Materi Suhu dan Perpindahan Kalor

     Berikut adalah materi tentang suhu,kalor,perpindahan kalor dan pemuaian dan juga terdapat beberapa contoh dari materi tersebut dalam kehidupan sehari-hari 

                             Suhu, Kalor, dan Perpindahan Kalor

KOMPETENSI DASAR

3.5 Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor yang meliputi karakteristik termal suatu bahan, kapasitas, dan konduktivitas kalor pada kehidupan sehari-hari

4.5 Merancang dan melakukan percobaan tentang karakteristik termal suatu bahan, terutama terkait dengan kapasitas dan konduktivitas kalor, beserta presentasi hasil percobaan dan pemanfatannya

INDIKATOR 

1.     Menjelaskan konsep dan suhu dan kalor.

2.     Membedakan antara Suhu dan Kalor.

3.     Menerapkan konsep pemuaian dalam kehidupan sehari-hari.

4.     Menganalisis perubahan wujud zat pada suatu benda.

5.     Menganalisis proses perpindahan kalor.

Suhu, Kalor, dan Perpindahan Kalor

A. SUHU

Suhu    : Derajat panas atau dinginnya sebuah benda.

          Kalor    : Perpindahan energi kinetik dari satu benda yang bersuhu lebih tinggi kebenda yang  bersuhu lebih rendah.

Termometer bekerja memamfaatkan perubahan sifat-sifat fisis benda akibat  perubahan suhu .Zat cair   yang umum digunakan dalam termometer adalah raksa.

Mengapa Harus Air Raksa ?

•         Dapat menyerap panas

•         Dapat digunakan untuk mengukur suhu yang rendah hingga suhu yang lebih tinggi

•         Tidak membasahi dinding tabung

•         Pemuaian raksa teratur terhadap kenaikan suhu

•         Mudah dilihat karena raksa dapat memantulkan cahaya

         Alkohol dapat juga digunakan untuk mengisi tabung termometer karena alkohol dapat mengukur suhu yang lebih rendah lagi tetapi tidak dapat mengukur suhu yang tinggi sebab titik bekunya  -144 C dan titik didihnya 78oC. Jadi termometer alkohol sangat baik untuk mengukur suhu-suhu yang rendah tetapi tidak dapat mengukur suhu-suhu yang tinggi.

       Air tidak digunakan untuk mengisi termometer karena jangkauan suhu air terbatas (0oC – 100oC), tidak berwarna sehingga sulit dilihat, membasahi dinding tempatnya dan memerlukan waktu lama sehingga mengurangi ketelitian pembacaan skala.Untuk menyatakan suhu dengan bilangan diperlukan patokan suhu yang tetap yang dapat dibuat kembali dengan mudah dan teliti. Patokan suhu yang digunakan disebut titik tetap.

Dari skala suhu yang ada sekarang telah ditetapkan:

a. Termometer skala Celsius

Memiliki titik didih air 100°C dan titik bekunya 0°C. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 0°C – 100°C dan dibagi dalam 100 skala.

b. Temometer skala Reamur

Memiliki titik didih air 80°R dan titik bekunya 0°R. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 0°R – 80°R dan dibagi dalam 80 skala.

c. Termometer skala Fahrenheit

Memiliki titik didih air 212°F dan titik bekunya 32°F. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 32°F – 212°F dan dibagi dalam 180 skala.

d. Termometer skala Kelvin

Memiliki titik didih air 373,15 K dan titik bekunya 273,15 K. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 273,15 K – 373,15 K dan dibagi dalam 100 skala.

Jadi, jika diperhatikan pembagian skala tersebut, satu skala dalam derajat Celsius sama dengan satu skala dalam derajat Kelvin, sementara satu skala Celsius kurang dari satu skalaReamur dan satu skala Celsius lebih dari satu skala Fahrenheit. Secara matematis perbandingan keempat skala tersebut,yaitu sebagai berikut.

