9. Untuk mengisi sebuah bak kamar mandi yang kosong kita alirkan air melalui sebuah kran yang luas penampangnya 1 cm². Jika kecepatan air keluar dari kran 10 m.s^-1 dan volume bak 1 m³ , berapa lama kita mengisi bak itu sampai penuh ?

PANAS ( KALOR )

Panas adalah salah satu bentuk energi, oleh karena itu satuan panas adalah satuan energi yaitu joule. Namun dalam kehidupan sehari-hari sering juga panas dinyatakan dengan satuan lain yang disebut kalori (disingkat kal).

Yang dimaksud dengan 1 kalori adalah banyaknya panas yang diperlukan guna menaikkan temperatur 1 g air dari 14,5 ^oC ke 15,5 ^oC.

1 kalori = 4,18625 joule

Selain itu dalam satuan Inggris, satuan panas adalah BTU (Brittish Thermal Unit). 1 BTU adalah Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 lb air sebesar 1⁰ C pada temperatur 59⁰F. (58⁰ – 59⁰F atau 59⁰ – 60 ⁰F). jadi 1BTU = 251,996 cal 252 cal.

Alat untuk mengukur suhu (temperatur) : TERMOMETER.

Beberapa macam skala yang digunakan pada termometer adalah : Skala Reamur, skala Celcius (umum, termasuk di Indonesia) dan skala Fahrenheit (di Amerika). Reamur menggunakan skala dari es yang sedang mencair sampai titik didih air menjadi 80 skala yaitu 0 ⁰ sampai

80 ⁰ R. Celcius membaginya menjadi 100 skala yaitu 0⁰ sampai 100⁰ C.

Sedangkan Fahrenhiet membaginya menjadi 180 skala yaitu 32 ⁰ sampai 212 ⁰ F, dengan titik nol nya lebih dingin yaitu titik beku air garam, sehingga 0 ⁰ R = 0 ⁰ C = 32 ⁰ F dan 80 ⁰ R = 100 ⁰ C = 212 ⁰ F

Batas terendah suhu yang dapat dicapai yaitu : -272,2 ⁰C - 273⁰ C, Ini disebut titik nol mutlak ( pertama kali memakainya LORD KELVIN). Sehingga t⁰ C+273 disebut sebagai suhu mutlak.

Beberapa akibat panas pada benda : - Suhu benda naik

- Ukuran benda bertambah (mamuai).

- Wujud (fase) benda berubah.

- Dan lain-lain (mis : daya hantar listrik bertambah, kekentalan berkurang)

Panas dan Suhu Benda :

Hasil percobaan menyatakan bahwa apabila sebuah benda diberi kalor (dipanaskan) maka : ∆Q ~ m dan ∆Q ~ ∆t

(∆Q = jumlah panas, m = massa benda dan ∆t = perubahan suhu), dan setiap jenis zat mempunyai konstanta : c = panas jenis

maka : ∆Q = c . m . ∆t

Panas jenis ini tergantung kepada bagaimana proses pemanasan yang dilakukan,

cp = panas jenis pada tekanan tetap cv = panas jenis pada volume tetap.

Perbedaan harga c untuk berbagai temperatur berpengaruh pada gas, tetapi pada zat cair dan padat pengaruhnya sangat kecil sehingga perhitungan gas digunakan persamaan GAS IDEAL.

Alat untuk mengukur panas jenis disebut Kalorimete, dengan memakai prinsip azas Black.

Q diepas = Q diserap

M1C1 (T1-Ta) = (MkCk + MaCa) (Ta-T2) T1 = Temperatur sistem

T2 = Temperatur kalori meter Ta = Temperatur kesetimbangan M1C1 (T1-Ta) = Q yang dilepaskan

(MkCk + MaCa) (Ta-T2) = Q yang diterima

Pada waktu perubahan fase (wujud) tidak terjadi perubahan suhu.

Panas yang diperlukan untuk merubah fase pada zat disebut kalor latin.

Contoh : kalor lebur es = lf = 79,7 kkal/kg Kalor uap air = lv = 539 kkal/kg.

Kalor jenis air = c = 1 kal/g = 1 kkal/kg

Contoh soal :

1. Sebuah kalori meter dari tembaga merah massanya 100 g berisi 150 g air dan es 8 g dalam keseimbangan termal pada 1 atm. Kemudian ke dalam kalori meter dimasukkan 100 g timah hitam bersuhu 200 ⁰C. Tentukan suhu akhir! (l es = 79,7 kal/g, C tembaga = 0,093 kal/g, C timah = 0,031 kal/g).

2. Di dalam bejana yang berisi air 50 g dimasukkan sepotong besi 20 g yang suhunya 80 ^OC. Jika suhu akhir 50 ⁰C, berapa suhu air mula-mula?

3. Sebuah mobil yang massanya 2000 kg bergerak dengan kecepatan 100 m/s, lalu direm sampai berhenti. Berapa kalori panas yang timbul pada rem?

