Panas (kalor) - Binus Repository

Matakuliah
Tahun
Versi
: K0252/Fisika Dasar I
: 200
: 0/2
Pertemuan 11(OFC)
SUHU DAN KALOR
1
Learning Outcomes
Pada akhir pertemuan ini, diharapkan mahasiswa
dapat :
• Menjelaskan konsep dasar sahu dan kalor :
macam-macam skala suhu, titik tripel,pemuaian,
kalor dan usaha → C2 (TIK - 9)
2
Outline Materi
• Materi 1
Pendahuluan
- Suhu/Kalor
- Standar Skala Suhu
• Materi 2
Pemuaian
-Tegangan Termal
• Materi 3
Peralihan Wujud
- Kapasitas Kalor
- Panas Laten
- Azas Black
• Materi 4
Kalor dan Usaha
- Proses Adiabatik/ Isoterem
- Proses Isobarik/Isovolum
3
ISI
• Pertemuan ini membahas mengenai konsep suhu
dan kalor. Beberapa pokok bahasan dalam
pertemuan ini meliputi suhu, peralatan pengukur
suhu, kalor, pemuaian, tegangan termal, peralihan
wujud, kalor dan usaha (disertai simulasi) dan
contoh-contoh soal
• Penggunaan ilmu ini mulai dari bidang teknik
sipil/arsitektur,
industri
baja/semen
perminyakan/petrokimia/chip dan lain-lain .
4
1. Pendahuluan.
Suhu dan kalor merupakan suatu fenomena yang
lain dalam bidang fisika. Kalau dalam mekanika
keadaan setimbang suatu sistem mekanik dapat
dinyatakan dalam besaran-besaran dasar seperti
panjang , massa dan waktu maka dalam
fenomena panas diperlukan besaran lain ; yaitu
panas atau kalor
• Suhu : menyatakan ukuran kuantitatif keadaan
panas dinginnya suatu benda
• Panas (kalor) : menyatakan ukuran energi
panas yang terdapat pada suatu benda karena
pengaruh perbedaan suhu
5
• Alat ukur suhu ( termometer)
Prinsip kerja termometer adalah berdasarkan
pada pemuaian atau panas yang dipancarkan
• Standar skala suhu :
Titik tripel air (273.16 0C)
Titik didih air (373.16 0C)
• Skala termometer :
Perbandingan skala termometer Kelvin , Celcius ,
Rankine dan Fahrenheit
0K
Titik uap
Titik beku
Titikmutlak
373
273
0
0
C
100
0
-273
0
R
672
492
0
0
F
212
32
-460
6
• Hubungan antara suhu Celsius (tC ) dengan
suhu Kelvin (TK)
tC = TK – 273.16
• Hubungan antara Rankin dengan Kelvin
TR
= 9 / 5 TK
• Hubungan antara Celsius dengan Fahrenheit
tC = 5 / 9 ( tF - 320 )
Kesetimbangan termal : beberapa buah sistem
yang berada dalam keadaan tingkat suhu yang
sama
7
2. Pemuaian:
Pemuaian adalah perubahan ukuran suatu benda
sebagai akibat adanya perubahan suhu.
Dikenal tiga macam pemuaian , yaitu : pemuaian
panjang , pemuaian bidang dan pemuaian volum.
• Pemuaian panjang , α = koefisien muai panjang
∆L = α L ∆T
...........(01a)
• Pemuaian bidang , β = koefisien muai luas
∆A = β A ∆T
, β = 2α
……...(01b)
• Pemuaian vol , γ = koefisien muai volum :
∆V = γ V ∆T
,
γ = 3α
………(01c)
8
- Tegangan termal :
...
Pada berbagai bangunan , terdapat bagian-bagian
....
tertentu yang dirancang secara khusus agar tidak
...
dapat memuai atupun menyusut dikala suhu beru....
bah.Karena ukuran bendanya tidak dapat berubah
........ maka dalam bahan akan terjadi tegangan yang
....
disebut tegangan termal .
....
Besarnya tegangan (σ) termal ini adalah :
σ (=F/A) = Y (∆L/L0 ) dengan ∆L = α L0 ∆T
atau σ = Y α ∆T
…………..(02)
Y = modulus Young , ∆T = kenaikan suhu
α = koefisien muai panjang
9
3. Peralihan wujud :
Titik tripel : titik (suhu) dimana terdapat tiga
macam wujud benda , yaitu : padat , cair dan gas
• Kalor : merupakan energi panas
• Satuan kalor : kalori
1 kalori = banyaknya energi panas yang diperlu
kan untuk menaikkan suhu 1 gram benda
sebesar 1 0C
I kal = 4.186 Joule atau 1 J = 0.24 kal
• Kapasitas kalor ,C dan kapasitas kalor
jenis , c :
C = ∆Q/∆T
...........(03)
10
c = C / m = (1/m) (∆Q/∆T)
..........(04)
• Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu
benda yang bermassa m dari suhu T1 ke T2
adalah :
Q = mc (T2 – T1)
.........(05)
• Panas laten ,L (kal) :
Penyerapan energi dapat terjadi pada suhu
konstan yaitu ; saat terjadi perubahan wujud
benda(meleleh , menguap, membeku dan lainlain.)
Banyaknya kalor yang diserap persatuan massa
saat terjadi perubahan wujud adalah :
Q=mL
11
……..(06)
• Asas Black :
Q yang dilepas benda bersuhu tinggi =
Q yang diterima benda bersuhu rendah
Contoh 1 :
Kalorimeter ( cCU = 0.093 kal / (gr. 0C)) massa
nya 100 gram , berisi 150 gram air dan 8 gram es.