Skala Termometer

•         Skala Celcius

•         Skala Fahrenheit

•         Skala Reamur

•         Skala Kelvin

B. Termometer

Gambar 2. Perbandingan Skala  pada Thermometer

Perbandingan skala pada thermometer dapat dilihat pada persamaan di bawah ini:

Keterangan:

C = Celcius                 F = Fahrenheit             b = Titikbeku

R = Reamur                 K = Kelvin                  d = Titikdidi

C. Pemuaian Zat

 Pemuaian adalah bertambah besarnya ukuran suatu benda karena kenaikan suhu  yang terjadi pada  benda tersebut .Jika suatu zat diberikan kalor maka zat itu akan memuai atau bertambah besarnya tergantung pada jenis bahan, ukuran benda mula-mula, dan besarnya perubahan suhu atau kalor yang diberikan. Pemuaian ada tiga macam yaitu muai panjang, muai luas, dan muai volume.

1. Pemuaian Zat Padat

a. Muai Muai Panjang

L_t = L₀ (1 + α ΔT)

Keterangan:

L_t = Panjangbendasetelahdipanaskan (m)

L₀ = Panjangawal (m)

α = Koefisienmuaipanjang (/⁰C)

ΔT = Perubahansuhu (⁰C)

b. Muai Luas

Koefisien muai luas suatu zat adalah perubahan luas per satuan luas tiap derajat perubahan suhu.

Secara matematis:

c. Muai Volume

Koefisien muai volume adalah perubahan volume per satuan volume tiap derajat perubahan suhu. Secara matematis:

 2.  Pemuaian Zat Cair

        Ketika air dipanaskan dari suhu 0⁰C sampai 4⁰C, volume air ternyata menyusut dan mencapai volume minimal serta kerapatan maksimal pada suhu 4⁰C.Kemudian, setela hmelampaui suhu 4⁰C volume air memuai apabila di panaskan.

3.  Pemuaian Zat Gas

              Sifat gas diantaranya adanya perubahan volume dan selalu mengisi seluruh ruangan.Pada saat udara dipanaskan, udara di dalam balon memuai. Hal ini menyebabkan massajenis udara yang berada di dalam balon berkurang sehingga  menjadi lebih ringan dari pada udara di sekitarnya. 

Contoh soal:

    Sebatang perunggu dengan panjang 160 cm dan suhu mula-mula 10⁰C.Setelah dipanaskan, panjangny abertambah menjadi 160,36 cm. jika koefisien muai panjang perunggu tersebut 1,9 x 10^-5 /⁰C, sampai suhu berapakah  batangtersebut dipanaskan?

C. PENGARUH KALOR PADA ZAT

Kalorimeter

     Dengan menerapkan hukum kekekalan energi dapat dilakukan pengukuran-pengukuran kalor atau kalorimetri. Kalorimeter adalah suatu alat yang dapat digunakan untuk menentukan besarnya kalor jenis dari suatu zat. Kalorimeter bekarja berdasarkan asas Black, yaitu besarnya kalor yang dilepaskan oleh sebuah benda yang suhunya lebih tinggi akan sama dengan kalor yang diterima oleh benda yang bersuhu lebih rendah.

Kalorimeter dibuat dari bejana yang sudah diketahui kalor jenisnya (ck) misalnya tembaga atau aluminium. Bejana ini dimasukkan ke dalam bejana yang lebih besar kemudian ditutup dengan kayu. Pada tutup ini dilengkapi dengan dua buah lubang, yang satu untuk termometer dan yang satunya untuk pengaduk. Supaya tidak ada panas yang hilang, di antara bejana yang kecil dan yang besar diletakkan gabus. Langkah-langkah penggunaan kalorimeter yaitu:

·          Kalorimeter dan pengaduknya ditimbang (mk)

·     Kalorimeter diisi air lalu ditimbang lagi. Hasilnya dikurangi dengan mk, maka diperoleh  massa air (ma).

·     Suhu kalorimeter berikut air dan pengaduknya diukur dengan termometer (ta = tk)

·     Bahan yang akan diukur kalor jenisnya ditimbang (mx)

·     Bahan dipanaskan kemudian diukur suhunya (tx)

·   Bahan yang sudah dipanaskan dimasukkan ke dalam kalorimeter dan diaduk perlahan kemudian diukur suhu campurannya (tcp)

Dalam hal ini, yang melepaskan kalor adalah bahan yang akan dicari kalor jenisnya dan benda yang menerima kalor adalah air dan kalorimeter. Menurut hukum kekekalan energi:

Dengan memasukkan harga-harga dari hasil pengukuran di atas maka kalor jenis bahan (cx) dapat dihitung.

