A. Suhu dan Pemuaian B. Kalor dan Perubahan Wujud C. Perpindahan Kalor A. Suhu Kata suhu sering diartikan sebagai suatu besaran yang menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Seperti besaran lainnya, kita dapat mengukur besaran suhu ini dengan menggunakan alat ukur yang bernama termometer, suatu alat yang dinyatakan dengan angka tertentu yang berfungsi sebagai skala pengukuran suhu. Dewasa ini, telah dikenal berbagai jenis ragam skala untuk pengukuran suhu, yaitu: 1. Skala Celcius. Ditemukan pertama kali oleh Anders Celcius pada tahun 1742. Titik lebur: 0 derajat Titik didih: 100 derajat Jumlah skala: 100 2. Skala Reaumur Ditemukan pertama kali oleh Rene Antoine Ferchault de Reaumur pada tahun 1731. Titik lebur: 0 derajat Titik didih: 80 derajat Jumlah skala: 80 3. Skala Fahrenheit Ditemukan pertama kali oleh Daniel Gabriel Fahrenheit pada tahun 1744
Titik lebur: 32 derajat Titik didih: 212 derajat Jumlah skala: 180 4. Skala Kelvin Ditemukan pertama kali oleh Lord Kelvin pada tahun 1848. Titik lebur: 273 derajat Titik didih: 373 derajat Jumlah skala: 100 Perbandingan skala antara termometer Celcius, Reaumur, dan Fahrenheit adalah: C : R : F = 5 : 4 : 9 Dengan memperhatikan titik tetap bawah dari masing-masing skala diatas, maka hubungan dari skala-skala tersebut adalah: Konversi Skala Celcius dan skala Kelvin adalah: = + 273
B. Pemuaian Pada umumnya, Sebagian besar zat akan memuai bila dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan. Bila suatu zat dipanaskan (suhunya dinaikkan) maka molekul molekulnya akan bergetar lebih cepat dan amplitudo getaran akan bertambah besar, akibatnya jarak antara molekul benda menjadi lebih besar dan terjadilah pemuaian. Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda akibat kenaikan suhu zat tersebut. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair, dan gas. Besarnya pemuaian zat sangat tergantung ukuran benda semula, kenaikan suhu dan jenis zat. Efek pemuaian zat sangat bermanfaat dalam pengembangan berbagai teknologi. Berikut ini jenis-jenis pemuaian: 1. Pemuaian Panjang Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda. Gambar: Muschenbroek Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan:
2. Pemuaian Luas Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang. Gambar: muai luas Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah:
Pemuaian luas dapat kita amati pada jendela kaca rumah. Pada saat udara dingin kaca menyusut karena koefisien muai kaca lebih besar daripada koefisien muai kayu. Jika suhu memanas maka kaca akan memuai lebih besar daripada kayu kusen sehingga kaca akan terlihat terpasang dengan sangat rapat pada kusen kayu. 3. Pemuaian Volume Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P, lebar L, dan tinggi h dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar
C. Pengertian kalor Kalor adalah suatu bentuk energy yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan benda itu berubah,suhu wujud bentuk. Kalor berasal dari kata calonc, ditemukan oleh ahli kimia prancis bernama Anntonie 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,sehingga naik 10C. Kalor juga merpukan energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor : 1. Massa zat 2. Jenis zat 3. Perubahan suhu Sehingga secara matematis dapat dirumuskan : Q = m.c.(t2 t1) Dimana: Q adalah kalor yang dibutuhkan (J) M adalah massa benda (kg) C adalah kalor jenis (J/kgC) (t2-t1) adalah perubahan suhu (C) Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis : Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.u dan Q = m.l. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)
Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c) Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius. H = Q/(t2-t1) Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter. c = Q/m.(t2-t1) Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru H = m.c Pengaruh kalor terhadap perubahan suhu benda Kalor merupakan salah satu bentuk energi. Besarnya kalor suatu zat menunjukkan berapa besar energi kinetik dari partikel-partikel penyusunnya. Kalor mempunyai satuan Joule (SI) atau kalori. Pengaruh kalor terhadap suatu benda selain akan meningkatkan suhu suatu benda bisa mengakibatkan terjadinya perubahan wujud zat. Perubahan Wujud Zat 1 kalori = 4,2 joule Kalor dapat mengubah wujud benda dan dapat mengubah suhu benda. Pengaruh Kalor Terhadap Perubahan Suhu Benda Besarnya kalor (Q) yang diberikan pada sebuah benda sebanding dengan kenaikan suhu benda itu (Δt). Dapat dituliskan: Keterangan: Q = kalor (joule)
Δt = perubahan suhu (K) atau ( C) Semakin lama pemanasan berarti kalor yang diterima air semakin besar dan suhu air semakin tinggi Hubungan Kalor dan Massa Benda Jumlah kalor (Q) yang diserap benda untuk menaikkan suhu yang sama adalah sebanding dengan massa benda itu. Dapat dituliskan: Keterangan: Q = kalor (joule) m = massa zat (kg) Hubungan Kalor dan Jenis Zat Untuk menaikkan suhu yang sama, jumlah massa zat sama, tetapi jenis zat berbeda membutuhkan kalor yang berbeda pula. Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu bergantung pada jenis zat. Dapat dituliskan: Keterangan: Q = kalor (joule) c = kalor jenis zat (j/kg C) Kalor Jenis Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk menaikkan suhunya sebesar 1 C. Kalor yang dilepas / diterima oleh zat ketika berubah suhunya, tergantung pada: massa zat, jenis zat, dan perubahan suhu.
Dapat dirumuskan:.. Keterangan: Q = kalor (joule) m = massa zat (kg) c = kalor jenis zat (j/kg C) Δt = perubahan suhu (K) atau ( C) Pengaruh Kalor Terhadap Perubahan Wujud Benda Benda Cair Menjadi Uap Kalor untuk mengubah wujud benda dari cair menjadi uap tergantung pada: massa zat dan kalor uap zat. Dapat dituliskan: =. Keterangan: Q = kalor (joule) m = massa zat (kg)
U = kalor uap (j/kg) Kalor didih atau kalor uap adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk mengubah dari wujud cair menjadi wujud gas pada titik didihnya. Benda Padat Menjadi Cair Kalor untuk mengubah wujud benda dari padat menjadi cair tergantung pada: massa zat dan kalor lebur zat, dapat dituliskan: =. Keterangan: Q = kalor (joule) m = massa zat (kg) L = kalor lebur (j/kg) Kalor lebur adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk mengubah dari wujud padat menjadi cair pada titik leburnya. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa energi kalor dapat mengubah wujud suatu benda, dalam hal ini saya akan menggunakan air sebagai contohnya. Air dalam suhu yang amat rendah (-40 o Celcius ) akan berbentuk sebagai es yang berwujud padat, sedangkan pada suhu 0 o Celcius air akan mengalami perubahan wujud dari padat ( es ) menjadi cair. Suhu air akan terus mengalami kenaikan ketika dipanaskan, yang pada akhirnya hinga di titik 100 o Celcius akan mengalami perubahan wujud dari cair menjadi gas ( uap air ).
