MODUL PEMBELAJARAN FISIKA. SMA Kelas X Semester 2 Peminatan IPA. MGMP FISIKA SMA Kota Sukabumi 10

Transkripsi

1 MODUL PEMBELAJARAN FISIKA SMA Kelas X Semester 2 Peminatan IPA MGMP FISIKA SMA Kota Sukabumi 10

2 DAFTAR NAMA FISIKA PEMBUAT MODUL FISIKA SMA KELAS X SEMESTER GENAP Pelajaran 2015/2016 NO. NAMA ASAL SEKOLAH 1 Ade Mulyadi, S.Pd.,M.Pd SMA N 3 Kota Sukabumi 2 Erma Rahayu Pernama, S.Pd.,M.Pd SMA N 1 Kota Sukabumi 3 Fasal Elahi S.Pd.,M.PFis SMA N 1 Kota Sukabumi 4 Felix Irawan S.Pd SMA N 4 Kota Sukabumi 5 Herry S Gustiono, S.Pd SMA N 2 Kota Sukabumi 6 Ami Hasmi Utama Sari, S.Pd.,M.Pd SMA N 3 Kota Sukabumi 7 Dian Safitri, S.Pd SMA N 4 Kota Sukabumi 8 Tri Haryani,S.Pd.,M.Pd SMA N 4 Kota Sukabumi 9 Tatan Abdullah, S.Pd.,M.Pd SMA N 3 Kota Sukabumi 10 Jenni Montesori Purba S.Pd SMA N 5 Kota Sukabumi 11 Rani Fitriani, S.Pd SMA N 4 Kota Sukabumi 12 Drs Sujihandana SMA Mardiyuana Kota Sukabumi 13 Rochmiati, S.Pd.,M.Si SMA Negeri 1 Kota Sukabumi 14 Intan PS, S.Pd.,M.MPd SMA Negeri 1 Kota Sukabumi Editor Fasal Elahi S.Pd.,M.PFis Ade Mulyadi, S.Pd.,M.Pd halaman i

3 KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan ke Hadirat Allah SWT, atas rahmat dan hidayah-nya kami dapat menyelesaikan MODUL Fisika ini. Penyelesaian MODUL ini tentunya tidak terlepas dari bantuan semua pihak. Untuk itu kami sampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan MODUL ini. Kami menyadari dalam penyusunan MODUL ini masih jauh dari sempurna. Kritik dan saran yang membangun tetap diharapkan dari semua fihak, untuk penyempurnaan pembuatan Lembar kerja Siswa ini di masa yang akan datang. Semoga MODUL Siswa ini bermanfaat dan dapat digunakan bagi guru dan siswa untuk membantu proses pembelajaran Fisika di sekolah Tim Penulis, halaman ii

4 DAFTAR ISI BAB 1 ELASTISITAS... 1 A. Pendahuluan... 1 B. Sifat Elastis Benda Padat... 2 C. Hukum Hooke... 5 D. Susunan Pegas Seri Paralel... 5 E. Penerapan Sifat Elastis Bahan... 8 F. Lembar Kerja Siswa G. Uji Kompetensi BAB 2 FLUIDA STATIS A. Pengertian Fluida B. Massa Jenis C. Tekanan D. Hukum Pokok Hidrostatis E. Hukum Pascal F. Hukum Archimedes G. Tegangan Permukaan H. Kapilaritas I. Viskositas dan Hukum Stokes J. Rangkuman K. Uji Kompetensi BAB 3 SUHU DAN KALOR A. Pendahuluan B. Suhu C. Pemuaian D. Kalor E. Perpindahan Kalor F. Uji Kompetensi BAB 4 OPTIK A. Optik Geometri B. Alat-alat Optik C. Uji Kompetensi DAFTAR PUSTAKA halaman iii

5 BAB 1 ELASTISITAS KOMPETENSI INTI 1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya 2. Mengembangkan perilaku (jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli, santun, ramah lingkungan, gotong royong, kerjasama, cinta damai, responsif dan proaktif) dan menunjukan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan bangsa dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia 3. Memahami dan menerapkan pengetahuan faktual, konseptual, prosedural dalam ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah 4. Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan KOMPETENSI DASAR 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya 1.2 Menyadari kebesaran Tuhan yang mengatur karakteristik fenomena gerak, fluida, kalor dan optik 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi melaksanakan percobaan dan melaporkan hasil percobaan 3.6 Menganalisis sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari hari 4.6 Mengolah dan menganalisis hasil percobaan tentang sifat elastisitas suatu bahan A. Pendahuluan Pada saat Anda mengendarai motor atau mobil, pernahkah Anda merasakan guncangan ketika motor atau mobil Anda melewati lubang atau jalan yang tidak rata? Setelah kendaraan melewati lubang atau jalan yang tidak rata, kendaraan akan berguncang atau berayun beberapa kali, kemudian kendaraan Anda akan kembali berjalan dengan mulus. Tahukah Anda, mengapa peristiwa tersebut terjadi? Pada setiap kendaraan, terdapat sebuah sistem pegas elastis yang berguna untuk memperkecil efek goncangan pada kendaraan, yaitu shockbreaker. Tahukah Anda bagaimana prinsip kerja shockbreaker tersebut? Dalam hal apa sajakah sifat elastis suatu benda diaplikasikan? halaman 1

6 Agar dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut, pada Bab ini akan dibahas materi tentang elastisitas benda B. Sifat Elastis Benda Padat 1. Sebuah pegas atau per jika ditarik akan bertambah panjang. Jika ditekan, pegas atau per tersebut akan menjadi lebih pendek. Jika pegas atau per tersebut kemudian dilepaskan, pegas atau per akan kembali ke bentuknya semula. Benda yang memiliki sifat seperti pegas atau per disebut benda elastis. Jika benda yang terbuat dari plastisin, lilin, atau tanah liat ditekan, setelah gaya tekan dihilangkan, benda-benda tersebut tidak akan kembali ke bentuk semula. Benda seperti ini disebut benda plastis. Ada dua pengertian dasar dalam mempelajari sifat elastis benda padat, yaitu tegangan (stress) dan regangan (strain). Pembahasan mengenai keduanya diuraikan pada bagian berikut. a. Tegangan / stres ( ) Tegangan merupakan perbandingan antara gaya terhadap luas penampang di mana gaya tersebut bekerja. Gambar di samping melukiskan sebuah bahan elastis berbentuk silinder dengan panjang mula-mula xo dan luas penampang A dalam keadaan tergantung. Kemudian pada ujung bebasnya ditarik dengan gaya F sehingga bertambah panjang Δx,diperoleh: dimana : = tegangan (N/m 2 ) F = gaya (N) A = luas penampang (m 2 ) Regangan / strain (e) Regangan ialah perubahan relatif ukuran atau bentuk benda yang mengalami tegangan. Gambar memperlihatkan sebuah batang yangmengalami regangan akibat gaya tarik F. Panjang batang mula-mula adalah x o. Setelah mendapat gaya tarik sebesar F, batang tersebut berubah panjangnya menjadi x. Dengan demikian, batang tersebut mendapatkan pertambahan panjang sebesar Δx, dengan Δx = x - x o. Oleh karena itu, regangan didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang benda dan panjang benda mula-mula. Secara matematis dirumuskan: Dimana : e = regangan (tanpa satuan) Δx = pertambahan panjang (m) x = panjang awal (m) halaman 2

7 tegangan b. Grafik hubungan tegangan terhadap regangan Grafik berikut menunjukkan hubungan antara tegangan dan regangan dari seutas baja. elastis plastis D B A C O regangan Keterangan grafik : Dari O ke B adalah daerah perubahan bentuk (deformasi) elastis, ini berarti jika tegangan dihilangkan maka baja akan kembali ke bentuk semula. Di daerah elastis ini berlaku hukum Hooke. Titik B adalah batas elastis, di atas titik ini (jika tegangan di perbesar) maka perubahan bentuk baja akan menjadi plastis Titik C adalah titik tekuk (yield point), di atas titik ini hanya diperlukan gaya yang kecil untuk menghasilkan perubahan panjang baja yang besar Titik D adalah titik patah, dimana jika diberi tegangan /gaya yang lebih besar maka baja akan patah/putus. c. Modulus elastisitas Tegangan yang diperlukan untuk menghasilkan suatu regangan tertentu bergantung pada sifat bahan dari benda yang mendapat tegangan tersebut. Menurut Hooke, perbandingan antara tegangan dan regangan suatu benda disebut modulus Young atau modulus elastisitas benda tersebut. Secara matematis, modulus elastisitas dirumuskan sebagai berikut : halaman 3

8 Tabel modulus elastisitas beberapa jenis material Contoh Soal : Seutas kawat mempunyai luas penampang 4 mm2. Kawat tersebut diregangkan oleh gaya sebesar 3,2 N sehingga bertambah panjang 0,03 cm. Jika diketahui panjang kawat mulamula 60 cm, maka hitunglah tegangan kawat, regangan kawat, dan modulus Young kawat tersebut! Diketahui : A = 4 mm 2 = m 2 F = 3,2 N Δx = 0,03 cm x = 60 cm = 0,6 m Ditanyakan: =...? e =...? E =...? Jawab: a. Tegangan ( ) b. Regangan (e) c. Modulus Elastisitas/Young halaman 4

9 C. Hukum Hooke Jika gaya yang bekerja pada sebuah pegas dihilangkan, pegas tersebut akan kembali ke keadaannya semula. Ilmuwan yang pertama-tama meneliti tentang ini adalah Robert Hooke. Melalui percobaannya, Hooke menyimpulkan bahwa sifat elastis pegas tersebut ada batasnya dan besar gaya pegas sebanding dengan pertambahan panjang pegas. Secara matematis, pernyataan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut. dengan k = tetapan pegas (N/m). hubungan antara tetapan pegas dan modulus Young/modulus elastisitas dapat dituliskan sebagai contoh soal : Sebuah bahan elastis dalam keadaan tergantung bebas. Pada saat ujung yang bebas digantungi dengan beban 50 gram, bahan elastis bertambah panjang 5 mm. Berapakah pertambahan panjang bahan elastis tersebut jika ujung yang bebas digantungi dengan beban 150 gram? Jawab D. Susunan Pegas Seri Paralel Pernahkah kalian melihat dalamnya tempat tidur atau springbed? Springbed ada yang tersusun dari pegaspegas yang disusun dengan posisi sama. Contoh lagi adalah suspensi sepeda motor, perhatikan gambar berikut. Bagaimana susunannya? Susunan tersebut dinamakan susunan paralel. Susunan pegas yang lain dinamakan seri. Cermati penjelasan berikut. halaman 5

10 Susunan seri Pada susunan pegas, baik susunan seri, paralel, atau kombinasi keduanya, besarnya konstanta pegas merupakan konstanta pegas pengganti. Misalnya, tiga pegas dengan konstanta gaya k 1, k 2, dan k 3 disusun seri seperti pada Gambar. Apabila pada ujung susunan pegas bekerja gaya F, maka masingmasing pegas mendapat gaya yang sama besar yaitu F. Berdasarkan Hukum Hooke, pertambahan panjang masing-masing pegas adalah: Pertambahan panjang total susunan pegas: Susunan paralel Perhatikan Gambar. Tiga buah pegas masing-masing dengan konstanta gaya k 1, k 2, dan k 3, disusun paralel dan pada ujung ketiga pegas bekerja gaya F. Selama gaya F bekerja, pertambahan panjang masing-masing pegas besarnya sama, yaitu: x 1 = x 2 = x 3 = x Karena: F = F 1 + F 2 + F 3 maka: k p x = k 1 x 1 + k 2 x 2 + k 3 x 3 k p x = k 1 x + k 2 x + k 3 x halaman 6