Persamaan Kalor

     Pada saat memanaskan air dengan menggunakan kompor misalnya, maka api dari kompor memberikan kalor kepada air. Beberapa saat kemudian, air akan menjadi hangat dan akhirnya menjadi panas. Itu berarti air mengalami kenaikan suhu. Dari kejadian ini dapat disimpulkan bahwa kalor yang diberikan pada suatu zat dapat menaikkan suhu zat tersebut. Jika air telah mencapai suhu 100oC (titik didih air) dan terus dipanaskan maka lama kelamaan air jumlah air akan semakin berkurang karena telah berubah menjadi uap atau dengan kata lain, jika suhu suatu zat telah mencapai titik didih maka kalor yang diberikan digunakan untuk mengubah wujud. Semakin banyak jumlah air yang dipanaskan maka waktu yang diperlukan untuk memanaskan air semakin lama atau dengan kata lain kalor yang diperlukan semakin banyak.Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa kalor yang diberikan sebanding dengan perubahan suhu suatu zat dan juga sebanding dengan massa zat.

              1. Besaran-besaran dalam Kalor

Kalor Jenis	Kapasitas Kalor
Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 K. Kalor jenis menunjukkan kemampuan suatu  benda untuk menyerap kalor.	Jumlah kalor yang diperlukan tau dilepaskan  jika suhu benda tersebut dinaikkan atau diturunkan satu Kelvin atau satu derajat Celcius.
c = Q / m                           ΔT	C = Q /ΔT  atau C = mc
Keterangan:         Q  = Banyaknya kalor yang diperlukan atau     dilepaskan (J)       m = Massa benda (kg)     ΔT = Perubahan suhu (0C)        c = Kalor jenis suatu zat (J/kg0C)	Keterangan:       C = Kapasitaskalor (J/0C)    Q = Banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan (J)       ΔT = Perubahan suhu (0C)           c = Kalor jenis suatu zat (J/kg0C)

2. Perubahan Wujud Zat

     Telah ditunjukkan sebelumnya bahwa kalor dapat mengubah wujud suatu zat. Tapi perubahan wujud ini tidak selalu memerlukan kalor dalam prosesnya namun ada juga perubahan wujud yang dalam prosesnya justru melepaskan kalor. Perubahan wujud zat dapat dibedakan menjadi perubahan fisika dan perubahan kimia. Perubahan fisika adalah perubahan wujud yang terjadi pada suatu zat dimana zat tersebut dapat dikembalikan lagi ke wujud semula atau dalam proses perubahan itu tidak dihasilkan zat baru. Misalnya lilin jika dibakar akan meleleh dan ketika didinginkan maka akan kembali menjadi padat. Perubahan kimia adalah perubahan wujud zat dimana zat tersebut tidak dapat kembali ke wujud semula atau pada proses perubahan itu dihasilkan zat baru. Misalnya kertas yang dibakar akan menjadi arang dan tidak dapat kembali lagi menjadi kertas. Dalam pokok bahasan ini akan dibahas mengenai perubahan fisika. 

  Perubahan fisika meliputi melebur, membeku, mengembun, menguap, dan menyublim. Melebur adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi cair sedangkan membeku adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi padat. Ketika melebur terjadi penyerapan kalor sedangkan ketika membeku terjadi pelepasan kalor. Untuk melebur ataupun membeku, suatu zat harus mencapai suatu suhu tertentu yang disebut titik lebur atau titik beku. Kalor dalam joule yang diperlukan untuk meleburkan 1 kg zat padat menjadi 1 kg zat cair pada titik leburnya disebut kalor lebur. Sebaliknya, kalor yang dilepaskan pada waktu 1 kg zat cair membeku menjadi 1 kg zat padat pada titik bekunya disebut kalor beku. Untuk zat yang sama, titik lebur sama dengan titik bekunya dan kalor lebur sama dengan kalor bekunya.

    Kalor Laten didefinisikan  sebagai kalor yang dibutuhkan atau dilepas oleh suatu zat untuk mengubah wujudnya per satuan massa.

