SUHU DAN KALOR M O D U L. Fisika itu mudah dan menyenangkan lho. Peta Konsep. Pengukuran. Kalor. Keseimbangan Suhu. Alat Ukur

Transkripsi

1 M O D U L Fisika itu mudah dan menyenangkan lho SUHU DAN KALOR Peta Konsep Keseimbangan Suhu Azas Black Pengukuran Alat Ukur Penentuan Skala Termometer Perubahan Wujud Kalor Kalor Jenis Kapasitas Kalor Kalor Laten M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 53 Created by MGMP Fisika 2015

2 8.1 Uraian Materi Pengertian dan Alat Ukur Suhu Suhu dan kalor adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang suhu, panas dan segala sesuatu yang berhubungan dengannya mulai dari perubahan wujud benda hingga bagaimana panas bias berpindah. Sungguh menarik jika kita memperhatikan fenomena alam yang berhubungan dengan konsep suhu dan kalor. Saat duduk di kantin sekolah bersama teman special dan memesan es teh setelah belajar fisika. Pernahkah terpikir bahwa ada fenomena fisika pada segelas teh yang kita pesan. Bagaimana es itu bisa mencair? Dan bagaimana teh pada dasarnya tidak dingin menjadi dingin ketika diberi teh. Semua akan terjawab dalalm bab kali ini, dimana suhu dan kalor serta fenomena yang menyertainya adalah sebuah keindahan fenomena alam yang tercipta oleh Sang Maha Pencipta. Suhu adalah ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda. ` Misalnya benda panas dikatakan mempunyai suhu yang tinggi dan benda dingin mempunyai suhu rendah. Termometer sendiri ada banyak jenisnya tergantung pada pemakaian. Termometer terdiri dari beberapa skala tergantung pada daerah yang menggunakan skala tersebut. Termometer merupakan tabung tertutup dan transparan dan diberi skala yang menunjukkan ukuran nilai tertentu. Di dalam termometer terdapat zat cair, umumnya air raksa dan alkohol, yang akan menunjukkan skala tertentu ketika digunakan. Air raksa membeku pada -39 o C dan menguap pada 357 o C, alkohol membeku pada -115 o C dan menguap pada 78 o C. Karena itu ditempat-tempat yang mencapai suhu sangat dingin digunakan alkohol sebagai pengisi termometer. Keuntungan lain alkohol adalah koefisien muainya 6 kali koefisien muai raksa sehingga dapat mengukur perubahan suhu sangat kecil. Tetapi umumnya raksa lebih sering dipilih sebai pengisi termometer daripada alkohol karena alasanalasan sebagai berikut: 1. Raksa tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya lebih teliti, sedangkan alkohol membasahi dinding; 2. Raksa tidak menguap di bagian atas tabung, sebaliknya alkohol menguap; 3. Raksa mudah dilihat karena mengkilat, sedangkan alkohol harus diberi zat pewarna; 4. Raksa merupakan penghantar panas lebih baik dari alkohol, karena itu raksa segera mengambil panas dari benda yang diukur suhunya sehingga suhu raksa segera sama dengan suhu yang diukur. Perubahan sifat fisis benda akibat adanya perubahan suhu atau sifat kepekaan benda terhadap perubahan suhu disebut sifat termometrik Perubahan sifat fisis benda itu antara lain: perubahan volume, panjang, hambatan listrik, tekanan dan perubahan warna Berdasarkan sifat termometrik zat, jenis termometer antara lain sebagai berikut: a. Termometer Zat Cair b Termometer Bimetal c. Termometer Hambatan. d. Termokopel e. Termometer Gas f. Pyrometer Berdasarkan tampilan hasil pengukuran, ada dua jenis termometer yaitu: a. termometer analog, b. termorneter digital. Berdasarkan manfaat atau tempatnya. ada beberapa macam termometer, yakni: a. termometer badan atau termometer klinis, b termometer dinding, Tugas Kelompok Waktunya melatih mental yang kreatif: Buat suatu artikel tentang jenis-jenis thermometer. Cakupan artikelnya meliputi: gambar, prinsif kerja, dan manfaatnya M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 54 Created by MGMP Fisika 2015