11 Sehingga: k p = k 1 + k 2 + k 3 Contoh Soal : Perhatikanlah gambar sistem pegas di berikut. Jika k 1 = k 2 = 600 N/m, k 3 = N/m, dan m = 3 kg,tentukanlah: a. tetapan sistem pegas, dan b. pertambahan panjang sistem pegas. Jawab a. k paralel = 600 N/m N/m = N/m k tot = 600 N/m b. m.g = k.δx (3 kg)(10 m/s 2 ) = (600 N/m) Δx Δx = 0,05 m = 5 cm halaman 7

12 E. Penerapan Sifat Elastis Bahan a. Alat Ukur Gaya Tarik Kereta Api Alat ini dilengkapi dengan sejumlah pegas yang disusun sejajar. Pegas pegas ini dihubungkan ke gerbong kereta api saat kereta akan bergerak. Hal ini di lakukan untuk diukur gaya tarik kereta api sesaat sebelum meninggalkan stasiun. b. Peredam Getaran atau Goncangan Pada Mobil Penyangga badan mobil selalu dilengkapi pegas yang kuat sehingga goncangan yang terjadi pada saat mobil melewati jalan yang tidak rata dapat diredam. Dengan demikian,keseimbangan mobil dapat dikendalikan. c. Peranan Sifat Elastis dalam Rancang Bangun Untuk menentukan jenis logam dan ukuran yang akan digunakan dalam membangun sebuah jembatan, pesawat, rumah, dan sebagainya maka modulus Young, tetapan pegas, dan sifat elastis, logam secara umum harus diperhitungkan. halaman 8

13 d. Pemanfaatan Sifat Elastis dalam Olahraga Di bidang olahraga, sifat elastis bahan diterapkan, antara lain, pada papan loncatan pada cabang olah raga loncat indah dan tali busur pada olahraga panahan. Karena adanya papan yang memberikan gaya Hooke ada atlit, maka atlit dapat meloncat lebih tinggi daripada tanpa papan. Sedangkan tali busur memberikan gaya pegas pada busur dan anak panah halaman 9

14 F. Lembar Kerja Siswa Percobaan Hukum Hooke Tujuan Menyelidiki hubungan antara gaya dengan pertambahan panjang pegas Alat dan Bahan 1. Satu pegas dengan jarum penunjuk di ujungnya 2. Lima beban masing-masing 50 gram 3. Statif 4. Penggantung beban 5. Penggaris atau skala pengukur Prosedur 1. Susunlah alat-alat percobaan seperti pada gambar. 2. Catatlah skala yang ditunjukkan oleh jarum penunjuksaat pegas digantung tanpa beban. Gantungkanlah beban 1 pada pegas, kemudian catat skala yang ditunjukkan oleh jarum penunjuk. 3. Ulangi langkah ke-3 dengan menambahkan beban 2,beban 3, beban 4, dan beban Tuliskanlah hasil pencatatan skala yang ditunjukkan oleh jarum penunjuk ke dalam tabel. 5. Kurangilah beban dari pegas satu per satu, kemudiantuliskan nilai skala yang ditunjukkan oleh jarum penunjuk ke dalam tabel. 6. Hitunglah skala penunjukan rata-rata untuk setiap berat beban dan pertambahan panjang pegas yang dihasilkannya. 7. Plot grafik pertambahan panjang pegas terhadap berat beban. 8. Diskusikan hasil percobaan Anda kemudian laporkan kepada guru Tabel Pengamatan Panjang pegas mula-mula :... Penambahan Skala (cm) Massa Beban Penambahan Pengurangan (gram) Beban Beban Pembacaan Skala rata-rata Pertambahan Panjang Pegas halaman 10

15 G. Uji Kompetensi Pilihan Ganda 1. Bahan di bawah ini yang tidak bersifat elastis adalah... a. karet b. pegas c. busa d. plastisin e. benang 2. Jika suatu bahan yang bersifat elastis ditarik dengan suatu gaya F yang nilainya semakin besar, maka grafik hubungan antara gaya F dan pertambahan panjangnya (ΔX) adalah... b. 0,2 cm c. 0,2 N d. 1,2 cm e. 2 cm 5. Kawat tembaga memiliki luas penampang 2 mm 2. Y = 12x dyne/cm 2. Kawat tersebut diregangkan olehgaya 16x 10 6 dyne. Jika panjang mula-mula 30 cm, maka pertambahan panjang kawat adalah... a. 2x10-4 cm b. 2x10-3 cm c. 2x10-2 cm d. 2x10-1 cm e. 2 cm 3. Perbandingan antara gaya yang bekerja pada bahan elastisitas dengan luas penampang bahan elastis disebut... a. stress b. strain c. modulus young d. konstanta e. batas elastis 4. Sebuah pegas dengan panjang mula-mula 10 cm kemudian diberi beban ternyata panjangnya menjadi 12 cm. Besarnya regangan pegas adalah... a. 0,2 6. Dua buah kawat x dan Y panjang masing-masing 2 m dan 1 m. Kedua kawat ditarik dengan gaya yang sama sehingga terjadi penambahan panjang masingmasing 1 mm dan 0,5 mm. Jika diameter kawat y sama dengan 2 kali diameter kawat x, maka perbandingan modulus Young kawat y terhadap kawat x adalah... a. 1:1 b. 1:2 c. 2:1 d. 1:4 e. 4:1 7. Dimensi dari modulus elastisitas adalah.... a. ML -2 T -2 b. MLT -2 c. ML -1 T -1 d. ML -1 T -2 e. ML -1 T 2 halaman 11

16 8. Modulus Young aluminium adalah 7x10 10 Pa. Gaya yang diperlukan untuk menarik seutas kawat aluminium dengan garis tengah 2 mm yang panjangnya 600 mm menjadi 800 mm adalah.... a N b N c N d N e N 9. Senar yang te rbuat dari plasti k memiliki panjang 50 cm dan luas penampang 5 mm 2. Saat ditarik gaya panjangnya menjadi 65 cm. Regangan yang dialami senar adalah... a. 0,2 b. 0,3 c. 0,5 d. 0,8 e. 1,2 10. Besarnya tegangan yang dilakukan pada sebuah batang adalah 2 x 10 6 N/m 2. Jika panjang batang adalah 4 meter dan modulus elastisitasnya 2,5 x 10 8 N/m 2, maka pertambahan panjang batang... a. 0,8 cm b. 1,6 cm c. 3,2 cm d. 5,0 cm e. 6,4 cm 11. Benda bermassa 2 kg digantungkan pada pegas sehingga pegas bertambah panjang 2 cm. Tetapanpegas tersebut... a. 100 N/m b. 200 N/m c N/m d N/m e N/m 12. Pegas yang panjang awalnya 30 cm akan menjadi 35 cm saat ditarik gaya 20 N. Berapakah konstanta pegasnya? a. 1 N/m b. 10 N/m c. 40 N/m d. 60 N/m e. 400 N/m 13. Udin yang bermassa 50 kg menggantung pada sebuah pegas yang memiliki konstanta pegas sebesar N/m. Pegas tersebut akan bertambah panjang sebesar. a. 2,0 cm b. 2,5 cm c. 4,0 cm d. 5,0 cm e. 6,5 cm 14. Sebuah benda yang massanya 5 kg, digantung pada ujung sebuah pegas, sehingga pegas bertambah panjang 10 cm. Dengan demikian tetapan pegas bernilai... a.. 50 N/m b. 20 N/m c. 2 N/m d. 200 N/m e. 500 N/m 15. Sebuah pegas yang digantungkan vertikal panjangnya 15 cm. Jika diregangkan dengan gayasebesar 0,5 N, panjang pegas menjadi 27 cm. Panjang pegas jika diregangkan dengan gaya sebesar 0,6 N adalah... a. 32,4 cm b. 31,5 cm c. 29,4 cm d. 29,0 cm e. 28,5 cm halaman 12

17 16. Sebuah pegas memiliki panjang mulamula 20 cm. Pada saat pegas ditarik dengan gaya 12,5 N, panjangnya menjadi 22 cm. Jika pegas ditarik gaya 37,5 N, maka panjang pegas akan menjadi. a.. 6 cm b. 26 cm c. 28 cm d. 42 cm e. 46 cm 17. Sebuah pegas akan bertambah panjang 5 cm jika diberikan gaya sebesar 10 N. Pertambahan panjang pegas jika gaya yang diberikan sebesar 16 N adalah.... a. 4 cm b. 6 cm c. 8 cm d. 10 cm e. 12 cm 18. Sebuah pegas digantung dengan beban 200 gram. Beban ditarik ke bawah sejauh 5 cm dengan gaya 5 N sehingga panjang pegas menjadi 21 cm. Jika percepatan gravitasi Bumi 10 m/s 2, panjang pegas mulamula sebelum diberi beban adalah... a. 12 cm b. 14 cm c. 16 cm d. 18 cm e. 20 cm 19. Sebuah pegas setelah digantungkan beban 100 gram bertambah panjang 2 cm jika pada pegas tersebut digantungkan beban 40 gram bertambah panjang... a. 0,8 cm b. 5 cm c. 2,5 cm d. 0,4 cm e. 0,2 cm 20. Sebuah senar elastis memiliki modulus Elasti sita s sebesar N/m 2. Jika panjang senar 50 cm dan luas penampangnya 10 mm 2 maka senar akan bersifat elastis dengan konstanta gaya elastis sebesar. a. 10 N/m b. 40 N/m c. 100 N/m d. 400 N/m e N/m 21. Dua pegas identik dirangkai paralel dengan konstanta gaya pegas 100 N/m. Jika pada ujung susunan pegas diberi beban 1 kg dan g = 10 m/s 2, maka pertambahan panjang pegas adalah... a. 1 m b. 2 m c. 3 m d. 4 m e. 5 m 22. Dua buah pegas mempunyai konstanta masing-masing 200 N/m dan 300 N/m. Pertambahan panjang pegas bila diberi beban 30 N dan pegas dirangkai secara paralel adalah... a. 6 cm b. 8 cm c. 2 cm d. 4 cm e. 5 cm 23. Dua pegas dengan konstanta 300 N/m dan 600 N/m disusun seri. Kemudian diberi gaya 90 N, maka halaman 13

18 penambahan panjang totalnya sebesar... a. 15 cm b. 30 cm c. 45 cm d. 50 cm e. 90 cm 24. Konstanta pegas pengganti pada rangkaian di bawah ini adalah. a. 100 N/m b. 250 N/m c. 400 N/m d. 600 N/m e N/m 25. Tiga buah pegas identik disusun seri, kemudian disusun paralel. Kedua susunan pegas itu digantungi beban yang berbeda. Agar pertambahan panjang sistem pegas paralel dan sistem pegas seri sama, perbandingan beban yang digantungkan pada sistem pegas paralel dan sistem pegas seri adalah. a. 1 : 3 b. 3 : 1 c. 1 : 9 d. 9 : 1 e. 1 : Tiga buah pegas A, B dan C yang identik dirangkai seperti pada gambar di samping! Jika ujung beban pegas C digantungkan beban 1,2 N maka sistem akan mengalami pertambahan panjang 0,6 cm, konstanta masing-masing pegas adalah... a. 200 N/m b. 240 N/m c. 300 N/m d. 360 N/m e. 400 N/m 27. Tiga pegas identik dengan konstanta pegas k, disusun seperti gambar. Ketika diberi beban 100 gr, sistem pegas bertambah panjang 0,75 cm. Jika g = 10 m/s 2, maka nilai k adalah... a. 150 N/m b. 200 N/m c. 225 N/m d. 275 N/m e. 300 N/m 28. Empat buah pegas identik masingmasing mempunyai konstanta elastisitas 1600 N/m, disusun seriparalel (lihat gambar). Beban W yang digantung menyebabkan sistem pegas mengalami pertambahan panjang secara keseluruhan sebesar 5 cm. Berat beban W adalah... halaman 14