Untuk lebih jelasnya silahkan lihat gambar dibawah : Gambar diatas menunjukkan grafik perubahan wujud air mulai dari fase es pada suhu -40 o Celcius hingga menjadi uap air pada suhu 120 o Celcius. Perhatikan grafik yang diberi warna merah dan hijau!! Hal ini dimaksudkan untuk membedakan antara fase dimana air mengalami kenaikan suhu dan fase dimana air mengalami perubahan wujud. Pelu diingat bahwa : Ketika air mengalami perubahan wujud maka air TIDAK mengalami perubahan suhu. Sedangkan, ketika air mengalami perubahan suhu maka air TIDAK mengalami perubahan wujud. AZAS BLACK Jika benda bersuhu tinggi dicampur dengan benda bersuhu rendah maka benda yang bersuhu tinggi akan melepas kalor dan benda yang bersuhu rendah menerima kalor. Jumlah kalor yang dilepas oleh benda bersuhu tinggi sama dengan jumlah kalor yang diterima benda yang bersuhu rendah. Atau dapat dituliskan: Besar kalor lepas = Besar kalor terima
Qlepas = Qterima Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh : Qlepas = Qterima m1.c1.(t1 ta) = m2.c2.(ta-t2) Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asasa Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1 ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan. D. Perpindahan Kalor Kalor juga dapat berpindah dari satu tempat ke tempat yang lain. Proses inilah yang disebut perpindahan kalor/ panas/ energi. Ada tiga jenis perpindahan kalor, yaitu: (1) konduksi, (2) konveksi, dan (3) radiasi. Pastinya di kelas X, teman-teman sudah paham, karena sudah dibelajarkan di tingkat sekolah dasar maupun sekolah menengah pertama. Namun, ditingkat sekolah menengah atas, teman-teman diminta untuk dapat menghitung nominal kalor yang pindah (menganalisis perpindahan kalor) serta menyebutkan contohcontoh proses tersebut pada kehidupan sehari-hari. Konsep ini sangatlah penting untuk kita ketahui, karena peristiwanya yang banyak terjadi di sekita kita. Bahkan, bagi teman-teman yang kreatif dapat menggunakan konsep-konsep fisika sederhana untuk meyelesaikan permasalahan sains yang ada disekitarnya khususnya kalor. Keterampilan ini disebut juga keterampilan literasi sains. Supaya lebih paham, mari kita simak pembahasannya berikut!
1. Konduksi Pembahasan yang pertama dalam perpindahan kalor adalah konduksi. Konduksi merupakan perpindahan kalor dimana partikel-partikel zat tidak ikut berpindah, biasanya terjadi pada benda padat. Namun,untuk beberapa kasus (nanti kita akan mengenal) ada juga benda gas dan benda cair yang mengalami proses konduksi. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju perpindahan kalor adalah: a. koefisisen konduktivitas termal b. panjang stik/ batang c. luas penampang d. perbedaan suhu antar ujung batang Secara matematis faktor-faktor di atas dirumuskan menjadi: H= Q / t = (k x A x T) / l Dengan keterangan sebagai berikut: H = laju perpindahan kalor secara konduksi dengan satuan dalam joule/s Q = jumlah kalor yang dipindahkan dengan satuan dalam joule t = lamanya waktu dipindahkannya kalor dengan satuan dalam sekon k = koefisien konduktivitas termal dari benda/ zat dalam satuan joule /(sekon meter celcius)
A T l = luas penampang benda yang digunakan sebagai penghantar dengan satuan dalam meter persegi (m^2) = perbedaan suhu antar ujung batang dengan satuan dalam derajat celcius = panjang stik/ batang penghantar dengan satuan dalam meter Hubungan antara tiap faktor dapat ditunjukkan melalui persamaan di atas. Laju konduktivitas akan bernilai besar (cepat) apabila benda yang dipanasi memiliki nilai koefisien konduktivitas yang besar, penampang yang luas dan perbedaan suhu yang besar pula, tetapi dengan panjang yang kecil. Hal yang sebaliknya berlaku pula untuk laju konduktivitas yang kecil. Contoh konduksi dalam kehidupan sehari-hari adalah: panci yang digunakan terbuat dari logam aluminium karena memiliki konuktivitas termal yang besar. Berdasarkan tabel dapat diketahui nilai konduktivitas termal dari aluminium adalah 5 x (10 ^-2) kkal/(s m C). Angka tersebut menunjukkan bahwa tiap kenaikan 1 derajat celcius sebatang aluminium dengan panjang 1 meter akan menghantarkan kalor sebesar 500 kal tiap detiknya. Angka tersebut setara dengan 5 kalori untuk aluminium sepanjang 1 cm. Apalagi ditambah dengan sifat aluminum yang susah teroksidasi sehingga susah berkarat. Nilai, konduktivitas ini juga memiliki arti bahwa benda tersebut cepat kembali untuk dingin sesuai dengan penurunan suhunya. 