3 c. termometer maksimun-minimum, dan d. termometer batang. Skala Titik tetap Titik didih air Titik lebur es C = Skala Celcius R = Skala Reamur F = Skala Fahrenheit K = Skala Kelvin Suatu skala dan satuan suhu dibuat dengan terlebih dahulu memilih dua suhu, disebut sebagai dua titik tetap, yaitu titik tetap terbawah dan titik tetap teratas. Kemudian selang diantara dua titik tetap ini dibagi atas sejumlah bagian-bagian yang sama panjang, dengan tiap bagian satu derajat. Umumnya dipilih sebagai titik tetap terbawah adalah titik lebur es dan titik tetap teratas adalah titik didih air. Perbandingan skala beberapa termometer diperlihatkan pada gambar berikut: 100 o 80 o 212 o 373 o C R F K 0 o 0 o 32 o 273 o Titik didih Titik beku Penentuan Skala Termometer Sebaiknya Anda Tahu! Skala Kelvin (skala standar). Lord Kelvin menetapkan nol mutlak sebagai titik bawah. Pada suhu ini partikel akan rehat (berhenti) dari aktivitas-nya, sehingga tidak ada panas yang akan terukur karena panas sebanding dengan energy kinetic tiap partikel. Secara matematika dirumuskan dengan persamaan: Merupakan perbandingan antara selisih suhu yang terbaca dengan suhu bawah dan suhu tinggi dengan suhu bawah: Atau Contoh Soal Sebuah thermometer celcius memiliki suhu 27 o C. maka apabila dibaca dalam skala kelvin suhunya adalah K= Mudah... ya! 2. Sebuah thermometer X memiliki skala dengan titik beku air pada -40 o X dan titik didih air pada 160 o X. Jika pada thermometer itu suhu suatu benda adalah 15 o X, maka suhu pada termometer celcius adalah Mudah... ya! 3. Dalam skala Fahrenheit dan Celcius akan menunjukkan skala yang sama pada Misalkan suhu yang dicari = x, maka o F = o C =x Gampang... ya! Jadi jawabnya -40 M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 55 Created by MGMP Fisika 2015

4 Latihan Soal Suhu tubuh seorang yang sedang sakit panas mencapai 104 o F. suhu tersebut jika dinyatakan dalam skala Celcius, Reamur dan skala Kelvin berturut-turut adalah 2. Termometer X menunjukkan angka -20 pada titik beku air dan 180 pada titik didih air. Suhu 40 o X sama dengan 3. Pada sebuah thermometer X, titik beku air 50 o X dan titik didih air 200 o X. a. Jika sebuah benda diukur dengan thermometer Celcius menunjukkan suhu 40 o C, berapa suhu benda tersebut jika diukur dengan thermometer X? b. Pada angka berapa thermometer Celcius dan X menunjukkan angka yang sama? Pengertian Kalor Kalor adalah sebuah bentuk energi Kalor menyatakan jumlah panas. Kalor dapat dikatakan sebagai bentuk energi yang pindah bila benda yang suhunya lebih tinggi bersentuhan dengan benda yang suhunya lebih rendah. Atau bahwa kalor adalah bentuk energi yang dapat menaikkan suhu benda, jika bentuk energi itu diberikan kepada benda itu. Bila pemberian kalor menyebabkan perubahan wujud, suhu benda tidak naik. Satuan kalor dalam sistem Inggris adalah kalori, disingkat kal, sedangkan dalam SI adalah Joule, disingkat J. Satu kalori didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram zat sebesar 1 o C. Hubungan antar satuan: 1 J = 0,24 kal atau 1 kal = 4,2 J Kalor Jenis Kalor Jenis (c) Secara matematis: Kalor jenis zat adalah bilangan yang menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu 1 gram (atau 1 kg) zat itu sebesar 1 o C. dengan: Q = kalor (kal atau J) m = massa zat (g atau kg) c = kalor jenis (kal/g o C atau J/kg o C) =perubahan suhu ( o C) Kapasitas Kalor Kapasitas kalor (C) Secara matematis: Kapasitas kalor adalah bilangan yang menunjukkan banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu zat itu sebesar 1 o C. dengan: C = kapasitas kalor (kal/ o C atau J/ o C) M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 56 Created by MGMP Fisika 2015