19 c. 1 : 4 d. 2 : 1 e. 4 : 1 a. 60 N b. 120 N c. 300 N d. 450 N e. 600 N 30. Tiga buah pegas identik tersusun seperti gambar berikut! Masingmasing pegas dapat merenggang 2 cm jika diberi beban 600 gram, maka konstanta pegas gabungan pada sistem pegas adalah Beberapa buah pegas disusun seperti gambar berikut. Perbandingan konstanta pegas pengganti antara susunan pegas (a) dan (b) adalah... a. 45 N/m b. 200 N/m c. 225 N/m d. 450 N/m e. 900 N/m a. 1 : 1 b. 1 : 2 Uraian 1. Sebuah kawat besi dengan jari-jari 1,25 mm dan panjang 20 cm digantungi beban bermassa 200 kg. Jika modulus Young besi adalah 1, N/m 2, tentukanlah: a. tegangan (stress) b. pertambahan panjang kawat c. regangan (strain). 2. Sebuah batang besi jari-jari 9 mm dan panjangnya 80 cm. Batang ditarikoleh gaya sebesar 6x10 4 N. (Tegangan patah besi 4x10 8 N/m 2 ) a. Berapakah tegangan tarik pada batang? b. Berapakah perubahan panjang batang? Apakah besi patah? 3. Benda bermassa 4,5 kg digantungkan pada pegas sehingga pegas itu bertambah panjang sebesar 9 cm. Berapakah tetapan pegas tersebut? 4. Sebuah pegas yang digantungkan vertikal panjangnya 10 cm. Jika pegas diberibeban 1,2 kg, pegas akan bertambah panjang menjadi 19 cm. Berapakah panjang pegas tersebut jika diberi beban 1 kg? halaman 15

20 5. Dua buah pegas dengan panjang sama dan konstanta gaya masing-masing 300 N/m dan 600 N/m dirangkai. Pada ujung rangkaian digantungkan beban dengan massa 0,9 kg. Berapakah pertambahan panjang rangkaian pegas jika kedua pegas dirangkai secara: a.seri b. paralel? 6. Tiga buah pegas identik dengan konstanta gaya 300 N/m disusun seperti gambar. Jika pegas diberi beban bermassa 6 kg, hitunglah pertambahan panjang masing-masing pegas! (g = 10 m/s 2 ) halaman 16

21 halaman 17

22 BAB 2 FLUIDA STATIS KOMPETENSI INTI 1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya 2. Mengembangkan perilaku (jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli, santun, ramah lingkungan, gotong royong, kerjasama, cinta damai, responsif dan proaktif) dan menunjukan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan bangsa dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia 3. Memahami dan menerapkan pengetahuan faktual, konseptual, prosedural dalam ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah 4. Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan KOMPETENSI DASAR 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya 1.2 Menyadari kebesaran Tuhan yang mengatur karakteristik fenomena gerak, fluida, kalor dan optik 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi melaksanakan percobaan dan melaporkan hasil percobaan 3.7 Menerapkan hukum-hukum pada fluida statik dalam kehidupan sehari-hari 4.7 Merencanakan dan melaksanakan percobaan yang memanfaatkan sifat-sifat fluida untuk mempermudah suatu pekerjaan A. Pengertian Fluida Materi dibedakan menjadi tiga wujud yaitu padat, cair dan gas. Benda padat mempunyai sifat tidak dapat berubah bentuk dan ukurannya juga tetap meskipun terdapat gaya yang bekerja pada benda itu. Keadaan yang berbeda terjadi pada zat cair dan gas. Zat cair mempunyai bentuk yang berbeda dan volume tetap, sedangkan gas bentuk dan volumenya tidak tetap. Oleh karena itu zat cair dan gas memiliki kemampuan mengalir. Zat yang memiliki kemampuan mengalir digolongkan kedalam fluida. Fluida merupakan istilah untuk zat alir. Zat alir dibatasi pada zat mengalirkan seluruh bagian-bagiannya ke tempat lain dalam waktu bersamaan. Sifat kemudahan mengalir dan kemampuan untuk menyesuaikan dengan tempatnya berada merupakan halaman 18

23 aspek yang membedakan fluida dengan benda tegar. Meskipun demikian hukum-hukum yang berlaku pada dua sistem ini tidak berbeda. Pada bagian ini kita akan meninjau fluida dalam keadaan tidak mengalir (fluida statis), misalnya air di dalam gelas, air dalam kolam renang,air di danau/waduk. Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis yang akan dibahas diantaranya tekanan hidrostatis, tekanan total, hokum Pascal, Hukum Archimedes, tegangan permukaan, gejala kapilaritas, gejala meniscus dan viskositas serta gaya stokes. B. Massa Jenis Pernahkan anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah pernyataan bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya kurang tepat, karena segelondong kayu yang besar jauh lebih berat dari pada sepotong besi. Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antara kayu dan besi tersebut adalah besi lebih padat daripada kayu. Setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbeda-beda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. Dalam fisika ukuran kerapatan benda homogeny diesbut massa jenis, yaitu massa persatuan volume. Secara matematis, massa jenis dituliskan sebagai berikut: m V ρ = massa jenis ( kg/m 3 ) m = massa benda ( kg ) V = volume benda ( m 3 ) Fluida memiliki beragam massa jenis tergantung pada jenis masing-masing fluida, seperti yang tertera pada table berikut. Tabel 1. Bahan Zat dan Massa Jenisnya Nama Zat Massa jenis kg/m 3 g/cm 3 Udara ( 27 0 C ) 1,2 0,0012 Alcohol 800 0,80 Kayu ,3 0,9 Es 920 0,92 Air ( 4 0 C ) ,00 Aluminium ,70 Seng ,14 Besi ,90 Kuningan ,40 Perak ,50 Raksa ,60 Emas ,30 Platina ,45 Sumber: Physics for You halaman 19

24 C. Tekanan a. Tekanan Zat Padat Pengertian tekanan akan mudah kita pahami setelah kita menjawab pertanyaanpertanyaan di bawah ini. Mengapa pisau yang tajam lebih mudah memotong dari pada pisau yang tumpul? Mengapa paku yang runcing lebih mudah menancap kedalam benda dibandingkan paku yang kurang runcing? Pertanyaan diatas sangat berhubungan dengan konsep tekanan. Konsep tekanan identik dengan gaya, gaya selalu menyertai pengertian tekanan. Tekanan yang besar dihasilkan dari gaya yang besar pula, sebaliknya tekanan yang kecil dihasilkan dari gaya yang kecil. Dari pernyataan di atas dapat dikatakan bahwa tekanan sebanding dengan gaya. Mari kita lihat orang memukul paku sebagai contoh. Orang menancapkan paku dengan gaya yang besar menghasilkan paku yang menancap lebih dalam dibandingkan dengan gaya yang kecil. Gambar 1.Paku dipukul dengan palu Pengertian tekanan tidak cukup sampai disini. Terdapat perbedaan hasil tancapan paku bila paku runcing dan paku tumpul. Paku runcing menancap lebih dalam dari pada paku yang tumpul walaupun dipukul dengan gaya yang sama besar. Dari sini terlihat bahwa luas permukaan yang terkena gaya berpengaruh terhadap tekanan. Luas permukaan yang sempit/kecil menghasilkan tekanan yang lebih besar daripada luas permukaan yang lebar. Artinya tekanan berbanding terbalik dengan luas permukaan. Jadi, tekanan dinyatakan sebagai gaya per satuan luas. Secara matematis persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut: F P A P = tekanan ( N/m 2 ) F = gaya ( N ) A = luas permukaan ( m 2 ) Untuk menghormati Blaise Pascal, ilmuwan berkebangsaan Perancis yang menemukan Prinsip Pascal, maka satuan tekanan dalam SI dinyatakan dalam Pascal ( Pa ). Untuk keperluan lain dalam pengukuran, besaran tekanan dapat juga dinyatakan dengan : atmosfir ( atm ), cm-raksa ( cmhg ) dan milibar ( mb ). halaman 20

25 Contoh Soal. Sebuah kursi dengan massa 6 kg memiliki empat kaki masing-masing kaki dengan luas penampang 1 x 10 3 m 2. Tentukan tekanan kursi terhadap lantai jika percepatan gravitasi g = 10 m/s 2. Penyelesaian: Lantai mengalami tekanan akibat berat kursi yang tertumpu pada keempat kakinya. Berat kursi: w = m. g = (6 kg)(10 m/s 2 ) = 60 kg.m/s 2 = 60 N Luas alas keempat kaki kursi: A = 4 (1 x 10 3 m 2 ) = 4 x 10 3 m 2 Tekanan kursi terhadap lantai: F P A w P A 60N P 3 2 4x10 m 3 N P 15x10 2 m 3 P 15x10 Pa Latihan Sebuah balok memiliki dengan ukuran 20 cm x 50 cm x 80 cm terletak pada permukaan lantai. Massa jenis balok 5 g/cm 3 dan percepatan gravitasi g = 10 m/s 2. Hitunglah tekanan maksimum dan minimum pada permukaan lantai! 2. Bola berdiameter 28 cm memberikan tekanan sebesar 3 x 10 5 Pa terhadap permukaan tanah, berapakah gaya yang dimiliki bola tersebut? b. Tekanan Hidrostatis Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini? Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Tekanan di dalam fluida disebut tekanan hidrostatis (P h ). Tekanan hidrostatis disebabkan oleh Gambar 2. Anak menyelam dalam air halaman 21

26 fluida tidak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut.untuk menentukan besar tekanan hidrostatis, tinjaulah bejana berbentuk tabung dengan luas penampang A. Bejana diisi zat cair bermassa jenis ρ setinggi h. Volume zat cair: V = A x h sehingga massa zat cair adalah: m = ρ x V = ρ x A x h Gaya yang bekerja pada dasar bejana sama dengan berat cairan yaitu: F = m x g = ρ x A x h x g sehingga tekanan hidrostatis pada dasar bejana adalah: F. A. h. g P h A A P h. h. g P h = tekanan hidrostatis ( N/m 2 ) ρ = massa jenis ( kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi ( m/s 2 ) h = kedalaman titik dari permukaan ( m ) A Gambar 3. Bejana dengan luas penampang A diisi zat cair setinggi h h Tekanan hidrostatis pada kedalaman 5 m lebih kecil dibandingkan dengan kedalaman 10 m, mengapa demikian? Besarnya tekanan hidrostatis pada gambar 4 adalah sama. Hal ini karena besarnya tekanan hidrostatis hanya bergantung pada kedalaman suatu permukaan bukan pada bentuk permukaan. Gambar 4. Tekanan hidrostatis pada dasar bejana besarnya sama halaman 22

