Suhu dan Kalor

A. SUHU DAN PEMUAIAN

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. Dengan 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:

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:

Pemuaian Zat Padat

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. Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan:

2. Pemuaian Luas

Pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang. Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah: Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami

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

4. Pemuaian Zat Cair

Pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya.

Titik Tripel Pemuaian Zat Cair

5. Pemuaian Gas

Terjadi pada saat gas tersebut dipanaskan, pemuaian pada gas ini terjadi pada semua jenis gas. Ban mobil meletus terjadi karena pemuaian udara atau gas di dalam ban. Pemuaian pada gas tersebut terjadi karena adanya kenaikan suhu udara di ban mobil akibat gesekan roda dengan aspal.

Besarnya koefisien muai untuk berbagai jenis gas adalah sama nilainya, yaitu sebesar 1/273 K

Pemuaian gas di bagi menjadi 3 bagian

1. Pemuaian gas pada suhu tetap (Isotermal)

Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku hukum Boyle, yaitu gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap. Dirumuskan sebagai

P V = tetap

atau

P₁ V₁ = P₂ V₂

Keterangan:

P = tekanan gas (atm)
V = volume gas (L)

2. Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap (Isobar)(Pengayaan)

Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku hukum Gay Lussac, yaitu gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai

Keterangan:

V = volume (L)
T = suhu (K)

3. Pemuaian gas pada volume tetap (proses isokorik)

pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac, yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan sebagai

Dengan menggabungkan hukum boyle dan hukum Gay Lussac diperoleh persamaan

Keterangan:

P = tekanan (atm)
V = volume (L)
T = suhu (K)

T = Suhu mutlak (K)

B. Hubungan Kalor dengan Suhu Benda dan Wujudnya

Kalor

Kalor didefinisikan sebagai 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 (kalor jenis)
3. Perubahan suhu

Kalor merupakan bentuk lain dari energi. Adapun sifat dari kalor diantaranya sebagai berikut:

1. Berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah
2. Benda pada saat menerima kalor suhunya mungkin naik atau tetap (pada saat perubahan fase)
3. Benda pada saat memberi kalor, suhunya turun atau mungkin tetap (pada saat perubahan fase)

Kalor jenis zat merupakan jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu satuan massa zat sebanyak 1°C. Adapun secara matematis dituliskan sebagai berikut:

c = Q / m.ΔT

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Grafik Perubahan Wujud Es

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 ⁰C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 ⁰C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

• Kapasitas Termal

Kapasitas termal merupakan jumlah kalor untuk menaikkan suhu 1°C dari sejumlah zat yang besarnya sama dengan massa air. Secara matematis dituliskan sebagai berikut:

C = m . c atau C = Q/(t2-t1)

Keterangan:

𝐶 = kapasitas termal (kal/°C)

• Perubahan Wujud

Zat pada saat menerima atau melepas kalor dapat berubah wujud. Selama perubahan wujud hanya massa dari zat yang tidak mengalamiperubahan.

Keterangan:

A = Perubahan wujud zat padat menjadi zat cair mencair

B = Perubahan wujud zat cair menjadi padat membeku

C = Perubahan wujud zat gas menjadi cair mengembun

D = Perubahan wujud zat cair menjadi gas menguap

E = Perubahan wujud zat gas menjadi padat menyublin/mengkristal

F = Perubahan wujud zat padat menjadi gas menyublin

Kalor laten merupakan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah wujud zat bukan untuk menaikan suhu. Contohnya pada proses B-C dan proses D-E.

 Secara matematis dituliskan sebagai berikut:

Q = m . L

Keterangan:

 L = kalor lebur (kal/gram atau J/kg)

C. ASAS BLACK

Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black. Asas ini menjabarkan:

Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yg panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama.

Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas.

Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan.

Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut:

“Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah” Secara umum rumus Asas Black adalah

Qlepas = Qterima

Keterangan:

Qlepas = jumlah kalor yang dilepas oleh zat

Qterima = jumlah kalor yang diterima oleh zat

Pada pencampuran antara dua zat, sesungguhnya terdapat kalor yang hilang ke lingkungan sekitar. Misalnya, wadah pencampuran akan menyerap kalor sebesar hasil kali antara massa, kalor jenis dan kenaikan suhu wadah dan rumus cepat di atas hanya berlaku untuk dua jenis zat cair yang sejenis (air dengan air) dan wadahnya dianggap tidak ikut menyerap.