5 Hubungan C dan c Secara matematika dinyatakan: C = m. c atau c = Q/m Tabel. Kalor jenis dari beberapa zat Tabel Harga kalor lebur dan kalor uap dari beberapa zat Asas Black Hukum kekekalan Energi kalor (Azas Black) Secara matematis: Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat bersuhu tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat bersuhu lebih rendah. Hukum tersebut berlaku hanya untuk sistem tertutup. Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kalor. Adapun jenis-jenis kalorimeter adalah seperti di bawah ini: Kalorimeter alumunium Kalorimeter elektrik, digunakan untuk mengukur kalor jenis zat cair Kalorimeter bom, digunakan untuk menentukan kandungan energi dalam makanan dan lemak. Dengan Q = mc(t T) Baca: Q masih cinta T itu Qlepas = Qterima Perubahan Wujud Zat Kalor laten (L) adalah kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 grm atau 1 kg zat dari wujud satu ke wujud lainnya pada suhu tetap. Besarnya kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses perubahan wujud zat memenuhi persamaan: Q = m. L dengan L = kalor laten (kal/g o C atau J/kg o C) Baca: Q makan Lumpia Ada tiga perubahan wujud zat, yaitu zat padat, cair, dan gas. Apabila sebuah zat diberikan kalor, maka pada zat tersebut akan terjadi perubahan wujud (seperti skema perubahan wujud di bawah). Pada proses melebur, menguap, dan deposisi diperlukan kalor (panah yang terletak di dalam). Sedangkan pada proses membeku, mengembun, dan menyublim dilepaskan kalor (panah yang terletak diluar/arah ke bawah dank e kiri). M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 57 Created by MGMP Fisika 2015

6 G A S Menyublim Melenyap/ Deposisi Menguap Mengembun PADAT MENCAIR / MELEBUR MEMBEKU C A I R Contoh Perubahan Wujud Zat 1. Benda atau zat padat berubah menjadi benda cair = Mencair atau Pencairan Contoh: es krim yang berubah menjadi cair terkena suhu panas permen atau coklat yang mencair terkena suhu panas 2. Benda atau zat cair berubah menjadi benda padat = Membeku atau Pembekuan Contoh membuat es kebo dari air sirup dalam plastik- membuat agar-agar atau jelly 3. Benda atau zat padat berubah menjadi benda gas = Menyublim atau Penyubliman atau Sublim Contoh kapur barus yang menyublim menjadi gas berbau wangi dan Biang es didalam kotak es tongtong untuk mendinginkan es. 4. Benda atau zat gas berubah menjadi benda padat= Menghablur atau Penghabluran atau hablur atau mengkristal atau pengkristalan Contoh pembuatan ammonium sulfat dan ammonium nitrat bahan pupuk 5. Benda atau zat gas berubah menjadi benda cair = Mengembun atau Pengembunan Contoh Hujan di malam minggu berasal dari uap awan yang menjadi air, Udara lembab dan dingin di pagi hari membuat embun di pucuk daun 6. Benda atau zat cair berubah menjadi benda gas = Menguap atau Penguapan Contoh : Air comberan menguap menjadi uap terkena sinar matahari- Spirtus atau spiritus menguap saat terkena udara Grafik Perjalanan Kalor Perubahan suhu atau kondisi suatu zat terhadap kalor yang diperlukannya dapat digambarkan sebagai berikut: 100 o C Uap Q4 Q5 Q1=mes.ces. T Q2=mes.Les Q3=mair.cair. T air Q3 Q4=mair.Uair Q5=muap.cuap. T 0 o C es Q1 Q2 M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 58 Created by MGMP Fisika 2015