27 Contoh soal. Bejana kaca diisi zat cair setinggi 30 cm. Tentukan tekanan hidrostatis pada dasar bejana (g = 10 m/s 2 ), jika jenis zat cair adalah: a. Air ( massa jenis air = kg/m 3 ) b. Raksa ( massa jenis raksa = kg/m 3 ) Penyelesaian: Diketahui: h = 30 cm = 0,3 m dan g = 10 m/s 2 a. Tekanan hidrostatis pada dasar bejana berisi air: P h = ρ x h x g = (1.000 kg/m 3 )(0,3 m)(10 m/s 2 ) = N/m 2 b. Tekanan hidrostatis pada dasar bejana berisi raksa: P h = ρ x h x g = ( kg/m 3 )(0,3 m)(10 m/s 2 ) = N/m 2 Latihan Seorang penyelam berada pada kedalaman 4 m dari permukaan air sebuah danau. Apabila massa jenis air danau kg/m 3, tentukan tekanan hidrostatis yang dialami penyelam tersebut? 2. Bejana kaca diisi raksa dan air setinggi 100 cm (ρ air = kg/m 3 ; ρ raksa = kg/m 3 ). Tentukan perbandingan tinggi raksa dan tinggi air agar tekanan hidrostatis pada dasar bejana sebesar 44,8 x 10 3 N/m 2! c. Tekanan Mutlak Apa pengaruh udara pada permukaan fluida terhadap tekanan hidrostatis? (Perhatikan gambar berikut). Pada permukaan fluida yang terkena udara luar, bekerja tekanan udara luar P 0. Apabila tekanan udara ini diperhitungkan, maka tekanan mutlak pada dasar bejana dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: P h P0. h. g P 0 = tekanan udara luar ( 1,013 x 10 5 N/m 2 ) halaman 23

28 D. Hukum Pokok Hidrostatis Tekanan hidrostatis bergantung pada letak titik dibawah permukaan fluida dan massa jenis fluida. Semua titik yang terletak pada bidang datar ( kedalaman yang sama ) di dalam satu jenis fluida memiliki tekanan yang sama. Pernyataan ini disebut dengan hukum pokok hidrostatis Hukum pokok hidrostatis dirumuskan sebagai ikut: P P h g h g 2 2 1h h 1 2 h h 2 2 Gambar 6. Bejana U diisi dua fluida yang berbeda ρ 1 = massa jenis fluida 1 ρ 2 = massa jenis fluida 2 h 1 = tinggi permukaan fluida 1 h 2 = tinggi permukaan fluida 2 Contoh soal: Pipa U diisi air dan minyak seperti ditunjukkan pada gambar. Tinggi kolom minyak 15 cm dan selisih tinggi kolom minyak dan air adalah 3 cm. Apabila massa jenis air kg/m 3, tentukan massa jenis minyak Penyelesaian: P A P. h m m m B. g. h. g ha m a h m a 12cm 3 m x1.000 kg / m 15cm 3 800kg / m a A B Latihan 3. Bejana pipa U semula diisi air dengan massa jenis 1 g/cm 3. Pada kaki kanan bejana kemudian dituangkan minyak dengan massa jenis 0,8 g/cm 3 setinggi 10 cm. Tentukan perbedaan ketinggian permukaan air dan minyak pada kedua kaki! halaman 24

29 E. Hukum Pascal Blaise Pascal ( ) merupakan tokoh yang menyimpulkan hasil penelitian bahwa tekanan yang diberikan kepada fluida pada ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah sama besar tanpa mengalami pengurangan. Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum Pascal Suatu alat F 2 berupa dua tabung yang berhubungan diisi zat cair. Masingmasing tabung berbeda diameternya ditutup dengan sebuah penghisap F 1 A 1 Gambar 7. Prinsip hukum Pascal A 2 (piston). Penampang piston kecil A 1 dan penampang piston besar A 2. Ketika piston kecil ditekan dengan gaya F 1, tekanan akan disebarkan ke semua arah sama besar, termasuk kea rah piston besar sehingga terangkat ke atas. Persamaan hukum Pascal dirumuskan sebagai berikut: P P 1 F A F atau F 2 2 F2 A 2 2 A1 A A2 A 1 F 2 F 1 F 1 = gaya pada piston 1 F 2 = gaya pada piston 2 A 1 = luas penampang piston 1 A 2 = luas penampang piston 2 Penerapan Hukum Pascal Peralatan yang menerapkan prinsip hukum Pascal antara lain dongkrak hidrolik, mesin pengangkat mobil dan rem hidrolik. a. Dongkrak Hidrolik Gambar 8. Dongkrak hidrolik Dongkrak hidrolik terdiri dari dua tabung yang berhubungan dengan ukuran diameter berbeda. Masing-masing ditutup dan diisi zat cair misalnya minyak pelumas. Jika tabung kecil ditekan kebawah dengan gaya F 1 maka setiap bagian zat cair ikut tertekan, akibatnya zat cair menekan tabung yang luas permukaannya lebih besar sehingga pengisap terdorong ke atas. halaman 25

30 b. Mesin Hidrolik Pengangkat Mobil. Mesin hidrolik pengangkat mobil memiliki prinsip kerja yang sama dengan dongkrak hidrolik. Pada alat ini perbandingan luas penampang kedua pengisap sangat besar sehingga gaya angkat yang dihasilkan dapat dipergunakan untuk mengangkat mobil. Gambar 9. Mesin hidrolik pengangkat mobil c. Rem Hidrolik Tekanan yang didapat dari pedal rem akan diteruskan ke segala arah di permukaan pipa termasuk ujung-ujung pipa yang terhubung dengan piston cakram. Saat pedal rem diinjak pedal yang terhubung dengan booster rem akan mendorong piston pedal dalam sehingga minyak rem yang berada pada pipa akan mendapatkan tekanan. Karena luas permukaan piston cakram lebih besar daripada piston pedal maka gaya yang tadinya digunakan untuk Gambar 10. Rem hidrolik menginjak pedal rem akan diteruskan ke piston cakram yang terhubung dengan kanvas rem dengan jauh lebih besar sehingga gaya untuk mencengkram cakram akan lebih besar pula. Cakram yang besinggungan dengan kanvas rem akan menghasilkan gaya gesek, dan gaya gesek adalah gaya yang bernilai negative maka dari itu cakram yang ikut berputar bersama roda semakin lama perputarannya akan semakin pelan, dan inilah yang disebut dengan proses pengereman. Selain itu karena diameter dari cakram yang lebih lebar juga ikut membantu proses pengereman. Hal itulah yang menyebabkan system kerja rem cakram hidrolik lebih efektif daripada rem konvensional (rem tromol) halaman 26

31 Contoh soal. Dongkrak hidrolik dengan luas penampang pengisap kecil 6 cm 2 dan luas penampang pengisap besar 30 cm 2. Jika gaya sebesar 400 N diberikan pad apengisap kecil, berapa gaya yang dihasilkan pada pengisap besar? Penyelesaian: A 1 = 6 cm 2, A 2 = 30 cm 2 F 1 = 400 N F F F A2 A 1 F cm 400 N 2 6cm N Latihan Sebuah dongkrak hidrolik dengan penampang masing-masing berdiameter 2 cm dan 5 cm. Agar dongkrak dapat mengangkat beban N, berapa gaya minimum yang harus dikerjakan pada penampang kecil? 2. Sebuah mobil dengan berat 3 ton diangkat dengan mesin pengangkat mobil. Diameter pengisap besar 30 cm dan diameter pengisap kecil 5 cm. Tentukan gaya minimum yang harus diberikan agar mobil terangkat! F. Hukum Archimedes 1. Gaya Apung Ketika kita mengangkat benda di dalam air terasa lebih ringan dibandingkan ketika kita mengangkat benda di udara. Hal ini disebabkan karena air memberikan gaya ke atas pada benda yang tercelup dalam air. Gaya tersebut dinamakam gaya apung (F A ). Bagaimana cara mengukur besar gaya apung ini? Masalah inilah yang diselidiki oleh Archimedes, ahli matematika Yunani. Hasil penyelidikan yang dilakukan oleh Archimedes sebagai berikut: Pertama: Benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya di dalam zat cair mengalami gaya apung yang besarnya sebanding dengan volume zat cair yang dipindahkan oleh benda itu. Kedua: Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya di dalam zat cair akan mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan ( didesak ) oleh benda tersebut. Gaya apung sering diesbut sebagai gaya Archimedes dan pernyataan di atas dikenal dengan hukum Archimedes. Besarnya gaya apung/gaya Archimedes dapat dirumuskan sebagai berikut: halaman 27

32 FA f. V f. g F A = gaya apung (N) ρ f = massa jenis fluida (kg/m 3 ) V f = volume fluida yang dipindahkan (m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Contoh soal. Sebuah balok berukuran 10 cm x 20 cm x 30 cm digantung vertical pada seutas tali. Tentukan gaya apung pad balok ketika balok itu: a. Dicelupkan seluruhnya dalam minyak ( ρ = 800 kg/m 3 ) b. Dicelupkan ¾ bagian dalam air ( ρ = kg/m 3 ) Penyelesaian: Volume balok = 0,1 m x 0,2 m x 0,3 m = 0,006 m 3 a. Balok tercelup seluruhnya dalam minyak, sehingga V tercelup = 0,006 m 3 F A = ρ f x V f x g F A = (800 kg/m 3 )(0,006 m 3 )(10 m/s 2 ) F A = 48 N b. Balok tercelup ¾ bagian dalam air, sehingga V tercelup = ¾ x 0,006 m 3 = 0,0045 m 3 F A = ρ f x V f x g F A = (1.000 kg/m 3 )(0,0045 m 3 )(10 m/s 2 ) F A = 45 N Latihan 5. Sebuah kubus dengan panjang rusuk 0,2 m digantung vertical dengan tali. Tentukan gaya apung pada kubus ketika: a. Dicelupkan seluruhnya dalam air ( ρ = kg/m 3 ) b. Dicelupkan setenga bagian dalam minyak ( ρ = 800 kg/m 3 ) halaman 28

33 2. Mengapung, Melayang dan Tenggelam Kayu pejal mengapung dalam air, besi pejal tenggelam dalam air. Apakah yang menyebabkan terjadinya peristiwa tersebut? Benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam zat cair bekerja dua gaya, yaitu gaya berat (w) dan gaya apung (F A ). Kedua gaya itulah yang berperan dalam peristiwa mengapung, melayang dan tenggelam. Mengapung Jika balok kayu dicelupkan seluruhnya ke dalam air, gaya apung lebih besar dari berat balok kayu tersebut (F A > w) sehingga balok kayu bergerak ke atas sampai gaya apung sama dengan berat balok kayu. Pada saat itu sebagian balok kayu muncul ke permukaan air. Peristiwa ini disebut Gambar 11. Benda mengapung Melayang mengapung. Apabila balok kayu dicelupkan ke dalam zat cair dan balok kayu berada diantara permukaan dan dasar bejana, maka hal ini terjadi karena gaya apung sama dengan berat balok kayu (F A = w). Peristiwa ini disebut melayang. Gambar 12. Benda melayang Tenggelam Jika logam dimasukkan ke dalam zat cair, maka gaya apung akan lebih kecil dari beratnya (F A < w) akibatnya logam akan berada di dasar bejana. Peristiwa ini disebut tenggelam. Gambar 13. Benda tenggelam halaman 29