Q = mL

Keterangan:

Q = Kalor yang dilepas atau dibutuhkan (J)

m = Massa (kg)

L = Kalor laten (J/kg)

     Menguap adalah perubahan wujud zat dari zat cair menjadi gas dan sebaliknya mengembun adalah perubahan wujud zat dari gas menjadi cair. Ketika menguap terjadi penyerapan kalor dan sebaliknya ketika mengembun terjadi pelepasan kalor. Zat cair dikatakan mendidih jika terjadi gelembung-gelembung uap di dalam seluruh zat cair dan dapat meninggalkan zat cair. Suhu zat ketika mendidih disebut titik didih. Banyaknya kalor dalam joule yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg zat cair menjadi 1 kg gas pada titik didihnya disebut kalor uap. Sebaliknya banyaknya kalor yang dilepaskan 1 kg gas ketika berubah menjadi zat cair disebut kalor embun. Untuk zat yang sama, kalor uap sama dengan kalor embunnya.Secaramatematis:

       Menyublim adalah perubahan wujud zat padat menjadi gas tanpa melalui fase cair atau sebaliknya dari gas menjadi padat. Ketika zat padat berubah menjadi gas terjadi penyerapan kalor dan ketika gas menjadi zat padat terjadi pelepasan kalor. Contoh zat yang dapat menyublim adalah kapur

3.  Asas Black

Contohsoal:

Berapa banyak kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 gram es pada suhu 0⁰C menjadi uap air pada suhu 100⁰C?

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 2 gram = 2 x 10^-3 kg

ΔT = 100⁰ -0⁰ = 100 ⁰C

L_u = 2.260 J/g

L_e = 336 J/g

c_air = 4.200 J/kg⁰C

Ditanya:

Q_total =…..?

Jawab:

Q₁ Proses lebur

Q₁ = m L_e

= 2 x 336

    = 672 J

Q₂ Proses menaikkan suhu

Q₂ = m c_air ΔT

     = 2 x 4.200 x 100

     = 840 J

Q₃ Proses penguapan

Q₃ = m L_u

     = 2 x 2.260

     = 4.420 J

Q_total = Q₁ + Q₂ + Q₃

        = 672 + 840 + 4.420

Q_total = 6.032 J

D. PerpindahanKalor

1. Konduksi

Konduksi adalah proses transformasi panas di dalam zat perantara dimana energi panas berpindah dari molekul yang satu ke molekul yang ada di dekatnya hanya dengan jalan getaran termal berkala, tanpa ada pemindahan massa zat perantara sama sekali.Contoh konduksi terjadi pada besi yang salah satu ujungnya dipanaskan. Untuk mencegah konduksi pada barang-barang rumah tangga yang terbuat dari logam yaitu dengan menambahkan bahan isolator seperti plastik pada pegangan sendok, panci, dan lain-lain.

Q / ΔT =H = kA ΔT/L

Keterangan:

H = Jumlah kalor yang merambat tiap detik (J/s)

k =  Koefisien konduksi termal (J/msK)

A = Luas penampang batang (m²)

L = Panjang batang (m)

ΔT = Perubahan suhu (K)

2. Konveksi

Konveksi (aliran)

Konveksi adalah proses pemindahan panas dari suatu tempat ke tempat lain melalui perpindahan massa zat cair atau gas yang dipanasi dari tempat satu ke tempat yang lain. Hanya terjadi pada zat cair dan gas. Contoh penerapan konveksi antara lain cerobong asap, pengisian gas freon, obat nyamuk, minyak wangi, dan lain-lain. Untuk mencegah terjadinya konveksi terutama pada bangunan biasanya dipasang plafon di bagian bawah atap bangunan.

      H = hAΔT 

Keterangan:

H = Laju perpindahan (J/s)

h = Koefisien konveksi termal (J/sm²K)

A = Luas penampang (m²)

ΔT = Perubahan suhu (K)

3. Radiasi

Radiasi (pancaran)

Radiasi adalah transformasi energi panas lantaran gelombang elektromagnetik, tidak ada zat perantara yang memegang peranan dalam proses pemindahan ini. Contoh : radiasi sinar matahari. Untuk mencegah terjadinya radiasi misalnya pemakaian kostum anti radiasi, rumah dicat putih agar memantulkan kembali kalor radiasi matahari.

ΔQ / ΔT = e σ A T⁴

Keterangan:

Q = Kalor yang dipancarkan benda (J)

T = Suhu mutlak (K)

e = Emisivitas benda (0 < e ≤ 1)

σ = Tetapan Stefan-Boltzmann (5,67 x 10^-8 W/mK⁴)

A = Luas penampang (m²)