KEGIATAN BELAJAR 6 SUHU DAN KALOR

Transkripsi

1 KEGIATAN BELAJAR 6 SUHU DAN KALOR A. Pengertian Suhu Suhu atau temperature adalah besaran yang menunjukkan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Pengukuran suhu didasarkan pada keadaan fisis zat ( padat, cair, gas ) yang mengalami perubahan jika suhunya berubah. Sensitivitas benda terhadap perubahan suhu dinamakan sifat termometrik zat. Perubahan termometrik zat antara lain ( perubahan volume, perubahan wujud, perubahan daya hantar listrik, dan perubahan warna. B. Mengukur Suhu Alat mengukur suhu berdasarkan sifat-sifat termometrik dinamakan thermometer. Zat cair yang mempunyai sifat termometrik yang baik adalah air raksa dan alkohol, karena raksa dan alkohol dapat memuai secara linier jika terjadi kenaikan suhu. Zat cair yang digunakan untuk mengisi tabung termometer adalah raksa, karena raksa memiliki kelebihan dibandingkan dengan zat cair lain. Kelebihan raksa sebagai pengisi tabung termometer adalah: a. Keseimbangan termal terhadap zat yang akan di ukur lebih cepat b. Memiliki titik beku terendah ( C ) dan titik didih ( C ). c. Memiliki kenaikan volume yang teratur pada saat terjadi perubahan suhu d. Tidak membasahi kaca yang ditempati, karena memiliki gaya kohesi besar sehingga pengukuran suhu lebih akurat. e. Mudah dilihat, karena warnanya putih seperti perak ( mengkilat ) Pada pengukuran dengan menggunakan termometer, suhu suatu zat yang diukur sama besar dengan skala yang ditunjukkan oleh termometer saat terjadi kesetimbangan termal antara zat dengan termometer. Skala termometer dibedakan menjadi skala Celcius, skala Fahrenhait, skala Reamur dan skala Kelvin. Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 155

2 Perbandingan skala termometer Reamur, Celcius, Fahrenhait dan Kelvin R C F K R : C : ( F 32 ) = 80 : 100 : 180 R : C : ( F 32 ) = 4 : 5: 9 Hubungan antara dua termometer sembarang Jika dua termometer sembarang X dengan Y masing-masing memiliki titik tetap bawah dan titik tetap atas yang berbeda, tetapi rentangan antara kedua acuan tersebut sama. Hal ini karena titik tetap bawah menggunakan acuan suhu es yang mulai melebur pada tekanan normal dan titik tetap atas menggunakan acuan suhu air mendidih pada tekanan udara normal. Jika suhu benda dalam derajat X diketahui, maka suhu dalam derajat Y dapat di cari. X Y a p b q a r p r b s q s r s Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 156

3 C. Pemuaian Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena suhunya dinaikkan. Umumnya suatu zat baik padat, cair dan gas bila dipanaskan akan memuai, kecuali air a. Pemuaian zat padat Zat padat yang dipanaskan akan mengalami pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. 1. Muai panjang Lo Lt L L = Lo α T Lt = Lo + Lo α T Lt = Lo ( 1+ α T ) L = pertambahan panjang batang ( m ) Lo = panjang batang mula-mula ( m ) Lt = panjang batang estela suhu naik ( m ) α = koefisien muai panjang ( / 0 C ) T= kenaikan suhu ( 0 C ) 2. Muai luas Jika suatu benda berbentuk bidang dinaikan suhunya, maka sisi-sisi bidang tersebut ( panjang dan lebar ) akan bertambah panjang. A = Ao β T Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 157

4 At = Ao + Ao β T At = Ao ( 1+ β T ) A = pertambahan luas ( m 2 ) Ao = luas bidang mula-mula ( m 2 ) At = luas bidang setelah suhu naik ( m 2 ) β = koefisien muai luas ( / 0 C ) T= kenaikan suhu ( 0 C ) 3. Muai volume Jika suatu benda berbentuk tiga dimensi jika diberi kalor selain bertambah panjang dan lebar juga akan bertambah tinggisehingga benda tersebut mengalami pemuaian volume. V = Vo γ T Vt = Vo + Ao γ T Vt = Vo ( 1+ γ T ) V = pertambahan volume ( m 3 ) Vo = volume mula-mula ( m 3 ) Vt = volume setelah suhu naik ( m 3 ) γ = koefisien muai volume ( / 0 C ) T= kenaikan suhu ( 0 C ) b. Pemuaian zat cair Untuk air ketika dipanaskan dari suhu 0 0 C sehingga mencapai suhu 4 0 C, volumenya akan menyusut. Massa air tidak berubah selama penyusutan, sehingga massa jenis mencapai maksimum pada suhu 4 0 C, dimana suhu air minimum. Pada suhu diatas 4 0 C air akan memuai jika dipanaskan. Sifat pemuaian air yang tidak teratur inilah dinamakan anomali air. c. Pemuaian gas Gas hanya mempunyai muai ruang saja dan besar koefisien muai ruangnya sama untuk semua jenis gas yaitu: Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 158