34 Adapun syarat benda dapat mengapung, melayang dan tenggelam terlihat pada table berikut. No. Kondisi Benda Syarat Mengapung Melayang Tenggelam F A w b V V b f f F A w b V V b f f F A w b V V b f f Contoh soal. Sebuah benda diukur beratnta dengan neraca pegas. Ketika benda di udara terukur beratnya 20 N, tetapi ketika benda dicelupkan seluruhnya ke dalam minyak (ρ = 800 kg/m 3 ) ternyata beratnnya menjadi 18 N. Tentukan massa jenis benda tersebut! Penyelesaian: F A f. V. g F f w F A f b A w F. V. g V A f f b b FA. g FA w m. g w ( b. Vb ). g w b.( ). g. g b. Berat benda di udara w U = 20 N Berat benda di dalam minyak w f = 18 N, maka F A = w U w f F A = = 2 N f f b w F A 20. f b.800kg / m 2 ρ b = kg/m 3 3 halaman 30

35 Latihan 6. Berat benda ketika ditimbang di udara 0,6 N, ketika dicelupkan seluruhnya dalam fluida beratnya menjadi 0,42 N. Apabila massa jenis benda 3 g/cm 3, tentukan massa jenis fluida! 3. Penerapan Hukum Archimedes Akan kita bahas penerapan hukum Archimedes dalam teknologi, antara lain: kapal laut, kapal selam, galangan kapal dan jembatan ponton. a. Kapal laut Massa jenis besi lebih besar dari pada air, akan tetapi mengapa kapal laut yang terbuat dari besi dapat mengapung di atas permukaan air? Badan kapal dari besi dibuat berongga, ini menyebabkan volume air laut yang dipindahkan oleh badan kapal menjadi sangat besar. Gaya apung sebanding dengan volume air Gambar 14. Kapal laut, aplikasi hokum Archimedes apung menjadi sangat besar. Gaya apung ini sehingga kapal dapat mengapung dipermukaan air laut. yang dipindahkan, sehingga gaya mampu mengatasi berat total kapal, b. Kapal selam Gambar 15. Kapal selam air ke dalam tangki pemberat. Kapal selam dilengkapi dengan tangki pemberat yang dapat diisi dengan udara atau air. Pada gambar 15 menunjukkan gaya-gaya yang bekerja pada sebuah kapal selam. Jika gaya apung F A lebih besar dari berat total kapal selam, maka kapal selam akan mengapung. Agar kapal selam terbenam ke dalam air, maka berat totalnya harus ditambah dengan cara memasukkan Pada gambar 16 menunjukkan prinsip mengapung, melayang dan tenggelamnya kapal selam. Gambar 16. Prinsip kerja kapal selam halaman 31

36 c. Galangan kapal Untuk memperbaiki bagian bawah kapal maka kapal perlu diangkat dari permukaan laut. Alat yang dapat mengangkat kapal dari permukaan laut disebut galangan kapal. Gambar 17. Sebuah galangan kapal d. Jembatan ponton Jembatan ponton adalah kumpulan drum-drum kosong yang berjajar sehingga menyerupai jembatan. Jembatan ponton merupakan jembatan yang dibuat berdasarkan prinsip benda terapung. Drum-drum tersebut harus tertutup rapat sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya. Jembatan ponton digunakan untuk keperluan darurat. Apabila air pasang, jembatan naik. Jika air Gambar 18. Jembatan ponton surut, maka jembatan turun. Jadi, tinggi rendahnya jembatan ponton mengikuti pasang surutnya air G. Tegangan Permukaan Pernahkah kamu melihat nyamuk atau serangga dapat berdiri di atas air? Sebuah silet terapung diatas air? Atau butiran-butiran air hujan pada permukaan daun?. Fenomena ini erat kaitannya dengan penjelasan tentang tegangan permukaan yang akan dibahas. Gambar 19. Nyamuk berdiri di permukaan air Gambar 20. Silet mengapung di permukaan air Gambar 21. Butiran-butiran air pada daun halaman 32

37 Gaya tarik-menarik antar partikel yan sejenis disebut gaya kohesi. Di bawah permukaan zat cair, setiap partikel zat cair ditarik oleh gaya yang sama pada segala arah oleh partikel-partikel di dekatnya, sehingga resultan gayanya sama dengan nol. Pada permukaan zat cair, setiap partikel ditarik oleh partikel-partikel terdekat yang berada di samping dan di bawah, akibatnya resultan gaya ke bawah. Resultan gaya ini menyebabkan lapisan atas seakan-akan tertutup oleh hamparan selaput elastik yang ketat. Inilah yang disebut tegangan permukaan. Gaya tegangan permukaan zat cair dapat ditentukan seperti pada gambar 23. Ketika alat ini dicelupkan dalam larutan sabun kemudian dikeluarkan, kawat kedua akan tertarik ke atas, maka ditahan dengan gaya T ke bawah. Besar tegangan permukaan dapat dinyatakan dengan persamaan: B A Gambar 22. Partikel A ditarik oleh gaya ke bawah. Partikel B ditarik oleh gaya kesegala arah. F d F 2. l Gambar 23. Gaya tarikan T mengimbangi tegangan permukaan H. Kapilaritas Gambar 24. Peristiwa kapilaritas pada pipa kapiler dalam pipa kapiler dengan jari-jari r. Kapilaritas disebabkan oleh interaksi molekulmolekul di dalam zat cair. Di dalam zat cair molekulmolekul dapat mengalami gaya adhesi dan gaya kohesi. Apabila gaya adhesi lebih besar dari gaya kohesi maka permukaan zat cair akan cekung. Keadaan ini dapat menyebabkan zat cair naik keatas. Jadi air dapat naik ke atas dalam suatu pipa kecil yang biasa disebut pipa kapiler. Salah satu contoh kapilaritas adalah air dapat merembes ke atas melalui retakan tembok sehingga membasahi tembok. Gejala alam kapilaritas ini memungkinkan kita mengitung tinggi kenaikan air Kapilaritas dipengaruhi oleh gaya adhesi dan gaya kohesi. Untuk zat cair yang membasahi dinding pipa (θ < 90 0 ), permukaan zat cair dalam pipa akan naik lebih tinggi dibanding permukaan di luar pipa. Sebaliknya untuk zat cair yang tidak membasahi pipa (θ > 90 0 ), permukaan zat cair di dalam pipa lebih rendah dari permukaan di luar pipa. halaman 33

38 Sesuai dengan hukum Newton III, dinding akan memberi reaksi dengan menarik zat cair kea rah yang berlawanan. Kita dapat menguraikan gaya per satuan panjang atas komponen x dan komponen y. Resultan gaya tarik pad azat cair sepanjang kelilingnya (2πr) adalah: Dalam hal ini ΣF X = 0, sehingga gaya yang menarik ke atas hanyalah komponen pada sumbu Y. Gambar 25. Diagram gaya pada kapilaritas F Y F F X Y sin (2. r) cos (2. r) cos (2. r) Ada dua gaya yang bekerja pada zat cair, yaitu berat zat cair ( w ) dan gaya tarik pipa ( F Y ). Karena zat cair dalam keadaan seimbang, maka: w F Y cos (2. r) Vg 2 cos (2. r) (. r Y) g Y = naik/turunnya zat cair dalam pipa (m) 2 cos Y γ = tegangan permukaanzat cair (N/m). g. r θ = sudut kontak ρ = massa jenis zat cair (kg/m 3 ) r = jari-jari pipa (m) Gejala kapilaritas dapat bermanfaat, misalnya: berperan dalam naiknya minyak melalui sumbu kompor, pengisapan air pada tumbuh-tumbuhan. Selain bermanfaat, gejala kapilaritas juga menimbulkan masalah, misalnya: basahnya dinding rumah saat hujan sehingga dinding menjadi lembab. I. Viskositas dan Hukum Stokes Viskositas merupakan ukuran kekentalan suatu fluida, makin besar viskositas fluida akan semakin sulit fluida mengalir. Viskositas disebabkan oleh gaya kohesi antara molekul fluida tersebut. Viskositas fluida (zat cair) ditentukan secara kuantitatif dengan besaran yang disebut koefisien viskositas (η). Besar gaya (F) yang diperlukan untuk menggerakan fluida dengan kelajuan (v) tetap untuk luas lapisan (A) dan terletak pada jarak (y) dari permukaan yang tidak bergerak adalah:. Av. F f y Viskositas dalam aliran fluida kental sama dengan gesekan pada gerak benda padat. Jika benda bergeak dengan kaljuan tertentu dalam fluida kental, maka benda halaman 34

39 tersebut akan dihambat geraknya oleh gaya gesekan fluida. Besar gaya gesekan fluida telah dirumuskan sebagai: F F f f. Av. y A. v y F f k.. v Tetapan k ditentukan oleh bentuk geometri benda, misalnya bentuk geometri berupa bola dengan jari-jari r, maka k = 6.π.r sehingga diperoleh: F f 6... v. r Persamaan tersebut pertama kali dinyatakan oleh Sis George Stokes pada tahun 1845, sehingga dikenal dengan hukum Stokes Sebuah kelereng jatuh bebas dalam fluida kental, maka selama geraknya bekerja tiga gaya, yaitu gaya berat (w = m.g) gaya ke atas yang dikerjakan fluida (F a ) dan gaya gesekan yang deikerjakan fluida (F f ) F 0 F f m. g F 6... r. v 6... r. v T T a. V. g. V. g b V. g( ) b b b f f b Gambar 26. Diagram gaya-gaya pada benda v T Vb. g( b f ) 6... r sehingga Apabila benda berbentuk bola dengan jari-jari r, maka volume v v T T ( r 3 ). g( ) b 6... r 2 r g ( b f ) f Keterangan: η = koefisien viskositas (Nsm) r = jari-jari bola (m) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) V b. r, v T = kecepatan maksimum benda (m/s) ρ b = massa jenis benda (kg/m 3 ) ρ f = massa jenis fluida (kg/m 3 ) halaman 35

40 Contoh soal. Benda berbentuk bola dengan diameter 3 cm memiliki massa jenis 900 kg/m 3 dijatuhkan dalam minyak yang mempunyai massa jenis 800 kg/m 3. Jika koefisien viskositas 3 x 10 2 Pa.s, berapakah kecepatan maksimum (terminal) benda tersbut? Penyelesaian: Jari-jari bola r = 1,5 cm = 1,5 x 10 2 m v v v T T T r g ( b f ) 2 (1,5.10 ) (3.10 1,67m / s 2 2 (10) ( ) ) Latihan 7. Kelereng (ρ = kg/m 3 ) berjari-jari 0,5 cm jatuh bebas dalam minyak (ρ = 800 kg/m 3 ). Koefisien viskositas minyak 0,03 Pa.s. Tentukan kecepatan terminal kelereng dalam minyak tersebut! J. RANGKUMAN 1. Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir misalnya zat cair dan gas. 2. Tekanan adalah gaya yang bekerja setiap satuan luas. F p A Satuan untuk tekanan pascal (Pa) dimana 1 Pa = 1 N/m 2 3. Tekanan Hidrostatis adalah tekanan zat cair yang disebabkan oleh berat zat cair itu sendiri. Tekanan hidrostatis sebanding dengan massa jenis dan kedalaman zat cair. P h. g. h Apabila permukaan zat cair bekerja tekanan udara (atmosfir) P 0 maka tekanan mutlak di bawah permukaan zat cair adalah Ph PO. g. h 4. Hukum pokok hidrostatis menyatakan bahwa semua tempat yang berada dalam satu bidang datar dalam zat cair memiliki tekanan yang sama. 5. Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair di dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. F A 2 1 F2 A2 d2 F2 F1 F2 F1 1 A2 A 1 d 1 6. Gaya apung adalah gaya ke atas yang dikerjakan fluida pada benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida. Gaya apung (F A ) adalah selisih antara berat benda di udara (w U ) dengan berat benda dalam fluida (w bf ) halaman 36