2. Konveksi Konveksi merupakan proses perpindahan kalor yang disertai dengan proses perpindahan partikelnya. Perpindahan kalor seperti ini biasanya terjadi pada benda cair dan benda gas. Beberapa hal yang mempengaruhi kecepatan perpindahan kalor secara konveksi adalah sebagai berikut: a. koefisien konveksi zat b. luas penampang zat yang dipanasi c. perbedaan suhu dari dari tempat benda dipanasi dengan tempat yang ditentukan Faktor-faktor tersebut kemudian dirumuskan secara matematis menjadi: H= Q / t = h x A x T
Keterangan: H = dalam hal ini adalah laju konvektivitas termal dengan satuan joule / sekon h = adalah koefisien konveksi dari zat yang digunakan sebagai perantara joule / (sekon x (meter^2)) T =adalah perbedaan suhu dari tempat yang dipanasi dengan tempat yang ditentukan Berdasarkan pernyataan matematika di atas maka laju konveksi suatu fluida akan meningkat jika nilai dari koefisien konveksi, luas permukaan benda yang dipanasi dan perubahan/perbedaan suhunya. Jika konduktivitas dipengaruhi oleh luas dan panjang benda maka pada konveksivitas termal faktor yang berpengaruh hanyalah luasan saja. Ibarat memanaskan air, semakin luas pancinya maka air yang dimasak akan semakin cepat panas. Jika semakin tepis maka akan semakin cepat panas pula. Hal ini dikarenakan semakin besar luasannya maka jumlah partikel yang dipanasi akan semakin banyak pula. Contoh peristiwa konveksi sangat banyak ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, contohnya yaitu: 1) terjadinya angin, angin laut, angin darat, angin gunung, angin lembah, saat memasah air, dan bahkan perpindahan panas bumi pada lapisan asteonosfer terjadi secara konveksi karena terdiri dari batuan cair. 3. Radiasi Perpindahan kalor yang ketiga adalah radiasi. Radiasi merupakan perpindahan kalor melalui pancaran. Karena sifatnya seperti cahaya maka perpindahan kalor dengan cara radiasi dapat dikurangi dengan cara memberikan benda yang dapat memantulkan gelombang elektromagnetnya, misalnya cermin. Cermin hanya efektif untuk memantulkan energi dari cahaya tampak. Cermin juga biasa digunakan dalam termos air sebagai reflektornya. Faktor-faktor yang mempengaruhi daya radiasi suatu bahan adalah: a. koefisien emisivitas b. suhu benda c. luas peanampang dari sumber secara matematis, faktor-faktor tersebut dirumuskan menjadi: P = e. σ. A. (T 4 )
Keterangan: P = daya dari sumber dengan satuan watt e = koefisien emisivitas bahan yang tidak memiliki satuan σ = konstanta sephan bolzman dengan satuan watt / (meter persegi x Kelvin) A = luas penampang dari sumber dengan satuan meter persegi (m^2) T = suhu dengan satuan Kelvin (K) Radiasi dari suatu pemancar panas akan besar jika benda tersebut memiliki nilai e (koefisien emisivitas), luas permukaan dan suhu yang besar. Kenaikan dari nilai emisivitas radiasinya memiliki nilai yang sama dengan penurunannya. Boleh dikatakan dalam bahasa yang lain emisi sama dengan absopsi. Nilai yang dipancarkan sama dengan nilai yang diserap oleh benda yang menerima. Contoh radiasi pada kehidupan sehari-hari adalah perpindahan panas matahari ke bumi, panas dari api unggun, bolam lampu, dan sebagainya. Ada satu alat yang menggunakan prinsip yang berusaha mencegah ketiga perpindahan kalor tersebut, yaitu termos air. Termos air dikembangkan dengan tujuan untuk menjaga suhu air agar tidak berubah secara drastic. Teman-teman yang punya termos bisa membukanya untuk melihat-lihat dan membedakan manakah yang merupakan prinsip konduksi, konveksi dan radiasi.