A. Suhu dan Pemuaian B. Kalor dan Perubahan Wujud C

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 (-40o Celcius ) akan berbentuk sebagai es yang berwujud
padat, sedangkan pada suhu 0o 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 100o 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 -40o
Celcius
hingga
menjadi
uap
air
pada
suhu
120o
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
= luas penampang benda yang digunakan sebagai penghantar dengan satuan
dalam meter persegi (m^2)
∆T
= perbedaan suhu antar ujung batang dengan satuan dalam derajat celcius
l
= 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 . (T4)
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.