41 F A = w U - w bf 7. Hukum Archimedes: jika benda tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. FA f. Vbf. g 8. Konsep mengapung dan melayang adalah sama, berat benda sama dengan gaya ke atas ( w = F A ) Syarat benda: Mengapung jika : b f Melayang jika : b f Tenggelam jika : b f 9. Tegangan permukaan: kecenderungan permukaan zat cair seolah-olah terdapat selaput elastik sehingga dapat menahan benda. Tegangan permukaan: dengan satuan N/m. F d 10. Kapilaritas adalah peristiwa naik-turunnya zat cair di dalam pipa kapiler. Kenaikan atau penurunan cairan dalam pipa kapiler adalah: 2..cos y. g. r 11. Hukum Stokes menyatakan bahwa gaya gesekan fluida ( F f ) untuk benda berbentuk bola: F f 6... r. v Benda yang bergerak dalam cairan kental, suatu saat akan mencapai kecepatan terbesar yang konstan ( v T ) dinyatakan dengan persamaan: v T 2 r 2 g ( b ) 9 f K. Uji Kompetensi Pilihan Ganda 1. Sebuah balok kayu berukuran 1 m x 2 m x 5 m ditempatkan pada permukaan tanah dan memberikan tekanan pada tanah sebesar Pa, maka massa balok kayu adalah. a kg b kg c kg d kg e kg 2. Akuarium berisi air setinggi 60 cm. Titik A berada 50 cm dari dasar dan titik B berada 20 cm dari dasar. Perbandingan tekanan hidrostatis antara A dan B adalah. a. 5 : 2 b. 2 : 5 c. 4 : 1 halaman 37

42 d. 1 : 4 e. 1 : 1 permukaan zat cair adalah. 3. Pipa U semula berisi raksa (ρ = 13,6 g/cm 3 ). Pada salah satu kakinya dituangkan minyak (ρ = 0,8 g/cm 3 ) setinggi 27,2 cm. Perbedaan ketinggian permukaan raksa pada kedua kakinya adalah. minyak a. 5 cm b. 10 cm c. 12 cm d. 15 cm e. 18 cm raksa a. 0,4 cm b. 0,8 cm c. 1,6 cm d. 13,6 cm e. 16,0 cm 4. Alat pengangkat mobil memiliki luas pengisap kecil 6 cm 2 dan luas pengisap besar 100 cm 2. Apabila alat tersebut mampu mengangkat beban 600 kg, maka gaya tekan pada pengisap kecil sebesar. a. 60 N b. 160 N c. 360 N d. 460 N e. 600 N 5. Sebuah kubus kayu dengan sisi 20 cm dan massa jenisnya 0,9 g/cm 3 terapung pada permukaan zat cair dengan massa jenis 1,2 g/cm 3. Tinggi kubus yang muncul di 6. Sebongkah Es mengapung dipermukaan air laut. Volume seluruh bongkahan Es adalah dm 3. Massa jenis Es = 0,9 kg/dm 3 dan massa jenis air laut = 1,03 kg/dm 3, maka volume Es yang muncul dipermukaan air laut adalah. a. 750 dm 3 b. 700 dm 3 c. 650 dm 3 d. 600 dm 3 e. 550 dm 3 7. Bangkai kapal berbobot 96,5 ton dengan massa jenis 19,3 x 10 2 kg/m 3 akan diangkat dari dasar laut dengan menggunakan tali baja. Massa jenis air laut 1,03 x 10 3 kg/m 3. Besar gaya tegangan tali ketika beban masih di dalam air adalah. a. 91,35 x 10 4 N b. 45,00 x 10 4 N c. 9,135 x 10 4 N d. 4,500 x 10 4 N e. 4,135 x 10 4 N halaman 38

43 8. Benda terapung dalam fluida dengan 1/3 bagian benda muncul dipermukaan fluida. Jika massa jenis benda 600 kg/m 3, maka massa jenis fluida adalah. a. 600 kg/m 3 b. 900 kg/m 3 c kg/m 3 d kg/m 3 e kg/m 3 9. Pisau silet dapat mengapung pada permukaan air karena. a. Massa jenis silet lebih besar dari massa jenis air b. Massa jenis silet lebih kecil dari massa jenis air c. Adanya gaya apung Achimedes d. Berat jenis silet sama dengan berat jenis air e. Adanya tegangan permukaan air 10. Pernyataan berikut yang tidak berkaitan dengan tegangan permukaan adalah. a. Kenaikan air dalam pipa kapiler b. Nyamuk berjalan di permukaan air c. Pembentukan tetesan air d. Pembentukan buih sabun e. Gabus terapung di permukaan air Uraian 1. Seorang penyelam berada pada kedalaman 5 meter dibawah permukaan air danau. Massa jenis air 1 g/cm 3 percepatan gravitasi g = 10 m/s 2 dan tekanan udara luar 1 atm. Tentukan: a. Tekanan yang dialami penyelam b. Tekanan total yang dialami penyelam 2. Sebuah benda tercelup sebagian dalam cairan yang memiliki massa jenis 0,75 gr/cm 3. Jika volume benda yang tercelup adalah 0,8 dari volume totalnya, tentukan massa jenis benda tersebut! 3. Seseorang ingin mengangkat mobil bermassa 1,5 ton dengan mesin hidrolik. Luas pengisap besar 200 kali luas pengisap kecil. Tentukan gaya minimal yang harus diberikan agar mobil dapat terangkat. 4. Sebongkah batu 80 kg berada di dasar danau dengan massa jenis air 1 g/cm 3. Volume batu cm 3, berapa gaya minimal yang diperlukan untuk mengangkat batu dari dasar danau? halaman 39

44 5. Dalam pipa kapiler permukaan air naik setinggi 10 cm. Pada pipa kapiler yang sama permukaan zat cair turun 4 cm. Massa jenis air 1 g/cm 3 sedangkan massa jenis zat cair 12 g/cm 3. Jika sudut kontak air 0 0 dan sudut kontak zat cair ( cos 37 0 = 0,8 ), maka tentukan perbandingan tegangan permukaan air dengan zat cair! halaman 40

45 SUHU DAN KALOR halaman 41

46 BAB 3 SUHU DAN KALOR KOMPETENSI INTI 1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya 2. Mengembangkan perilaku (jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli, santun, ramah lingkungan, gotong royong, kerjasama, cinta damai, responsif dan proaktif) dan menunjukan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan bangsa dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia 3. Memahami dan menerapkan pengetahuan faktual, konseptual, prosedural dalam ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah 4. Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan KOMPETENSI DASAR 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya 1.2 Menyadari kebesaran Tuhan yang mengatur karakteristik fenomena gerak, fluida, kalor dan optic 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan berdiskusi 2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi melaksanakan percobaan dan melaporkan hasil percobaan 3.6 Menganalisis sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari hari 4.6 Mengolah dan menganalisis hasil percobaan tentang sifat elastisitas suatu bahan A. Pendahuluan Manusia diciptakan oleh Sang Pencipta sebagai makhluk yang paing sempurna, dilengkapi pula dengan indera peraba yang bisa merasakan panas dan dinginnya suatu lingkungan dengan beberapa tingkatan, yaitu dingin, sejuk, hangat, dan panas. Tingkatan panas tersebut hanya dapat dinyatakan pada rentang ambang peraba manusia (kuaitatif) tetapi tidak dapat menyatakan besar tingkatan panas tersebut dalam bentuk angka (kuantitatif). Oleh karena itu dalam bab ini akan dipaparkan tentang Suhu, Kalor, dan Perambatan Kalor yang berguna untuk menambah wawasan tentang materi tersebut. Suhu dan kalor memiliki hubungan yang sangat erat dan berbanding lurus, misalnya keadaan lingkungan yang dirasakan panas oeh indera peraba ketika diukur dengan halaman 42

47 termometer terbaca suhunya pun tinggi dan sebaliknya suatu keadaan lingkungan yang dingin ketika diukur dengan termometer terbaca suhunya pun rendah. Hasil pembelajaran dari Suhu, Kalor dan Perambatan Kalor dapat diterapkan dalam kehidupan sehari hari, seperti perbedaan ketika mengaduk air kopi panas dengan menggunakan sendok yang terbuat dari logam dan sendok yang terbuat dari plastik atau kayu, perbedaan hembusan oleh angin dan hembusan oleh pengering rambut (hairdrayer) yang dapat dirasakan oleh indera peraba, dan perbedaan panasnya pemanasan oleh cahaya matahari ketika siang hari dan pagi hari. Apllikasi dari materi Suhu, Kalor, dan Perambatan Kalor dapat dikembangkan pada teknologi panel surya, kolam surya, efek rumah kaca (Green House Effect), pemanfaatan angin darat dan angin laut oleh para nelayan, termometer untuk mesin penetas telur, termometer Infra Red, dan sebagainya. B. Suhu 1. Pengertian Suhu Suhu merupakan suatu besaran yang menyatakan derajat panas dinginnya suatu benda. Sebagai contoh apa yang kamu rasakan ketika minum es, merebus air pada panci yang lama kelamaan akan menjadi panas, sejuknya hembusan angin ketika terik matahari menyinari duni?. Indera peraba hanya bisa merasakan tingkatan dingin, sejuk, hangat, dan panas tetapi tidak bisa mengukur besaran suhu tersebut dengan pasti. 2. Alat Pengukur Suhu Gambar 1. Macam macam Termometer Untuk mengetahui dengan pasti derajat panas dinginnya suatu benda, diperlukan alat ukur yang dapat mengukurnya secara pasti, yaitu dengan menggunakan termometer, baik thermometer yang menggunakan sistem pembacaan secara manual maupun digital (lihat gambar 1 di atas). Termometer dibuat berdasarkan prinsip perubahan volume. Termometer yang tabungnya diisi dengan raksa disebut termometer raksa. Termometer raksa dengan skala Celcius adalah termometer yang umum dijumpai dalam kehidupan sehari - hari. Selain raksa terdapat pula termometer alkohol. Adapun kelebihan dan kekurangan dari masingmasing termometer yang dibuat dari raksa atau alkohol adalah sebagai berikut: halaman 43

48 a. Termometer Raksa Kelebihan : 1) Raksa mudah dilihat karena mengkilat. 2) Volume raksa berubah secara teratur ketika terjadi perubahan suhu. 3) Raksa tidak membasahi kaca ketika memuai atau menyusut. 4) Jangkauan suhu raksa cukup lebar dan sesuai untuk pekerjaan-pekerjaan laboratorium (-40 o C sampai dengan 350 o C) 5) Raksa dapat mengalami pemanasan secara merata sehingga menunjukkan perubahan suhu dengan cepat dan tepat. Kekurangan 1) Raksa harganya reatif mahal. 2) Raksa tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah ( seperti dikutub Utara dan Selatan) 3) Raksa termasuk zat berbahaya sehingga ketika pecah akan membahayakan kulit. b. Termometer Alkohol Kelebihan: 1) Alkohol lebih murah dibanding Raksa 2) Alkohol lebih teliti karena untuk kenaikan suhu yang kecil, alkohol mengalami perubahan volume yang lebih besar. 3) Alkohol dapat mengukur suhu yang sangat dingin (seperti di daerah kutub yaitu 112 o C) Kekurangan : 1) Alkohol memiliki didih rendah yaitu 78 o C, sehingga pemakainya terbatas. 2) Alkohol tidak berwarna sehingga harus diberi warna terlebih dahulu agar terlihat. 3) Alkohol membasahi dinding kaca. 3. Macam-MacamTermometer Ada beberapa termometer yang dikenal, yaitu termometer laboratorium, termometer ruang, termometer klinis, dan termometer Six-Bellani. a. Termometer Laboratorium Termometer laboratorium dapat dijumpai dilaboratorium. Alat ini biasanya digunakan untuk mengukur suhu air dingin atau air yang sedang dipanaskan. Termometer laboratorium menggunakan raksa atau alkohol sebagai penunjuk suhu. Suhu pada termometer laboratorium biasanya 0 o C sampai 100 o C. suhu 0 o C menyatakan suhu es yang sedang mencair, sedangkan suhu 100 o C menyatakan suhu air sedang mendidih. Gambar 2. Termometer Laboratorium halaman 44