7 Contoh Soal g air berada pada sebuah panci dengan suhu 25 o C. jika kalor jenis air adalah 1 kal/gr, maka kalor yang diserap oleh air saat suhunya naik menjadi 75 o c tersebut adalah Q = mc (T -T) = 20.1.(75-25) = 1000 kalori 2. Bila kalor jenis es = 0,5 kal/gr o C, maka untuk menaikkan suhu 800 gr es dari -12 o C menjadi 0 o C dibutuhkan kalor sebanyak Q = m es.c es. (T T) = ,5. (o-(-12)) = 4,8 x 10 3 kalori 3. Sebuah ketel listrik 50 W digunakan untuk memanaskan 225 gr air. Setelah 3 menit sejak sakelar penghubung ketel ke sumber daya listrik dinyalakan, suhu air naik dari 17 o C menjadi 37 o C. jika seluruh energy listrik diubah menjadi kalor untuk memanaskan air (artinya efisiensi ketel adalah 100%) maka kapasitas kalor air adalah 4. Biaya untuk memanaskan 10 liter air dari suhu 20 o C menjadi 100 o C bila setiap 1 kwh harganya 300 rupiah adalah 10 liter air = 10 kg 1 kwh = J c air = 4200 J/ kg o C Q = m air.c air (T T) = (100-20) = = Biaya memanaskan air: (14/15).300 = 280 rupiah 5. Air bermassa 200 gr dan bersuhu 30 o C dicampur air mendidih bermassa 100 gr dan bersuhu 90 o C (c air = 1 kal/gr o C). suhu akhir campuran pada saat kesetimbangan termal adalah Qserap = Qterima m1c1(tc-t1) = m2c2(t2-tc) (Tc-30) = (90-Tc) 200Tc-6000 = Tc 200Tc+100Tc = Tc = Tc 50 o C 6. Satu kg es yang suhunya -10 C dipanaskan sampai seluruhnya mendidih menjadi uap yang bersuhu 100 C. (kalor jenis es 2100 J/kg.K, kalor lebur es 3,3 x 10 5 J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kg.K, kalor uap 2, J/kg.) a. hitung kalor total yang dibutuhkan. b. jika digunakan alat pemanas listrik berdaya 1000 watt, berapa lama dan kalor waktu yang diperlukan untuk itu? M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 59 Created by MGMP Fisika 2015

8 Langkah 1 : Buatlah grafik hubungan suhu (T) dan Kalor (Q) diketahui: m = 1 kg t es = C t uap = C 100 Q 4 C es = 2100 J/kgK C air = 4200 J/kgK Q 3 L es = 3, J/K L uap = 2, J/K 0 Q 2 Q 1-10 jawab: a. Dit. Q tot =? Q tot = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 = m c es T es + m. L es + m c air T air + m. L uap = , , = = 2, J b. Dit t =?, jika P = 1000 W Q = P. t 2, J = 1000 t 7 2, t = 1000 = 2, s = 8,253 jam Latihan Soal Sebatang besi bermassa 5 kg akan dinaikkan suhunya sebesar 10 K. Jika kalor yang dibutuhkan sebesar 20 kj, berapakah: (a) kalor jenis dan (b) kapasitas kalor besi tersebut! gr es bersuhu -5 o C dipanaskan hingga menjadi air yang bersuhu 10 o C. Jika kalor jenis es 2100 J/kg o C, kalor lebur es J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kg o C, maka kalor yang dibutuhkan adalah gr es bersuhu -10 o C dimasukkan ke dalam 1 lt air yang bersuhu 10 o C. Jika kalor jenis es 2100 J/kg o C, kalor lebur es J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kg o C maka suhu campuran ketika mencapai kesetimbangan adalah Biaya untuk memanaskan 20 liter air dari suhu 30 o C menjadi 100 o C bila setiap 1 kwh harganya 450 rupiah adalah 5. Satu kg es yang suhunya -5 C dipanaskan sampai seluruhnya mendidih menjadi uap yang bersuhu 100 C. (kalor jenis es 2100 J/kg.K, kalor lebur es 3,3 x 10 5 J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kg.K, kalor uap 2, J/kg.) a. hitung kalor total yang dibutuhkan. b. jika digunakan alat pemanas listrik berdaya 1500 watt, berapa lama dan kalor waktu yang diperlukan untuk itu? M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 60 Created by MGMP Fisika 2015