5 1 γgas = 273 Ada 3 besaran yang harus diperhatikan pada pemuaian gas, yaitu tekanan, suhu dan volume. P1V 1 T1 P2V 2 T 2 Jika berlangsung pada suhu tetap P1 V1 = P2 V2 Jika berlangsung pada volume tetap P1 T1 P2 T 2 Jika berlangsung pada trkanan tetap V1 V 2 T1 T 2 D. Kalor Kalor adalah suatu bentuk energi yang dipindahkan melalui perbedaan suhu. Kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Benda yang menerima kalor suhunya akan naik, sedangkan benda melepas kalor suhunya akan turun. Besarnya kalor yang di serap atau dilepas oleh suatu benda berbanding lurus dengan: massa benda ( m ), kalor jenis benda ( c ), dan perubahan suhu ( T ). Jadi besar kalor yang dilepaskan atau diserap secara matematis: Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 159

6 Q = m c T m = massa benda ( kg ) c = kalor jenis ( J/kg K atau kal/gr C ) T = kenaikan suhu ( 0 C ) Dalam satuan SI satuan kalor adalah Joule. 1 kalori = 4,2 joule 1 joule = 0,24 kalori Satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 0 C air yang massanya 1 gram. Besaran dalam kalor a. Kapasiras Kalor ( C ) Kapasitas kalor adalah perbandingan antara jumlah kalor yang diterima benda dengan kenaikan suhu atau banyak panas yang diperlukan untuk menaikan sejumlah zat tertentu sebesar satu derajat celcius atau satu kelvin. C = Q T C = kapasitas panas ( J/K ) Q = kalor ( J ) T= kenaikan suhu ( K ) b. Kalor jenis ( c ) Merupakan perbandingan antara kapasitas kalor dengan massa benda atau banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu derajat celcius dari satu kilogram zat tersebut. Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 160

7 c = C m Q m T C = kapasitas panas ( J/K ) Q = kalor ( J ) T= kenaikan suhu ( K ) c = kalor jenis benda ( J/kgK ) Kalor jenis hanya tergantung pada jenis benda tersebut, sehingga masingmasing benda mempunyai kalor jenis yang berbeda-beda. Hukum kekekalan energi untuk kalor Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi energi dapat berubah dari satu bentuk energi kebentuk energi lainnya. Hukum kekekalan energi kalor dapat diamati dengan menggunakan kalorimeter. Kalorimeter adalah alat digunakan untuk mengukur kalor. Menurut Azaz Black adalah jumlah kalor yang dilepas ( QL ) = jumlah kalor yang diterima ( QT ) Qlepas = Qterima ( m c T )lepas = ( m c T )terima Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 161

8 Pengaruh Kalor terhadap Wujut Benda Apabila sejumlah es di dalam tabung gelas dipanaskan terus menerus, maka es akan melebur menjadi air, kemudian air akan menguap menjadi gas. Sebaliknya jika air di dinginkan maka air akan membeku menjadi es. Hal tersebut menunjukkan bahwa air mengalami perubahan wujud. Pada peristiwa melebur, menguap, dan menyublim selalu dibutuhkan kalor. Pada peristiwa membeku, mengembun, dan menyublim selalu dilepaskan kalor. Pada saat terjadi perubahan wujud, suhu zat tetap. Kalor yang diperlukan oleh tiap satuan massa zat untuk mengubah wujudnya dinamakan kalor laten dan suhu yang terjadi selama perubahan wujud zat dinamakan suhu transisi. E. Perpindahan Kalor. Perindahan kalor dibedakan menjadi 3 macam. a. Perindahan kalor secara konduksi Perpindahan kalor melalui zat perantara ( logam ) dengan tidak disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut secara permanen dinamakan hantaran atau konveksi. Laju perindahan kalor secara konduksi tergantung pada panjang, luas, jenis bahan, dan perubahan suhu Banyaknya kalor yang dapat berpindah selama waktu t adalah: Q t T ka L Q = banyaknya kalor ( J ) t = selang waktu ( sekon ) T= perubahan suhu ( K ) L = panjang batang ( m ) A = luas penampang ( m 2 ) k = koefisien konduksi termal zat ( J/msK ) b. Perindahan kalor secara konveksi Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai perpindahan partikel-partikel zatnya, yang biasanya perjadi pada zat cair dan gas. Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 162

9 Q t ha T Q = banyaknya kalor ( J ) t = selang waktu ( sekon ) T= perubahan suhu ( K ) A = luas penampang ( m 2 ) h = koefisien konveksi termal ( J/sm 2 C ) c. Perindahan kalor secara radiasi Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalor dari pancaran sinar matahari ke bumi. Q t e AT 4 Q = banyaknya kalor ( J ) t = selang waktu ( sekon ) e = emitivitas permukaan (0 e 1 ) σ = konstanta Stepan-Boltman ( watt/ m 2 K 4 ) T = suhu mutlak ( K ) A = luas permukaan benda ( m 2 ) Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 163

