Termometri dan Kalorimetri 1
Termometri adalah cara penentuan temperatur/suhu Kalorimetri/Kalorimeter cara penentuan jumlah panas Hygrometri/Hygrometer cara penentuan kelembaban udara Suhu adalah ukuran derajat panas atau dingin suatu benda. Alat yang digunakan untuk mengukur suhu disebut termometer. Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya. 2
Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah panas baik yang diserap maupun dilepaskan oleh suatu benda Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu adalah ukuran dalam satuan derajat panas Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancis yang bernama Antonnie laurent lavoiser (1743-1794). Kalor memiliki satuan Kalori (kal) dan Kilokalori (Kkal). 1 Kal sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 gram air naik 1 derajat celcius. 3
Sifat termometrik zat adalah sifat-sifat zat yang berubah ketika suhunya berubah. Sifat-sifat tersebut antara lain : warna, volume, tekanan, dan daya hantar listrik Untuk mengukur suhu suatu benda digunakan termometer Jenis zat cair yang paling banyak dipakai untuk mengisi tabung termometer adalah raksa. Kelebihan raksa dibanding zat cair lainnya antara lain : 1. Keseimbangan termal terhadap zat yang akan diukur lebih cepat. 2. Memiliki titik beku rendah, yaitu 39 o C dan titik didih tinggi, yaitu 357 o C 3. Memiliki kenaikan volume yang teratur pada saat terjadi perubahan suhu. 4. Mudah dilihat karena raksa mengkilat 4
SKALA SUHU 100 212 80 373 C 0 F 32 R 0 K 273 5
Skala Kelvin (simbol: K) adalah skala suhu di mana nol absolut didefinisikan sebagai 0 K. Satuan untuk skala Kelvin adalah kelvin (lambang K), dan merupakan salah satu dari tujuh unit dasar SI. Satuan kelvin didefinisikan oleh dua fakta: nol kelvin adalah nol absolut (ketika gerakan molekuler berhenti), dan satu kelvin adalah pecahan 1/273,16 dari suhu termodinamik triple point air (0,01 C). Rumus konversi suhu kelvin Konversi dari ke Rumus Kelvin Fahrenheit F = K 1,8 459,67 Fahrenheit kelvin K = ( F + 459,67) / 1,8 kelvin Celsius C = K 273,15 Celsius kelvin K = C + 273,15 6
Satuan dasar untuk suhu (temperature) pada sistem Inggris didefinisikan sebagai Rankin. Antara derajat Fahrenheit ( o F) dan Rankin mempunyai hubungan yaitu 0 R = -460 o F. Derajat suhu mutlak (temperature absolut) yaitu Rankin, karena tidak mungkin ada suhu lebih dingin daripada 0 R. 7
Penetapan skala 1. Termometer Celcius Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 100. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 100 skala. 2. Termometer Reamur Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala. 3. Termometer Fahrenheit Titik lebur es diberi angka 32, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 180 skala. 4. Termometer Kelvin Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala. Perbandingan pembagian skala C, R, dan F C : R : F = 100 skala : 80 skala : 180 skala atau C : R : F = 5 : 4 : 9 8
Suhu dalam skala derajat Celcius menunjukkan angka 30 o C. Berapakah angka yang ditunjukkan dalam skala derajat : Reamur? Fahrenheit? Kelvin? a. Hubungan antara C dengan R C : R = 5 : 4 c. Hubungan antara C dan F C : (F-32) = 4 : 9 b. Hubungan antara R dengan F R : (F-32) = 5 : 9 d. Hubungan antara C dengan K 9
Pemuaian Pemuaian adalah volume suatu benda yang bertambah luas, panjang atau lebar karena terkena panas. Pemuaian tiap-tiap benda berbeda, tergantung suhu di sekitar dan koefisien muai atau daya muai benda tersebut. Benda tersebut akan mengalami : a. Muai panjang apabila benda itu hanya memiliki ukuran panjang saja, b. Muai luas terjadi pada benda apabila benda itu memiliki ukuran panjang & lebar, c. Muai volume terjadi apabila benda itu memiliki ukuran panjang, lebar, & tinggi. Jadi pemuaian adalah suatu pertambahan panjang dan lebar suatu benda yang disebabkan oleh kalor (panas). 10
Pemuaian zat padat a. Pemuaian panjang Koefisien muai panjang ( ) didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang zat ( l), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T) l = pertambahan panjang (m) l o = panjang mula-mula (m) l T = panjang akhir (m) T = suhu akhir suhu awal ( o C / K) = koefisien muai panjang ( o C -1 / K -1 ) 11
b. Pemuaian luas Koefisien muai luas suatu zat ( ) adalah perbandingan antara pertambahan luas zat ( A) dengan luas semula (Ao), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T). Dimana : A o = luas mula-mula (m 2 ) A T = luas setelah dipanaskan (m 2 ) T = kenaikan suhu ( o C -1 atau K -1 ) 12