Panas dan pemuaian

Zat yang dipanaskan memuai. Hasil percobaan pada benda padat menunjukkan bahwa terdapat hubungan linier antara suhu dengan pertambahan panjang.

l ~ l0 dan l ~ t

l = perubahan panjang = lt – l0

t = selisih temperatur

setiap jenis zat mempunyai konstanta muai sendiri yaitu  ( Koofisien muai linier ), maka : l =  . l ⁰ . t

l0 + l = l0 +  . l 0 . t lt = l0 ( 1 +  t )

Untuk muai bidang perhitungannya dilakukan dengan pendekatan persamaan muai panjang. Karena bidang mempunyai panjang dalam 2 dimensi (panjang dan lebar) maka untuk koefisien muainya diapakai  yaitu koofisien muai luas yang nialinya  = 2 

Jadi : A =  . A0 . t

Begitu juga untuk mual ruang, digunakan  sebagai koefisien muai ruang yang nilai  = 3, maka persamaanya adalah : V =

 . V0 . t

Nilai-nilai pendekatan ini dalam praktisnya cukup akurat.

Untuk gas lebih baik digunakan persamaan gas ideal : PV = n RT

Pemuaian pada batang gabung : a b

Batang a dan b digabung, mempunyai  berbeda, l⁰ sama. ¹  ²., maka kalau dipanaskan batang a akan lebih panjang dari pada batang b. Karena digabung maka pemuaian ditahan oleh b

Jika R = Jari– jari kelengkungannya, d = tebal masing – masing.

Maka : R 

Sifat ini dimanfaatkan pada alat–alat otomatis, seperti setrika otomatis, dan lain sebagainya.

Perpindahan Panas

Ada beberapa cara, yaitu : 1. konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi Konduksi

Perpindahan panas yang terjadi akibat transfer energi dari satu atom ke atom lainnya (yang berdekatan) dalam medium (tidak ada yang bergerak).

Contoh : Batang logam yang dipanaskan di ujungnya, maka panas sampai ke tangkainya.

Batang sebagai medium

Panas (kalor)

Vibrasi (getaran) atom pada T2 makin bertambah sehingga akan terdapat ketidak seimbangan, atom yang dipanaskan akan memindahkan energinya pada atom yang di dekatnya (terjadi perpindahan energi). Ini terjadi pada bahan-bahan yang bersifat konduktor (penghantar).

Logam pengantar panas yang baik karena ada elektron- elektron bebas. Elektron-elektron bebas ini dan molekul-molekul logam berperan dalam proses penerusan energi termik dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Oleh sebab itu penghantar panas yang baik juga penghantar listrik yang baik.

Konduksi hanya terjadi bila bagian-bagian dari suatu benda berlainan suhunya. Aliran panas secara konduksi tergantung

o o o o o

kepada bahan, luas penampang dan selisih temperatur per satuan panjang.

= aliran panas per satuan waktu, k = koofiaien konduktifitas bahan, A = Luas penampang dan = Limit selisih temperatur

Tanda negatif (-) menunjukkan aliran panas dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Tabel : Daya hantar panas beberapa Zat.

Logam

K (kal.cm/s.

cm².^OC)

Zat Padat (rata-rata)

K (kal.cm/s.

cm².^OC) Gas-gas

K (kal cm/s.

cm².^OC) Aluminium

Kuningan Tembaga merah Timah hitam Air raksa Perak Baja

0,49 0,26 0,92 0,083 0,020 0,97 0,12

Bata tahan api Bata isolasi Bata merah Beton Gabus Filt Kaca Es Rock wool Kayu

0,0025 0,00035 0,0015 0,002 0,0001 0,0001 0,002 0,004 0,0001 0,0003- 0,0001

Udara Argon Helium Hydrogen Oksigen

0,000057 0,000039 0,00034 0,00033 0,000056

Konveksi

Konveksi = Pemaparan panas dari suatu tempat yang dibawa sendiri oleh bahan panas (perpindahan materi).

Contoh : pada air dan udara

Air dalam periuk yang dipanaskan, molekul-molekul yang panas di bawah naik ke bagian permukaan karena  turun akibat suhunya naik (memuai). Sebaliknya air membeku terlebih dahulu pada bagian permukaan (^es kecil dari  ^air).

Volume air terkecil 4^OC (ingat anomali air). Jika di permukaan air suhu rendah (misal : -10^OC) maka molekul air dipermukaan suhu turun dan kerapatan naik, lalu tenggelam

Proses ini berlangsung sampai suhu menjadi 4^OC, prosesnya lain karena dari 4^O - 0^OC kerapatan air naik. Jadi molekul air yang lebih dingin tetap di permukaan. Makanya air membeku di permukaan terlebih dahulu, dan proses pendinginan selanjutnya berlangsung lambat, bila suhu telah mencapai 4^OC.