9 8.2.1 Pemuaian Bila kalor diberikan pada suatu zat, maka ada tiga kemungkinan yang dialami zat itu, antara lain: terjadi kenaikan suhu, terjadi perubahan wujud, dan terjadi pemuaian zat. Mengapa bisa demikian? Telah kita ketahui bahwa semua zat baik padat, cair, maupun gas tersusun dari molekul-molekul atau atom-atom yang senantiasa bergetar dan tarik-menarik. Jika suhu zat tersebut dinaikkan, molekul-molekul atau atom-atom itu bergetar makin cepat, tetapi gaya tarik-menariknya makin lemah sehingga jarak antara molekul-molekul atau atom-atom semakin besar. Keadaan demikian dikatakan benda itu memuai. Jadi Pemuaian dapat didefinisikan sebagai keadaan perubahan ukuran zat/benda yang diakibatkan oleh kenaikan suhu. Pemuaian dapat menimbulkan masalah, tetapi juga dapat dimanfaatkan. Masalahmasalah yang ditimbulkan pemuaian antara lain: rel kereta api dan jembatan beton melengkung, kaca jendela rumah atau mobil retak, pipa minyak membengkok, kawat telepon sengaja dibiarkan kendor agar tidak putus ketika menyusut. Manfaat pemuaian antara lain: pengelingan pelat logam pada pembuatan badan kapal; keping bimetal yang dimanfaatkan pada saklar termal, termostat bimetal, termometer bimetal, dan lampu sen mobil; pemanasan ban baja sehingga memuai dan roda pas masuk ke ban baja dan ketika ban baja dingin, ia akan menyusut dan memegang roda dengan kuat. Zat Padat yang dipanaskan mengalami pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volum Hubungan antara koefisien muai panjang dan luas dapat dinyatakan: =2 Muai Panjang Sehingga: dengan: ΔL = α L0 ΔT L0 = panjang mula-mula (m) Lt = panjang setelah dipanaskan (m) = koefisien muai panjang (K -1 ) T= perubahan suhu (K) L= pertambahan panjang (m) Pemuaian Zat Koefisien muai panjang ( ) yaitu pertambahan panjang tiap 1 m pada kenaikan suhu 1 K. Muai Luas atau muai bidang ΔA = A 0 ΔT Sehingga: dengan: Lt = L0 (1 + α ΔT ) At = A0 ( 1 + ΔT ) A0 = luas mula-mula (m 2 ) A t = luas setelah dipanaskan (m 2 ) = koefisien muai luas (K -1 ) T= perubahan suhu (K) Koefisien muai luas( ) yaitu pertambahan luas tiap 1 meter persegi bahan pada kenaikan suhu 1 K. M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 61 Created by MGMP Fisika 2015

10 Hubungan antara koefisien muai panjang dan volum dapat dinyatakan: = 3 Zat cair yang dipanaskan hanya mengalami pemuaian volum saja. Muai Volume atau muai ruang sehingga: dengan: ΔV = Vt = V0 ( 1 + V0 ΔT V0 = Volum mula-mula(m 3 ) Vt = volum setelah dipanaskan(m 3 ) = koefisien muai Volum (K -1 ) T = perubahan suhu (K) Muai Volume atau muai ruang ΔV = sehingga: Vt = V0 ( 1 + ΔT ) ΔT ) V0 ΔT Pada zat cair, ketika suhunya naik, volumnya akan bertambah, sementara massa tetap. Akibatnya massa jenisnya berkurang. Dengan = massa jenis zat mula-mula (g/cm 3 ) Jika zat cair pada keadaan awal memenuhi wadah maka untuk menentukan banyaknya zat cair yang tumpah dapat ditentukan dengan cara: - menghitung koefisien muai nyata ( nyata ) nyata = zat cair - wadah - menghitung volume zat cair yang tumpah Vtumpah = nyata V0 ΔT Zat gas yang dipanaskan hanya mengalami pemuaian volum saja. Besar koefisien muai volume untuk semua jenis gas adalah sama, yaitu: Tetapi rumus di atas tidak berlaku bagi air dibawah 4 o C. Dalam hal ini, jika es dipanaskn maka sampai suhu es 0 o C, es akan memuai seperti zat padat lainnya. Setelah es mulai melebur disertai penyusutan volume kira-kira 8%. Diantara 0 o C dan 4 o C air masih menyusut dan mencapai volume minimum pada suhu 4 o C. Diatas suhu 4 o C air akan memuai. Sifat pemuaian air yan g tidak teratur ini disebut anomali air. Ada 3 hukum tentang gas yang berkaitan dengan pemuaian gas, yaitu: 1. Pemuaian gas pada suhu tetap P 1 V 1 = P 2 V 2 atau PV = konstan 2. Pemuaian gas pada tekanan tetap atau 3. Pemuaian gas pada volume tetap. atau Dengan: V 1 =P 1 =T 1 = volum, tekanan, suhu sebelum memuai V 2 =P 2 =T 2 = volum, tekanan, suhu sesudah memuai T = suhu (K) M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 62 Created by MGMP Fisika 2015