D.PERPINDAHAN KALOR SECARA KONDUKSI, KONVEKSI, DAN RADIASI

Apabila benda panas disentuhkan dengan benda dingin, tak lama kemudian suhu benda panas turun, sedangkan pada suhu benda dingin naik. Hal ini terjadi karena benda panas memberikan kalor kepada benda dingin. Kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Ada tiga macam perpindahan kalor, yaitu :

1. Perpindahan kalor secara Konduksi

Konduksi merupakan  perpindahan kalor melalui zat padat. Perpindahan ini tidak diikuti dengan perpindahan partikel perantara. Berdasarkan kemampuan menghantar kalor, zat dibagi menjadi dua golongan besar, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor adalah  zat yang mudah menghantar kalor.Sedangkan  Isolator adalah zat yang sukar menghantar kalor. Banyaknya kalor Q yang melalui dinding selama selang waktu t, dinyatakan pada rumus berikut:

H = Q/t = k.A.ΔT/L

Q = (k.A.t) ΔT/L

Keterangan:

Q   = Kalor (J) atau (kal)

k    = Konduktivitas termal (W/mK)

A   = Luas penampang (m²)

∆T = Perubahan suhu (K)

L   = Panjang (m)

H  = Kalor yang merambat persatuan waktu (J/s atau Watt)

t   = waktu (sekon)

• Perpindahan kalor secara Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri. Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Pada konveksi alamiah, pergerakan fluida terjadi akibat perbedaan massa jenis. Adapun pada konveksi paksa, fluida yang telah dipanasi langsung diarahkan ke tujuannya oleh sebuah peniup (blower) atau pompa. Contoh konveksi paksa, antara lain sistem pendingin mobil dan pengering ram but (hairdryer).

Untuk Pemanfaatan konveksi terjadi pada cerobong asap, sistem suplai air panas, dan lemari es. Laju kalor Q/t sebuah panas memindahkan kalor ke fluida sekitarnya secara konveksi sebanding dengan luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida dan beda suhu di antara benda dan fluida. Hal ini dapat ditulis yaitu :

H = Q/t = h.A.ΔT⁴

Keterangan :

H = Laju Kalor (kal/s  atau J/s)

Dengan h merupakan  koefisien konveksi yang nilainya bergantung pada bentuk dan kedudukan permukaan, yaitu tegak, miring, mendatar, menghadap ke bawah, atau menghadap ke atas. Konveksi dalam kehidupan sehari-hari, antara lain terlihat pada peristiwa angin darat dan angin laut.

• Perpindahan kalor secara Radiasi

Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada tahun 1897, Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam sempurna. Dia menyatakan bahwa daya total itu sebanding dengan pangkatempatsuhu mutlaknya. Lima tahun kemudian Ludwig Boltzmann menurunkan hubungan yang sama. Persamaan yang didapat sama dari hubungan ini dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi “Energi yang dipancarkan oleh suhu permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T⁴)” dan ditulis sebagai berikut:

Q/t= σAT4⁴

dengan σ dikenal sebagai tetapan Stefan-Boltzmann yang mempunyai nilai 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4. Karena tidak semua benda dianggap sebagai benda hitam sempurna maka persamaan Stefan- Boltzman untuk benda dapat ditulis sebagai berikut:

Q/t = eσAT4⁴

Dengan e adalah koefisien yang disebut emisivitas, nilainya di antara 0 dan 1 serta bergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan. Untuk benda hitam sempurna,

 e =1

Penerapan peristiwa radiasi dalam kehidupan separi-hari, misalnya pada penghangat rumah, pengeringan kopi, pembakaran pada alat pemanggang (oven), dan rumah kaca.

1. Panel surya (solar panel) digunakan untuk menyerap dan memancarkan radiasi sinar matahari, desainnya pada bidang logam berongga yang diberi wama hitam. Energi kalor radiasi dimanfaatkan untuk memanaskan air.
2. Mobil-mobil tangki pengangkut minyak. Pada bagian atas tangki dicat dengan wama putih. Hal tersebut dimaksudkan guna menghindari penyerapan energi panas secara konveksi oleh minyak.
3. Penghangat rumah dijumpai pada daerah beriklim dingin. Gas bekas yang dihasilkan dari pembakaran mengalir ke atas melalui cerobong asap secara konveksi selama pembakaran berlangsung. Adapun energi kalor radiasi merambat ke segala arah dalam bentuk gelombang elektromagnetik sehingga tubuh kita akan terasa lebih hangat.
4. Rumah kaca adalah suatu bangunan khusus di mana dinding dan atapnya terbuat dari kaca. Bangunan ini dibuat untuk melindungi tanaman dari pengaruh abiotik yang merugikan, misalnya suhu yang terlalu panas atau dingin. Selain suhu, kelembapan udara juga dapat diatur. Rumah kaca dibangun untuk keperluan budi daya tanaman.

REFERENSI

Risdiyani,dkk. 2019. Fisika Untuk SMA / MA Peminatan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Yogyakarta: PT Intan Pariwara.

Rahmat, dkk. 2018. UN + USBN SMA / MA IPA 2018. Jakarta: Edu Penguin.

Suhu dan Kalor

https://fisikastudycenter.com/fisika-x-sma/6-suhu-dan-kalor