c. Pemuaian volume Koefisien muai volume suatu zat ( ) adalah perbandingan antara pertambahan volume ( V) dengan volume semula (Vo), untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T). Dimana : V = pertambahan volume zat (m 3 ) V o = volume mula-mula VT = volume setelah dipanaskan T = kenaikan suhu ( o C/K) = koefisien muai volume ( o C -1 /K -1 ) 13
Tabel. Koefisien berbagai jenis bahan 14
Contoh soal: Batang alumunium yang panjangnya 4 m, naik suhunya dari 27 o C menjadi 72 o C. Jika koefisien muai panjang aluminium = 24x10-6 ( o C) -1, hitunglah : Pertambahan panjang alumunium Penyelesaian : l o = 4 m T = 72 o C 27 o C = 45 o C = 24 x 10-6 ( o C) -1 l =. l o. T 15
Contoh soal : Kaca jendela rumah pada suhu 25 o C luasnya 1 m 3. Berapa luas kaca tersebut setelah suhunya naik 45 o C karena sinar matahari? (koefisien muai panjang kaca = 9 x 10-6 ( o C) -1 ) Penyelesaian : = 2 = 2 (9.10-6 ) =18 x 10-6 ( o C) -1 A =. A o. T = (18. 10-6 ) (1) (20) = 360 x 10-6 = 0,00036 m 2 A o = 1 m 3 T = 45 25 = 20 o C AT = A o (1 +. T) = 1 + 0,00036 = 1,00036 m 2 16
Contoh soal : Sebuah bola baja ( = 11 x 10-6 ( o C) -1 ) pada suhu 25 o C diameternya 2 cm. Berapakah volume bola tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 100 o C? Penyelesaian : R = ½ d = ½. 2 = 1cm V o = 4/3 R 3 = 4/3 (3,14) (1) 3 = 4,186667 cm 3 T = 100-25 = 75 o C = 3 =3(11 x10-6 ) = 33 x10-6 ( o C) -1 VT = V o (1 + T) =? 17
Kalor Kalor merupakan salah satu bentuk energi, berarti kalor merupakan suatu besaran fisika yang dapat diukur. Alat yang digunakan untuk mengukur kalor disebut kalorimeter. Satu kalori didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga suhunya naik 1 o C Kalor jenis dan Kapasitas kalor Kalor jenis suatu zat didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk menaikkan atau menurunkan suhu satu satuan massa zat itu sebesar satu satuan suhu. Dimana : Q = kalor (J atau kal) m = massa benda (kg atau gram) T = perubahan suhu (K atau o C) c = kalor jenis (J/kg.K atau kal/gram o C) 18
Kapasitas kalor dapat didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk mengubah suhu benda sebesar satu satuan suhu. Dimana : C = kapasitas kalor (J/K) Q = kalor (J atau kal) T = perubahan suhu (K atau oc) Contoh soal : Sepotong tembaga yang massanya 5 kg dinaikkan suhunya sebesar 10 K dengan menggunakan pemanas listrik berdaya 0,1 kw. Ternyata untuk itu diperlukan waktu 20 detik. Anggap bahwa efisiensi pemanas 100%. a. Berapakah kalor jenis tembaga menurut hasil percobaan ini? b. Berapakah kapasitas kalor tembaga itu? 19
Penyelesaian : Energi kalor yang dihasilkan pemanas adalah : Q = W = P. t = 100. 20 = 2000 joule a. Kalor jenis tembaga : m = 5 kg T = 10 K P = 0,1 kw = 100 W t = 20 s b. Kapasitas kalor 5 kg tembaga = 200 J/K 20
Pemuaian Zat cair dan Gas Secara umum pada pemuaian zat cair dan gas berlaku : Koefisien muai volume untuk gas pada tekanan tetap besarnya : Jadi secara khusus untuk pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku : 21
Perubahan Fasa (Perubahan wujud) Zat dapat berbentuk padat, cair atau gas. Ketika terjadi perubahan fasa, sejumlah kalor dilepas atau diserap suatu zat, yaitu : Q = m. L Dimana : Q = kalor (joule atau kalori) m = massa zat (kg atau gram) L = kalor laten (J/kg atau kal/gram) Kalor laten adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari satu wujud ke wujud lainnya. 22
Beberap macam perubahan wujud dapat dilihat pada diagram di bawah ini : GAS menyublim disposisi mengembun menguap PADAT membeku mencair CAIR 23
Misalkan, Besar kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 gram es -50 o C menjadi 1 gram uap 150 o C, diketahui : Kalor jenis es = 0,5 kal/g o C kalor jenis air = 1 kal/g o C kalor lebur es = 80 kal/g kalor didih air = 540 kal/g Pembahasan m = 1 gram T o = - 50 o C T a = 150 o C c es = 0,5 kal/g o C c air = 1 kal/g o C L l = 80 kal/g L d = 540 kal/g Q terima =? Peristiwa yang dialami es dapat digambarkan dengan diagram kalor seperti gambar di bawah ini : 24
Kalor yang diterima es adalah : Q terima = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 Q 1 = m.c es. T 1 Q 2 = m. L 1 Q 3 = m.c air. T 3 Q 4 = m.l d Q 5 = m.c air. T 6 Q terima = 795 kal 25