10 CONTOH SOAL 1. Pada suhu berapakah skala Fahrenheit dan skala Celsius menunjukkan angka yang sama. Penyelesaian. Misal skala Fahrenheit dan skala Celsius menunjukkan angka yang sama x, maka tf = tc = x ( tf 32 ) : tc = 9 : 5 ( x 32 ) : x = 9 : 5 9x = 5 ( x 32 ) 9x = 5x 160 4x = X = Termometer X memiliki titik tetap bawah dan titik tetap atas masing-masing 25 0 X dan X, sedangkan termometer Y masing-masing 20 0 Y dan Y. Jika suhu benda menunjukkan t 0 X = 50 0 X, berapa suhu benda tersebut dalam derajat termometer Y. Penyelesaian. a r p r b s q s b ( 20) ( 20) b b = 30 Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 164

11 3. Sebatang baja dengan panjang 2,0 m dipanasi dari 290 K sampai 540 K. Hitunglah batang baja pada suhu 540 K. Koefisien muai panjang baja adalah 1,2 x 10-5 /K. Penyelesaian. Panjang awal Lo = 2,0 m, suhu awal To = 290 K suhu akhir T 540 K dan α = 1,2 x 10-5 /K L = Lo α T = 2 1,2 x = 0,006 m Lt = Lo + L Lt = 2,0 + 0,006 Lt = 2,006 m 4. Tentukan kalor pada 500 gram air dipanaskan dari 25 0 C menjadi 65 0 C. Jika kalor jenis air 4200 J/kgC Penyelesaian Q = m c T Q = 0, Q = J 5. Jika 75 gram air yang suhunya 0 0 C dicampur dengan 50 gram air yang suhunya C, berapa suhu akhir campuranitu? Penyelesaian. Q lepas = Q terima 50 ca ( 100 x ) = 75 ca x 50 ( 100 x ) = 75 x 3x = 200 2x 5x = 200 X = 40 0 C 6. Suatu benda hitam pada suhu 27 0 C memancarkan energi R J/s. Benda hitam tersebut dipenasi hingga suhunya menjadi C. Berapa energi yang dipancarkan. Penyelesaian. Q t e AT R : x = T1 4 : T2 4 R : x = : X = 16 R 4 Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 165

12 Ayo mencoba UJI PEMAHAMAN Kerjakan dengan singkat dan jelas. 1. Nyatakan 68 F dan 5 F pada skala Celcius dan Fahrenhait 2. Suhu dalam skala derajat Celcius menunjukkan angka 60 0 C. Tentukan skala yang ditunjukkan oleh Reamur, Fahrenhait dan Kelvin. 3. Suatu termometer A mempunyai titik beku air 20 0 A dan titik didih air A. Bila suatu benda diukur dengan termometer Celcius suhunya 45 0 C, Berapa suhu yang ditunjukkan oleh termometer A. 4. Suhu tubuh seorang yang sedang sakit panas mencapai 40 0 C Berapa suhu ini jika dinyatakan dalam skala Fahrenhait. 5. Panjang sebuah tembaga adalah 1,0 meter pada suhu 20 0 C. Jika koefisien muai tembaga 17 x 10-6 /C, dan batang tembaga itu lebih pendek dari 1,0 mm tentukan suhu pada saat itu. 6. Ketika suhunya dinaikan sebesar 60 0 C, sebuah batang logam yang mula-mula panjangnya 3 meter berubah menjadi 3,00091 meter. Hitung koefisien muai panjang batang tersebut. 7. Luas suatu bidang kaca pada malam hari yang bersuhu 20 0 C adalah 2000 cm 2, koefisien muai panjang gelas 8 x 10-6 /C. Pada siang hari bidang kaca itu bertambah luas 32 mm 2. Tentukan suhu kaca pada siang hari tersebut. 8. Suatu gas berada pada suhu 50 0 C. Berapa suhunya agar volume gas menjadi berlipat dua jika tekanan dijaga konstan. 9. Sejumlah gas ideal menjalani proses isobarik sehingga suhunya menjadi dua kali semula dan volumenya menjadi N kali semula. Tentukan nilai N 10. Jika kalor jenis es 0,5 kal/grc, tentukan kalor yang diperlukan untuk menaikan 50 gram es dari C menjadi -5 0 C 11. Sebuah besi beton memiliki panjang 2 m dan luas penampang 20 cm 2 serta perbedaan suhu antara kedua ujungnya C. Jika koefisien termal besi 4,6 J/ms 0 C. Tentukan jumlah kalor yang dipindahkan tiap satuan waktu. 12. Sebuah balok besi massanya 1 kg dipanaskan dari suhu 14 0 C sampai 30 0 C. Ternyata energi yang diperlukan sama dengan 7200 J. Hitung kalor jenis besi. Modul Fisika SMAN 10 Samarinda 166