Ke dalam kalorimeter dimasukkan 100 gram
timah ( cPb = 0.031 kal / (gr.0C )) bersuhu 200 0C .
Berapa suhu akhir sistem ? (cair = 1kal / (gr.0C))
Jawaban :
Qdilepas = Qditerima
Qdilepas = 100 gr x 0.031 kal/(gr.0C) x (200 0C - t)
12
Qditerima = 8 gr x 80 kal/gr + (8 + 150)gr x
kal/(gr. 0C) x t + 100 gr x 0.093
kal/(gr. 0C) x t
170.4 t = -20 0C → t = - 0.12 0C
t negatif berarti tidak semua es melebur
Jumlah es yang melebur adalah :
80 gr x M = 100 gr x 0.31 kal/(gr. 0C) x 200 0C
M = 7.78 gram
13
4. Kalor dan Usaha
Sering terjadi transformasi dari kalor menjadi usaha
ataupun sebaliknya Proses ini harus memenuhi
hukum kekekalan energi yaitu :
• Kalor yang diterima = Usaha + perubahan
energi dakhil
dQ = dW + dU
.......(07)
Hukum Pertama Termodinamika
• Usaha :
W = ∫ p dV
.......(08)
Berbagai proses perubahandari kalor ke usaha
atau sebaliknya
• Proses adiabatic:
Tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari
14
system, dQ = 0
pVγ = konstan
W = ∫ p dV
W = (p1 V1 - p2 V2 ) / (1 - γ) ......(09)
• Proses isotermis :
Proses yang berlangsung pada suhu etap
dU = 0
dQ = dW
.....(10)
• Proses isobaric :
Proses berlangsung pada tekanan system
tetap
W = p (V2 - V1)
......(11)
• Proses isovolum :
Proses berlangsung pda volum tetap
dW = 0
15
dU = dQ
......(12)
simulasi macam- macam proses
http://www.walter-fendt.de/ph11e/gaslaw.htm
16
Contoh 1 :
Luas penampang silinder baja adalah 0.1ft3 .
Silinder berisi 0.4 ft glyserin dan berpiston yang
dapat menutup rapat silinder. Di atas piston
diletakkan beban 6000 lb. Kemudian silinder
dipanaskan dari 60 0F manjadi 160 0F. Pemuaian
silinder diabaikan. Ditanayakan :
a). Tambahan volum gliserin
b). Usaha mekanik terhadap gaya beban 6000 lb
yang dilakukan gliserin
c). Panas yang ditimbulkan pada gliserin
( c = 0.58 kal/(gr. 0C )
d). Perubahan energi dakhil gliserin.
Jawaban :
17
a). ∆V = β x V60 x ∆T
= 0.4 ft3 x 0.485 x 10-3 / 00 x 5/9 x
(160 -60) 0F
= 0.0108 ft3 atau
= 0.0108 ft3 x m3 /(0.3048ft )3 = 0.38 m3
b). W = p ∆V = F/A x ∆V
= 6000 lb/(0.1 ft2 ) x 0.0108 ft3
= 648 lb-ft atau
= 648 lb-ft x (1.356 J/ lb-ft) = 879 J
c). Q = m c ∆T
= 0.4 ft3 x 1.26 x 62.4 lb/ ft3 x 0.58 Btu/ 0F
x (160 - 60) 0F
= 1827 Btu atau
= 1827 Btu x 252 kal/Btu = 460.4 kkal.
18
d). Perubahan tenaga dakhil :
U = Q - W
= (1827 x 778 - 648 ) lb – ft
= 1420758 lb - ft
19
Rangkuman :
1. Suhu merupakan ukuran dari panas / dinginnya
suatu benda .
* Alat pengukur suhu adalah termometer
Kkasifikasi skala termometer :
- Termometer Celsius , 0C
- Termometer Fahrenheit , 0F ; tF = 9/5(tC) + 320F
- Termometer Kelvin , 0K ; T 0K = tC + 273 0K
2. Pemuaian panjang , ∆L [m] :
∆L = α L0 ∆T ; α = koefisien muai panjang
L0 = panjang awal
∆T = kenaikan suhu
3. Tegangan termal , σ [N/m2] :
σ = Y α ∆T ; Y = modulus Young
20
4. Peralihan wujud
Titik tripel : titik (suhu) dimana terdapat
tiga macam wujud benda , yaitu : padat ,
cair dan gas
• Kalor : merupakan energi panas
• Satuan kalor : kalori
1 Joule = 0.24 kal
• Kapasitas kalor spesifik , c (kal/(gr.0C)
c = (1/m) (∆Q/∆T) ; m =massa benda
∆Q = pertambahan kalor
• Panas laten , L (kal/gr) :
Banyaknya kalor yang dilepas/diserap pada saat
terjadi perubahan wujud benda .
21
5. Azas Black
Q yang dilepas benda bersuhu tinggi =
Q yang diterima benda bersuhu rendah
6. Kalor dan usaha
• Kalor yang diterima = Usaha +
perubahan energi dakhil(dalam)
dQ = dW + dU
Hukum Pertama Termodinamika
22
<< CLOSING>>
Setelah mengikuti dengan baik seluruh materi
bahasan dalam pertemuan ini, mahasiswa
diharapkan
sudah
dapat
menyelesaikan/menghitung masalah-masalah
yang ada kaitannya dengan suhu dan kalor
serta mampu mengaplikasikannya dalam
bidang sistem komputer.
23
24