11 Contoh Soal Karena suhunya dinaikkan dari 0 o C menjadi 100 o C suatu baja yang panjangnya 1 m bertambah panjang 1 mm. berapa pertambahan panjang batang baja yang mula-mula panjangnya 60 cm, bila dipanaskan dari 0 0 C menjadi 120 o C? Mencari koefisien muai panjang utk baja 1o -5 / o C Untuk baja yang panjangnya 60 cm 1o = 0,72 mm 2. Sebatang baja (angka muai linear 1o -5 / o C) panjangnya 100 cm pada suhu 30 o C. bila panjang batang baja itu 100,1 cm, maka suhunya adalah L = L o (1+ T) 100,1 = 100( ) =100 Karena T = T o + T = = 130 o C 3. Sebatang bola berongga terbuat dari besi (koefisien muai panjang 1,2 x 10-5 / o C) pada suhu 10 o C jari-jarinya 1m. jika bola tersebut dipanaskan sampai 90 o C, maka pertambahan luas permukaan bola adalah m 2. =β A o = (2α) (4πR o2 )(T-T o ) =(2. 1,2 x 10-5 ) (4π.1 2 )(90-10) =7,68 x 10-3 π m 2 4. Pada suhu 20 o C volum tabung kaca 200 cm 3. Tabung diisi penuh air raksa. Volum air raksa yang tumpah jika dipanaskan sampai suhu 120 o C adalah cm 3. (jika koefisien muai panjang kaca 3 x 10-6 / o C dan koefisien muai volum air raksa 5,4 x 10-4 / o C Untuk tabung kaca: k= k V o = (3 α)(v o )(T-T o ) = (3. 3 x 10-6 )(200)(120-20) = 0,18 cm 3 Untuk air raksa: a= a V o = ( a )(V o )(T-T o ) = (5,4 x 10-4 )(200)(120-20) = 10,80 cm 3 Volum air raksa yang tumpah adalah =10,80-0,18 = 10,62 cm 3 5. Suatu gas yang suhunya 27 o C dipanaskan pada tekanan tetap sehingga volumnya menjadi empat kali semula. Suhu gas itu sekarang adalah Proses tekanan tetap T 2 =4 x 300 = 1200 K = ( ) = 927 o C Latihan Soal Karena suhunya dinaikkan dari 0 o C menjadi 70 o C suatu baja yang panjangnya 1,5 m bertambah panjang 0,5 mm. berapa pertambahan panjang batang baja yang mula-mula panjangnya 80 cm, bila dipanaskan dari 0 0 C menjadi 150 o C? M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 63 Created by MGMP Fisika 2015

12 2. Sebatang bola berongga terbuat dari besi (koefisien muai panjang 1,2 x 10-5 / o C) pada suhu 15 o C jari-jarinya 0,5 m. jika bola tersebut dipanaskan sampai 75 o C, maka pertambahan luas permukaan bola adalah m Pada suhu 10 o C volum tabung kaca 400 cm 3. Tabung diisi penuh air raksa. Volum air raksa yang tumpah jika dipanaskan sampai suhu 100 o C adalah cm 3. (jika koefisien muai panjang kaca 3 x 10-6 / o C dan koefisien muai volum air raksa 5,4 x 10-4 / o C Perambatan Kalor Kalor dapat berpindah dari tempat atau benda yang suhunya tinggi ke tempat atau benda yang bersuhu rendah. Ada tiga cara perpindahan kalor yang diketahui yaitu: cara konduksi (hantaran), cara konveksi (aliran), cara radiasi (pancaran). Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel Laju konduksi kalor yang melalui sebuah dinding bergantung pada 4 besaran, yaitu: a. Suhu, jika perbedaan suhu diantara kedua permukaan makin besar, maka perpindahan kalor makin cepat. b. Ketebalan dinding (d), makin tebal dinding, maka perpindahan kalor semakin cepat c. Luas permukaan (A), makin besar luas permukaan, maka perpindahan kalor makin cepat d. Konduktivitas termal zat (k) merupakan ukuran kemampuan untuk zat menghantarkan kalor, makin besar nilai k, maka perpindahan kalor makin besar. Secara matematika: H = dengan: H = jumlah kalor yang merambat tiap satuan waktu/ laju aliran kalor (J/s) Q = jumlah kalor yang mengalir (J) t = selang waktu (s) k = koefisien konduksi termal (W/mK) A = luas penampang (m 2 ) T =suhu ( o C) d = panjang batang/ tebal dinding (m) M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 64 Created by MGMP Fisika 2015