Rumus Konveksi sangat tergantung kepada bagaimana bentuk aliran massa (laminer atau terbulen) biasanya didapatkan dari eksperimen.

Konveksi bebas : Aliran panas, dituliskan = k . A . t Radiasi

Radiasi adalah pemancaran energi dalam bentuk gelombang lektromagnetik. Perpindahan panas secara radiasi tidak memerlukan medium dan kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya (c = 3 X 10⁸ m/det). Bila menumbuk benda gelap (tak tembus cahaya), maka gelombang-gelombang tersebut akan diserap dan energinya berubah menjadi panas. Setiap permukaan benda memancarkan energi radiasi. Daya emisi panas (w) adalah energi per satuan luas (penampang tegak lurus).

Daya Emisi (w) tergantung kepada : - sifat permukaan (warna)

- temperatur benda

Pada suhu rendah radiasi sedikit dan panjang gelombang energinya relatif panjang. Jika suhu naik banyaknya radiasi bertambah dengan cepat sebanding dengan suhu mutlak berpangkat 4. Pada suhu 300^OC, praktis semua energi radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda di bawah gelombang yang panjang gelombangnya lebih besar dari panjang gelombang

cahaya merah (infra red). Jadi benda tampak berpijar (± suhu filamen lampu pijar).

HUKUM STEFAN

Pengukuran-pengukuran secara eksperimen tentang banyaknya energi pancar dari permukaan benda pertama kali dilakukan oleh John Tyndall (1820-1893) dan kemudia John Stefan (1815-1893) pada tahun 1879. Dari hasil percobaan didapat hubungan sebagai berikut :

R = eT⁴

R = Energi per satuan waktu per satuan luas (erg/s/cm²) atau watt/m².

 = Konstanta 5,6699 X 10^-5 (cgs) atau 5,6699 X 10^-8 (mks).

T = Suhu mutlak permukaan benda

e = Emisivitas (daya pancar). Harga e antara o dan 1, tergantung warna permukaan.

Jumlah netto energi yang dipancarkan setiap benda (yang diserapnya) per satuan waktu per satuan luas ( karena radiasi), bila suhu benda T1, suhu lingkungannya T2 adalah :

R netto = e  T4 – e T24

R netto = e  ( T14 – T24)

Soal :

1. Sebutkan dan jelaskan tiga cara perpindahan panas, dan beri contoh masing- masing !

2. Kedalam bejana berisi 50 g air dimasukkan sepotong besi 25 g yang suhunya 100^o C. Jika suhu akhir (suhu kesetimbangan) 40^o C. Berapa suhu air mula- mula ? (cair = 1 kal/gC^o dan c besi = 0,113 kal/gC^o)

3. Sebuah batang logam pada suhu 10 ^oC panjangnya 100 cm. Kemudian batang itu dipanaskan sampai 110 ^oC. Jika koefisien muai panjang logam itu 12.10^-6 / ^oC.

Hitunglah pertambahan panjang batang logam tersebut !.

4. Sepotong kawat tembaga yang panjangnya 92 cm, salah satu ujungnya dimasukkan kedalam es yang sedang mencair ( 0 ⁰C ) dan ujung yang lain dimasukkan kedalam air yang sedang mendidih ( 100 ⁰C ). Jika luas penampang tembaga itu 1 cm² dan konduktivitas bahan tembaga 0,92 kal cm^{-1 0}C^-1s, berapa besar aliran panas pada batang tembaga itu ?

5. Tabung yang volumenya 500 cc pada suhu 77 ⁰F berisi penuh dengan zat cair, di panaskan sampai suhu 80 ⁰R. Berapa volume zat cair yang tumpah jika koefisien muai panjang bahan tabung 2 x 10 ^–5 / ⁰C dan koefisien muai volume zat cair 3 x 10 ^–4 /⁰C.

6. Sebuah batang yang panjangnya 2 m terdiri dari inti yang terbuat dari baja berdiameter 1 cm dan diselubungi oleh pipa tembaga merah yang radius luarnya 1 cm. Permukaan luar batang itu diberi penyekat panas. Salah satu ujung batang itu diberi suhu 100 ⁰C dan ujung yang satu lagi 0 ⁰C. Tentukan total arus panas di dalam batang itu ! ( k baja = 0,12 kal/cm C⁰ s dan k tembaga = 0,92 kal/cm C⁰ s ).

7. Sebatang tembaga merah yang luas penampangnya 2 cm² panjangnya 46 cm salah satu ujungnya dimasukkan kedalam uap air (suhu 100 ⁰C) dan ujungnya yang lain dimasukkan kedalam es yang sedang mencair (suhu 0 ⁰C). Jika kehilangan kalor pada permukaan batang tembaga dapat diabaikan dan koefisien konduktifitas tembaga adalah 0,92 kal/cm C⁰ s, tentukan :

a. besar aliran panas pada batang

b. suhu dibagian tengah batang (23 cm dari pangkal/ujung)