49 b. Termometer Ruang Gambar 3. Termometer Digital pada Ruangan Mesin Penetas Telur Termometer ruang dipasang pada tembok rumah, kantor atau ruangan ruangan lain. Termometer ini mengukur suhu udara pada suatu saat. Skala termometer ruang adalah -50 o C sampai 50 o C. Mengapa menggunakan skala seperti itu? Karena suhu udara dibeberapa tempat bisa dibawah 0 o C misalnya di Eropa. Sementara pada sisi lain suhu udara tidak pernah melebihi 50 o C. c. Termometer Klinis Gambar 4. Termometer Klinis Termometer klinis disebut juga termometer demam. Termometer ini biasanya digunakan oleh dokter untuk mengukur suhu badan. Pada keadaan sehat suhu tubuh kita sekitar 30 o C namun pada keadaan demam suhu tubuh kita melebihi suhu tersebut. Suhu tubuh kita pada saat demam dapat melebihi 40 o C. skala suhu pada thermometer klinis hanya 35 o C sampai 43 o C. Hal ini sesuai dengan keadaan suhu tubuh kita. Suhu tubuh kita tidak mungkin dibawah 35 o C dan melebihi 45 o C. Termometer klinis biasanya dijepit pada ketiak, tapi ada pula yang nempel didahi, dan ditempel dimulut. Ketika termometer dijepit suhu tubuh kita membuat raksa naik dipipa kapiler. Raksa akan berhenti bila suhu raksa sudah sama dengan suhu tubuh kita dan kita tinggal membaca berapa suhu yang ditunjukkan oleh raksa. halaman 45

50 d. Termometer Six-Bellani Gambar 5. Termometer Six- Belani untuk Ruangan Termometer Six-bellani disebut juga termometer maxsimum minimum. Termometer ini dapat mencatat suhu tertinggi dan terendah pada jangka waktu tertentu. 3. Penetapan Skala pada Termometer Dalam pembuatan termometer, Mula-mula ditetapkan dua patokan suhu yang selanjutnya disebut titik tetap. Titik tetap merupakan suhu ketika benda mengalami perubahan wujud, misalnya saat benda mencair dan mendidih. a. Titik Tetap Bawah (TTB), yaitu titik ketinggian cairan pengisi termometer dipakai untuk mengukur suhu es yang sedang mencair pada tekanan 1 atm b. Titik Tetap Atas (TTA), yaitu titik ketinggian kolom cairan pengisi termometer dipakai untuk mengukur suhu air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm Dua kondisi ini dipilih dengan alasan suhu air ketika berbentuk es yamg mencair dan air mendidih adalah tetap. Kedua titik tetap tersebut dapat dillihat pada gambar 6 di bawah Gambar 6. Dua Titik Tetap pada Termometer Skala Celsius, Fahrenheit, Reamur dan Kelvin Daerah di antara kedua titik tetap tersebut disebut dengan skala termometer yang digunakan pada skala Celsius, Reamur, Fahrenheit, dan Kevin seperti pada Tabel 1 di bawah : halaman 46

51 Tabel 1. Angka Tetapan Skala Termometer Perbandingan skala pada Tabel 1 di atas dapat digunakan untuk mengubah derajat satu skala menjadi derajat skala yang lain dengan menggunakan persamaan : 3. Kalibrasi Termometer Hubungan antara skala termometer, pemuaian zat cair yang satu dengan yang lainnya diberikan : Gambar 7. Konversi antar skala thermometer = dengan X = suhu yang ditunjukkan termometer X Y = suhu yang ditunjukkan termometer Y halaman 47

52 Contoh Soal : 1. Sebuah termometer menunjukkan suhu 40 o C. Hitunglah suhu termometer tersebut jika dinyatakan dalam. : a. skala Fahrenheit c. skala Kelvin b. skala Reamur Solusi : a. 40 o C = ( x 40 ) + 32 = = 104 o C b. 40 o C = ( x 40) = 32 o R c. 40 o C = ( ) = 313 K X F 2. Pada termometer X titik beku air 40 o X dan titik didih air 240 o X. Bila suatu benda diukur dengan termometer Fahrenheit suhunya 122 o F? 122 Hitunglah besar suhu tersebut bila diukur dengan termometer X! Solusi : ( ) = ( ) ( ) = ( ) ( ) = ( ) x = 140 o C. Pemuaian Pemuaian zat adalah peristiwa perubahan geometri dari suatu benda karena pengaruh panas (kalor). Perubahan geometri ini bisa meliputi bertambahnya panjang, lebar, maupun volume. 1. Jenis-jenis Pemuaian Zat 1. Pemuaian Zat Padat Pemuaian zat padat merupakan peristiwa bertambah panjang, lebar, atau volume suatu benda padat karena pengaruh panas (kalor). a. Pemuaian Panjang Pemuaian panjang adalah pertambahan panjang benda akibat pengaruh suhu (1 dimensi). Coba amati kabel listrik yang terlihat lebih kendur di siang hari jika dibanding pada pagi hari, itulah contoh dari muai pemuaian panjang. Besarnya pemuaian zar tergantung pada konstanta muai panjang zat dan nilai konstanta tersebut akan berbeda-beda untuk tiap zatnya. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah Musschenbroek (llihat Gambar 8). Gambar 8. Musschenbroek halaman 48

53 . Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda. Rumus Rumus Pemuaian Panjang : 1. ΔL = L o. α. Δt 2. L = Lo + ΔL 3. L = L o ( 1 + α t ) dengan : ΔL = besarnya pemuaian panjang ( m) L o = panjang mula-mula benda ( m) α = konstanta pemuaian ( / o C) Δt = selisih suhu ( o C) L = panjang benda setelah dipanaskan/panjang akhir benda ( m) Tabel 2. Koefisien muai panjang beberapa zat padat contoh soal : Sebuah logam pada mula - mula memiliki panjang 20 cm, kemudian menerima kalor dan suhunya naik sebesar 40 derajat o C. Jika koefisien muai panjang logam tersebut adalah 0,001/ o C, hitunglah panjang logam tersebut setelah suhunya naik! Solusi : diketahui : L o = 20 cm = 0,2 m ditanya : L? t = 40 o C α = 0,001/ o C Jawab : L = Lo (1 + α.δt) L = 0,2. (1+0,001.40) L = 0,2. (1+0,04) L = 0,2.1 m halaman 49

54 b. Pemuaian Luas Pemuaian luas adalah pemuaian ukuran benda ke arah luas benda, yaitu arah panjang dan llebar benda (2 dimensi). Contoh pemuaian luas yang bisa diamati adalah pada pemanasan lempeng tipis logam. Lempeng tipis logam akan mengalami penambahan luas setelah dipanaskan. Kemampuan suatu benda untuk mengalami pemuaian luas sangat ditentukan oleh koefisien muai luas dilambangkan dengan β, Dengan nilai β = 2α. Rumus - Rumus Pemuaian Luas : 1. ΔA = A o.β.δt 2. A = A o + ΔA 3. A = A o (1 + β.δt) dengan : A o = Luas benda mula mula /sebelum dipanaskan (m 2 ) A = luas benda akhir/ setelah dipanaskan (m 2 ) ΔA= pertambahan luas (m 2 ) β = koefisien muai luas = 2α (/ o C) Δt = selisih suhu (kenaikan suhu) ( o C) Contoh soal : Sebuah lempeng logam mula-mula mempunyai luas 100 cm 2, lalu menerima kalor sehingga suhunya naik 50 o C. Jika koefisien muai panjang lempeng logam tersebut adalah 0,001/ o C, hitunglah pertambahan luas lempeng logam tersebut! Solusi : diketahui : A o = 100 cm 2 = 0,1 m 2 ditanya : A =? t = 50 o C α = 0,001/ o C β = 2 (0,001) = 0,002/ o C Jawab : ΔA = A o.β.δt ΔA = (0,1) ( 0,002) (50 ) A = 0,01 m 2 c. Pemuaian Volume Pemuaian volume atau ruang adalah pertambahan ukuran benda ke arah panjang, lebar dan tinggi benda (3 dimensi). Karena itu muai volume sama juga dengan tiga kali muai panjang. Pemuaian volume suatu zat tergantung pada koefisien muai volumenya Ɣ (gamma) dimana Ɣ = 3α Rumus Rumus Pemuaian Volume : 1. ΔV = Vo.γ.Δt 2. V = V o + ΔV 3. V = V o (1 + Ɣ Δt) dengan : ΔV = penambahan volumebenda (m 3 ) Vo = volume awal benda (m3) Δt = kenaikan suhu ( o C) Ɣ = koefisien muai volume (/ o C) halaman 50

55 Contoh Soal : Sebuah kubus dengan rusuk 10 cm dan koefisien muai panjang 0,001/ o C. Kubus tersebut diberi kaalor sehingga suhu awalnya yang 30 o C naik mejadi 80 o C,. Hitunglah : a. pertambahan volume b. volume akhir kubus tersebut! Solusi : diketahui : l = 10 cm V = l 3 = 10 3 cm 3 α = 0,001/ o C Ɣ = 3 (0,001) = 0,003 / o C t = ( 80 30) = 50 o C Jawab : a. ΔV = Vo. ƔΔT ΔV = ( 10 3 ) (3 x 10-3 ) (50) ΔV = 150 cm 3 b. V = V o + ΔV V = V = 1150 cm 3 2. Pemuaian Zat Cair Pada zat cair pemuaian yang terjadi hanya pemuaian volume, tidak ada pemuaian panjang dan luas. Ini dikarenakan dengan sifat dar zat cair sendiri yang bentuknya berubahubah sesuai dengan bentuk wadah yang ditempatinya. Coba Anda isi penuh sebuah panci dengan air kemudia panaskan, beberapa saat kemudian akan ada air yang tumpah dari panci tersebut, itulah salah satu contoh pemuaian volume zat cair. Secara matematis rumus pemuaian zat cair sama dengan rumus pemuaian volume pada pemuaian zat padat. Besarnya pemuaian zat cair ditentukan dari koefisien muai volume nya Rumus Pemuaian Volume : ΔV = Vo.b.Δt dengan : b = koefisien muai volume zat cair (nilai b ini berbeda dengan Ɣ) (/ o C) ΔV = penambahan volume ( o C) Δt = selisih suhu ( o C) Contoh soal : Sebuah panci berisi air penuh dengan volume 4 liter. Air dalam panci tersebut kemudian dipanaskan sehingga mengalami kenaikan suhu sebanyak 80 o C. Hitunglah volume air yang akan tumpah dari panci tersebut! (koefisien muai air = 0,004/oC) Solusi : diketahui : V 0 = 4 lliter ditanya : V? t = 80 o C b = 0,004 / o C Jawab : Volume air yang tumpah sama dengan penambahan volume air akibat pemanasan, jadi ΔV = Vo.b.ΔT ΔV = (4) (0,004)0,004) (80) ΔV = 1,28 liter halaman 51