13 Konveksi adalah proses perpindahan kalor yang dilakukan oleh pergerakan fluida akibat perbedaan massa jenis. Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energy kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Ada 2 jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah (terjadinya angin laut dan darat) dan konveksi buatan (kipas angin, hairdryer, dll). Secara matematis: H = dengan: h = koefisien konveksi termal (W/m 2 K) Contohnya perpindahan kalor dari matahari ke permukaan bumi dan sel surya, yaitu lempengan yang merubah cahaya matahari jadi listrik. Setiap benda mampu menyerap panas yang dipancarkan secara radiasi. Namun ternyata warna benda berpengaruh dalam penyerapan panas. Benda yang berwarna putih lebih cenderung memantulkan panas, sedangkan benda berwarna hitam akan mudah menyerap panas. Kemudian kehitaman sebuah benda dinyatakan dengan istilah emisivitas bahan (e). yaitu seberapa hitam sebuah benda menyerap panas radiasi. Laju energy radiasi yang dipancarkan oleh setiap benda, menurut Stefan- Boltzman, dirumuskan sebagai berikut bahwa Laju kalor : Dibaca: Pak Stefan elek Abang TanTe TuTik dengan: e = 1 (emisivitas benda/ sifat hitam benda) = 5,67 x 10-8 W/m 2 K 4 (konstanta Stevan) A = luas permukaan benda (m 2 ) = perubahan suhu (K 4 ) Contoh Soal Sebuah benda memiliki tebal 2 mm. jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 100 o C dan diukur laju aliran kalor per satuan luas 8 kw/m 2. Maka konduktivitas termal logam adalah k = 0,16 W/mK 2. Sebuah gas berada di dalam ruang. Jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 100 o C dan diukur laju aliran kalor per satuan volume 8 kw/m 3. Maka koefisien konveksi gas adalah k = 80 W/mK 3. Sebuah benda hitam sempurna mempunyai luas permukaan 1000 cm 2 dengan suhu 727 o C. maka energy yang dipancarkan dalam satu menit adalah E = P. t = E = (5, ) (1) ( ) ( ) 4 = 5.670J M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 65 Created by MGMP Fisika 2015

14 4. Suhu kulit seorang kira-kira 32 o C. jika orang yang luas permukaan tubuhnya kira-kira 1,6 m 2 berada dalam ruang yang suhunya 22 o C, maka kalor yang dilepaskan tubuh orang itu melalui konveksi selama 5 menit adalah (h=77 W/m 2 K) = J 5. Kawat lampu pijar yan luasnya 50 mm 2 meradiasikan energy dengan laju 2,835 W. jika kawat pijar dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna, maka suhu permukaannya adalah T = 1000 K Latihan Soal Sebuah benda memiliki tebal 1 mm. jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 120 o C dan diukur laju aliran kalor per satuan luas 10 kw/m 2. Maka konduktivitas termal logam adalah 2. Sebuah gas berada di dalam ruang. Jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 130 o C dan diukur laju aliran kalor per satuan volume 10 kw/m 3. Maka koefisien konveksi gas adalah 3. Sebuah benda hitam sempurna mempunyai luas permukaan 500 cm 2 dengan suhu 45 o C. maka energy yang dipancarkan dalam setengah menit adalah 4. Suhu kulit seorang kira-kira 32 o C. jika orang yang luas permukaan tubuhnya kira-kira 1,2 m 2 berada dalam ruang yang suhunya 32 o C, maka kalor yang dilepaskan tubuh orang itu melalui konveksi selama 10 menit adalah (h=77 W/m 2 K) 5. Kawat lampu pijar yan luasnya 150 mm 2 meradiasikan energy dengan laju 2,835 W. jika kawat pijar dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna, maka suhu permukaannya adalah M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 66 Created by MGMP Fisika 2015