56 3. Pemuaian Zat Gas/ Pemuaian Gas Gas juga megalamai pemuaian seperti pada pemuaian zat cair dan zat padat. Khusus untuk pemuaian zat ini agak berbeda dengan pemuaian zat padat dan pemuaian zat cair. Ada satu variabel yang sangat menentukan pemuaia zat gas yaitu tekanan. Mungkin Anda pernah melihat balon yang kepanasan tibatiba meletus, itu salah satu contoh sederhana pemuaian gas. Hukum yang menjelaskan tentang pemuaian zat gas: a. Hukum Boyle - Gay Lussac Hukum Boyle- Gay Lussac menyatakan: Perbandingan antara hasil kali tekanan dan volume gas dengan suhu mutlaknya (satuan Kellvin) adalah konstan, sehingga : = C atau = 4. Manfaat dan Kerugian Pemuaian Zat Beberapa pemuaian zat yang tidak terkendali bisa menjadi sesuatu yang merugikan seperti rel kereta yang bengkok atau ban kendaraan yang pecah tiba-tiba karena terlalu panas. Ini bisa menyebabkan kecelakann yang fatal. Yang paling penting adalah kita mengantisipasinya sebaik mungkin seperti membuat jarak antar rel atau membuat ban dari bahan yang tidak mudah memuai. Selain merugikan masih banyak juga manfaat dari pemuaian zat sepeti pemuaian bimetal yang digunakan untuk pengamanan alat-alat listrik dari kebakaran atau korsleting dan juga pemakaian listrik berlebih. D. Kalor 1. Pengertian Kalor Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang timbul ketika suatu benda mengalami perubahan suhu. Kalor tidak mempunyai masa. jadi kalor bukanlah suatu zat. Jadi kalor adalah energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, ketika benda bersentuhan atau bercampur. Secara umum, kalor didefinisikan sebagai berikut. Satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu dari satu gram air sebesar 1 0 C Satuan kalor yang sering digunakan adalah kalori (kal) atau kilikalori (kkal) dalam satuan Sistem Internasional (SI) satuan kalor adalah joule (J). Kesetaraan antara kalori dan joule adalah sebagai berikut : 1 kalori = 4,2 joule 1 joule = 0,24 kalori halaman 52

57 2. Kalor Jenis Jika, suatu zat menerima kalor, suhu zat tersebut akan naik. Besarnya kenaikan suhu dari zat sebanding dengan banyaknya kalor yang diterima oleh zat tersebut, berbanding terbalik dengan massa dan kalor jenis zat. Jika kalor jenis suatu zat besar, untuk menaikan suhu zat tersebut sebesar 1 0 C dibutuhkan kalor yang banyak. Begitu juga jika massa zat tersebut banyak, untuk meniakkan suhu zat tersebut sebesar 1 0 C dibutuhkan kalor yang banyak pula. Pada kenyataanya bahwa untuk zat yang massanya sama, ternyata kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 0 C adalah berbeda. Definisi kalor jenis : Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu 1 kg zat tersebut sebesar 1 0 C. Hubungan antara banyaknya kalor yang diserap oleh suatu benda terhadap kalor jenis benda serta kenaikan suhu benda dituliskan dalam persamaan : Q = m c t Dimana : Q = banyaknya kalor diperlukan ( Kalori atau joule) m = massa zat (Kg) c = kalor jenis zat ( kal/gr 0 C atau joule/kg 0 C) t = kenaikan suhu ( 0 C) = t 2 - t 1 c = Q m t 3. Kapasitas kalor Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan kalor suatu benda sebanding dengan kapasitas kalor benda tersebut, dan sebanding pula dengan perubahan suhunya. Definisi Kapasitas kalor : Kapasiatas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu sebesar 1 0 C C = Q t halaman 53

58 Q = C. t Dimana: Q = banyaknya kalor yang diperlukan (J) atau (kal) ( 0 C) C = Kapasitas kalor ( kal/ 0 C atau joule/ 0 C) 4. Perubahan Wujud a. Kalor Laten Kalor Laten suatu zat adalah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah satu satuan massa zat dari suatu tingkat wujud ke tingkat wujud yang lain pada suhu dan tekanan yang tetap. Jika kalor laten (L), maka mengubah suatu zat bermassa m seluruhnya ke tingkat wujud yang lain diperlukan kalor sebesar. Q = m.l dengan : Q = kalor ( Kal) m = massa zat (Kg) L = kalor laten ( kal/g) Terdapat tiga jenis kalor laten, yaitu: 1. Kalor lebur adalah kalor laten pada perubahan tingkat wujud padat menjadi cair pada titik leburnya 2. Kalor beku adalah kalor laten pada perubahan tingkat wujud cair menjadi padat pada titik bekunya. 3. Kalor didih (kalor uap) adalah kalor laten pada perubahan tingkat wujud cair. b. Perubahan wujud zat: a. Melebur adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi cair b. Membeku adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi padat c. Menguap adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi gas d. Mengembun adalah perubahan wujud zat dari gas menjadi cair e. Menyublim adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi gas f. Deposisi adalah kebalikan dari menyublim, yaitu perubahan wujud zat dari gas menjadi padat halaman 54

59 c. Grafik Perubahan Wujud Air jadi untuk menaikan suhu dari t 1 menjadi t 2, yaitu : Q tot = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 Q 1 = m.c es. t Q 2 = m. L es Q 3 = m. c a. t Q 4 = m. L uap Q 5= m. c uap. t 5. Hukum Kekekalan Energi untuk Kalor Dalam Sistem Internasional satuan kalor adalah joule, karena kalor adalah salah satu bentuk energi. Sesuai dengan Hukum Kekekalan Energi, energi tidak dapat dicioptakan dan dimusnahkan, tetapi energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dengan demikian, energy dalam bentuk kalor dapat berasal dari energy bentuk lainnya. Alat untuk mengukur kalor disebut kalorimeter. Hukum kekekalan energy dalam bentuk kalor sering disebut dengan asa Black. Menurut Black, kalor yang dilepaskan oleh sebuah benda sama dengan kalor yang diterima oleh benda yang laninnya. Dengan menggunukan kalor jenis suakan asa Black kita dapat menentukan kalor jenis suatu benda. Dewasa ini calorimeter terbuat dari bahan polisterirena, yaitu bahan yang hamper tidak dapat menyerap kalor sehingga pertukaran kalor hanya terjadi pada air dan zat yang diukur kalor jenisnya. Kemudiankan air dimasukkan ke dalam kalorimeter, kemudian ke dalam kalorimeter tersebut dimasukkan zat yang akan ditentukan kalor jenisnya. Setelah terjadi keseimbangan termal antara air dengan zat yang akan diukur kalor jenisnya, mislanya kalor jenis sebuah logam akan berlaku persamaan : halaman 55

60 Q lepas (logam) = Q terima (air) Kalor yang dilepaskan oleh logam akan sama dengan kalor yang diterima oleh air. Sebelum dimasukkan kedalam calorimeter, massa logam, massa air, suhu logam dan suhu air harus diukuir terlebih dahulu. Setelah terjadi kesetimabnagn termal, suhu logam akan menjadi sama dengan suhu air. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut : (m.c t) logam air = (m. c t) Atau m l c l t l = m a c a t a E. PERPINDAHAN KALOR Terdapat tiga mekanisme perpindahan kalor antar-medium: Konduksi: konduksi adalah perpindahan kalor dengan cara menempelkan langsung antara dua medium yang berbeda temperatur. Misalnya, kita memasak air dengan panci alumunium yang terhubung langsung tanpa ada pemisah. Konveksi: konveksi adalah perpindahan kalor melalui aliran massa suatu medium perantara. Misalnya, pada radiator pendingin mesin menggunakan air sebagai medium alir penghantar kalor. Radiasi: radiasi adalah perpindahan kalor melalui pancaran radiasi elektromagnetik. Misalnya, sinar matahari yang sampai ke bumi tanpa medium apa pun di ruang hampa udara. 1. Perpindahan Kalor Secara Konduksi kalor Kalor mengenai satu bagian benda sehingga atom-atom di bagian tersebut bergetar kencang Getaran tersebut memaksa atom di sekitarnya ikut bergetar Atom yang di sebelah, memaksa atom di sebelahnya lagi ikut bergetar Akhirnya, atom di ujung yang lain benda tersebut ikut bergetar Terjadi perambatan getaran. halaman 56

61 Perambatan getaran ini yang merepresentasikan perambatan kalor dalam zat Contoh konduksi Kalor dari dalam elemen ke permukaan luar setrika merambat melalui konduksi Kalor dari ujung batang yang satu ke ujung yang lain merambat melalui konduksi Laju kalor dalam peristiwa konduksi: Dengan: H = arus kalor(j/s) K = konduktivitas termal (W/m o C) A = Luas penampang aliran (m 2 ) T b = temperatur tinggi ( o C) T a = temperatur tinggi ( o C) L = panjang penghantar (m) T H ka L 2. Perpindahan Kalor Secara Konveksi panas Pemanasan di bawah menyebabkan massa jenis zat cair di bawah mengecil akibat pemuaian Massa jenis yang kecil akan ke atas dan massa jenis yang besar akan ke bawah Molekul-molekul zat cair yang berada di bawah (bergerak lebih kencang) bergerak naik Molekul-molekul zat cair yang berada di atas (bergerak lebih lambat) bergerak naik Akibatnya, bagian atas zat cair menjadi panas Kita katakan kalor telah berpindah dari bagian bawah ke bagian atas halaman 57

62 Beberapa contoh konveksi Pemanasan ruangan Konveksi di atmosfer: menjadi angin Konveksi dalam lapisan bumi: salah saty penyebab keluarnya magma Laju kalor dalam peristiwa konveksi: Keterangan: Q H ha T H = laju kalor (watt atau T J/s) h = koefisien konveksi bahan (W m -2 K -1 ) A = Luas penampang yang bersentuhan dengan fluida (m 2 ) = T = = beda suhu antara benda dan fluida (K atau o C) 3. Perpindahan Kalor Secara Radiasi Kalor merambat tanpa perantara. Sebagian besar ruang antar bintang dan planet adalah hampa Dari api unggun kalor merambat melalui radiasi dan konveksi (melalui udara) halaman 58

63 Pendingin pada komputer memanfaatkan fenomena konduksi, konveksi, dan radiasi sekaligus untuk mendinginkan mikroprosessor sehingga tidak rusak Laju kalor dalam peristiwa radiasi, kemudian diberi nama Hukum Stefan Boltzmann: W = e σ T 4 Keterangan: W = kalor(daya/laju W ) e = emisivitas benda = konstanta Stefan (5,67 x 10-8 W m -2 K -4 ) T = suhu benda (K) σ = tetapan Stefan = 5,672 x 10-8 Wm -2 K 4 Contoh Soal : 1. Sebuah logam massanya 2 kg dipanasi dari suhu 15 0 C sampai 35 0 C, jika kalor jenis logam 600 J/kg 0 C. Hitunglah banyaknya kalor yang diperlukan! Penyelesaian : Dik : Dit : Q =? m = 2Kg T 1 = 15 0 C T 2 = 35 0 C c = 600 J/Kg 0 C Jawab : Q = m. c. = = J = t 1 - t 2 = = 20 0 C 2. Sebuah benda diberi kalori sebesar joule, sehingga mengalami kenaikan suhu sebesar 20 0 C. tentukan kapasitas kalor tersebut? Penyelesaian : Dik: Q = j Dit : Jawab : Q = C. = 20 0 C C =? C = = = 500 J/ 0 C halaman 59