15 UJI KOMPETENSI SUHU DAN KALOR 1. Berikut ini pernyataan-pernyataan tentang suhu dan termometer. 1) Suhu adalah derajat panas atau dinginnya suatu tempat atau benda. 2) Alat yang digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer. 3) Termometer dibuat dengan memanfaatkan sifat termometrik zat. 4) Indera peraba kita dapat mengukur suhu suatu tempat atau benda. Pernyataan tersebut yang tidak benar adalah... a. 1,2 dan 3 c. 2 dan 4 b. 1 dan 3 d. 4 saja e. Semua benar 2. Berikut ini adalah pengertian kalor: 1) Benda yang menerima kalor, maka suhu benda akan naik atau wujudnya berubah. 2) Benda yang melepaskan kalor, maka suhu benda akan turun atau wujudnya berubah. 3) Kalor berpindah dari suhu yang lebih rendah ke suhu yang lebih tinggi. Pernyataan-pernyataan tersebut yang tidak benar adalah... a. 1 dan 2 c. 2 dan 4 b. 1 dan 3 d. 3 saja e. Semua benar 3. Perhatikan pernyataan Berikut ini: 1. pemuaian zat padat 3. Tekanan zat cair 2. radiasi benda 4. perubahan wujud Pernyataan-pernyataan tersebut yang merupakan sifat termometrik bahan adalah... a. 1, 2 dan 3 c. 3 dan 4 b. 1, 2 dan 4 d. 4 saja e. Semua benar 4. Sifat logam yang memuai jika dipanaskan merupakan prinsif kerja termometer.. a. Bimetal c. pyrometer b. hambatan d. termokopel e. gas 5. Termometer Celcius dan Fahrenheit menunjukkan skala yang sama pada suhu.. a. 0 o b. -40 o c. -23,6 o d. 17,7 o e. 32 o 8.3 Melakukan perhitungan yang berkaitan dengan suhu dan kalor 6. Pada suatu termometer X, titik beku air 40 o X dan titik didih air 240 o X. bila suatu benda diukur dengan termometer Celcius bersuhu 50 o C, maka bila diukur dengan termometer X, suhunya sama dengan.. o X a. 80 b. 100 c. 120 d. 140 e Enam puluh dua derajat Fahrenheit sama dengan o C a. 16,7 b. 22,2 c. 34,4 d. 52,2 e. 54,0 8. Sebatang baja (angka muai linear 10-5 / o C) panjangnya 100,0 cm pada suhu 30 o C. Bila Panjang batang baja itu 100,1 cm, maka suhunya adalah.. K a. 343 b. 373 c. 403 d e Sepotong logam massanya 1 kg dan suhunya 80 o C dimasukkan ke dalam 2 kg air yang suhunya 20 o C. Setelah keadaan seimbang suhu campuran menjadi 23 C. Bila kalor jenis air 1 kal/g C, maka kalor jenis logam adalah.. kal/g C a. 1,05 b. 0,105 c. 1,105 d. 2,051 e. 2, Memahami konsep suhu dan kalor M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 67 Created by MGMP Fisika 2015

16 10. Satu kilogram es suhunya -2 C. Bila titik lebur es = 0 C, kalor jenis es = 0,5 kal/g C, kalor jenis air = 1 kal/g C, kalor lebur es = 80 kal/g, dan 1 kal = 4,2 joule, maka kalor yang diperlukan untuk meleburkan seluruh es tersebut adalah..j a. 2,856 x 10 5 c. 3,402 x 10 5 b. 3,15 x 10 5 d. 3,69 x 10 5 e. 3,78 x Mengenal cara perpindahan kalor 11. Perpindahan kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel zat pengantarnya adalah pengertian dari.. a. Konduksi c. radiasi b. konveksi d. pemuaian e. konduktivitas 12. Yang merupakan contoh dari perpindahan kalor secara konduksi adalah. a. Pancaran sinar matahari b. Panasnya tutup panci saat mendidihkan air c. Pengeringan teh atau kopi dalam oven d. Pemakaian cerobong asap e. Panasnya sendok pada saat mengaduk teh panas 13. Prinsif kerja pada lemari pendingin adalah perpindahan kalor secara. a. Absorpsi c. radiasi b. evaporasi d. konduksi e. konveksi 14. Kalor yang mengalir per satuan waktu melalui suatu konduktor adalah.. 1. Sebanding dengan luas penampang konduktor 2. Sebanding dengan selisih suhu antara kedua ujungnya 3. Berbanding terbalik dengan panjang konduktor 4. Tergantung pada macam konduktor Pernyataan-pernyataan tersebut yang benar adalah.. a. (1), (2) dan (3) c. (2) dan (4) b. (1) dan (3) d. (4) saja e. semua benar 15. Batang baja dan kuningan yang luas penampang dan panjangnya sama, salah satu ujungnya dihubungkan. Suju ujung batang baja yang bebas 250 o C, sedangkan suhu ujung batang kuningan yang bebas 100 o C. jika koefisien konduksi kalor baja dan kuningan masing-masing 0,12 dan 0,24 kal/s cm, maka suhu pada titik hubung kedua batang tersebut adalah o C a. 225 b. 200 c. 175 d. 150 e. 125 M o d u l F I S I K A k e l a s X S e m e s t e r 2 u n t u k S M K 68 Created by MGMP Fisika 2015