4.1 Menganalisis Pengaruh Kalor Terhadap Suatu Zat

Menganalisis Pengaruh Kalor Terhadap Suatu Zat

Fisika SMA / MA X /2 4. Menerapk Menerapkan an konsep konsep kalor dan prinsip prinsip konservasi konservasi energi energi pada berbagai perubahan energi. Kompetensi Dasar : 4.1 Menga Menganal nalisi isiss pengaru pengaruh h kalor kalor terhada terhadap p suatu suatu zat. Indikator : ➢ Menjelaskan pengertian kalor ➢ Membedakan kalor dengan suhu ➢ Menganalisis pengaruh kalor terhadap suhu zat ➢ Menganalisis pengaruh kalor terhadap wujud zat ➢ Menjelaskan hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan wujud ➢ Menganalisis pengaruh kalor terhadap bentuk zat ➢ Menganalisis pengaruh suhu terhadap volume gas ➢ Menganalisis pengaruh suhu terhadap tekanan ➢ Menganalisis pengaruh tekanan terhadap volume gas ➢ Mengemukakan manfaat pemuaian dalam kehidupan sehari-hari ➢ Menyebutkan cara mengatasi permasalahan akibat pemuaian dalam kehidupan seharihari. Mata Pelajaran Satuan Pendidikan Kelas / Semester Standar Kompetensi

: : : :

Konsep Prasyarat ➢ Massa ➢ Massa jenis ➢ Wujud zat ➢ Gerak partikel ➢ Bentuk zat ➢ Tekanan udara Konsep Esensial ➢ Kalor ➢ Suhu ➢ Kalor jenis ➢ Kapasitas kalor ➢ Kalor laten ➢ Perubahan fase ➢ Koefisien muai panjang ➢ Koefisian muai luas ➢ Koefisien muai volume

Peta Konsep

memiliki

Kalor enis 1


Ka asitas terhadap

memiliki

terjadi

memiliki

Bagan Materi Definisi kalor Definisi Kalor

SUHU ZAT

padat

Kapasitas

gas

Macam-macam wujud

cair

Kalor Hubungan antara perubahan suhu dengan Perubahan Pemuaian Pemuaian Zat

Pemuaian Pemuaian

Pemuaian Zat Pengaruh suhu terhadap volume

BENTUK Pemuaian

Pengaruh suhu terhadap tekanan

pengaruh tekanan terhadap volume

Manfaat Permasalah akibat Konsep Daya Aspek-Aspek Kognitif, Afektif dan Psikomotor No Konsep Esensial Aspek

Kognitif

Afektif

Contoh terapan Psikomotor 2


1

Suhu

✔

✔

✔

Di daerah pantai, siang hari kita merasakan panas dan pada malam hari kita merasakan dingin.

2

Kalor jenis

✔

✔

✔

Di pesisir pantai terjadi angin laut di siang hari dan angin darat di malam hari.

3

Perubahan Zat

✔

✔

✔

Terjadinya hujan adalah proses perubahan wujud air.

4

Kalor laten

✔

✔

✔

Perubahan wujud dari es (0oC) menjadi air (0oC).

5

Koefisien muai

✔

✔

✔

Peristiwa membengkoknya kereta api.

wujud

rel

ZAT DAN KALOR 3


1) Pengertian Kalor dan Perbedaannya dengan Suhu Apabila gelas yang berisi air ledeng kita celupkan ke dalam bak yang berisi air panas, maka air ledeng tersebut akan mengalami kenaikan suhu dan air panas mengalami penurunan suhu. Ini menunjukkan terjadinya perpindahan energi dari benda bersuhu tinggi (air panas) ke benda yang bersuhu lebih rendah (air ledeng). Begitu pula apabila gelas yang berisi air ledeng tersebut kita masukan ke dalam bak yang berisi air es maka air ledeng akan mengalami penurunan suhu dan air es mengalami kenaikan suhu. Uraian ini mempertegas kesimpulan bahwa perpindahan energi secara alami selalu terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. Energi yang berpindah disebut kalor . Dengan demikian dapat kita definisikan kalor sebagai energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan. Apakah Perbedaan antara Kalor dengan Suhu ? Karena kalor timbul akibat adanya perbedaan suhu, maka sampai dengan pertengahan abad ke delapan belas istilah kalor dan suhu memiliki arti yang sama. Joseph Black pada tahun 1760 merupakan orang pertama yang menyatakan perbedaan anrata suhu dan kalor. Suhu kita kenal sebagai ukuran panas atau dinginnya suatu benda. Pengertian yang lebih tepat, suhu merupakan ukuran energi kinetik molekuler internal rata-rata sebuah benda. Sedangkan kalor adalah sesuatu yang mengalir dari benda panas ke benda yang lebih dingin untuk menyamakan suhunya.

2) Pengaruh Kalor Terhadap Suhu Zat Anda dapat memberikan kalor pada suatu zat dengan cara memanaskannya. Jika sebuah benda dipanaskan, maka salah satu kemungkinan yang terjadi suhu benda akan naik. Sebaliknya, Anda dapat mengurangi kalor suatu benda dengan cara mendinginkannya, maka suhu benda akan turun. Dengan demikian, salah satu akibat pemberian atau pengambilan kalor adalah perubahan suhu. a) Kalor Jenis Salah satu akibat pemberian atau pengambilan kalor adalah perubahan suhu. Hasil percobaan menunjukkan bahwa besarnya kenaikan suhu suatu zat berbanding lurus dengan banyaknya kalor yang diterima oleh zat tersebut,dan berbanding terbalik dengan massa zat.

Gambar 1. Berdasarkan hasil percobaan, kenaikan suhu zat berbanding lurus dengan kalor yang diterima zat tersebut.

∆T(oC)

4


Besarnya kalor untuk menaikkan suhu satu satuan massa zat bergantung pada jenis zat. Oleh karena itu, kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu 1 kg zat tersebut sebesar 1 oC. Berdasarkan definisi tersebut maka hubungan antara banyaknya kalor yang diserap oleh suatu benda dengan kalor jenis zat serta kenaikan suhu zat dituliskan dalam persamaan berikut: Q=mc∆T atau c=Qm∆T (1)

dengan: Q = banyaknya kalor (kalori atau joule) m = massa benda (gram atau kg) = kalor jenis (kal.g-1. oC-1 atau J.kg-1.oC-1) c ∆T = perubahan suhu (oC) Berdasarkan hasil percobaan, didapatkan bahwa perubahan suhu yang diakibatkan oleh jumlah kalor yang sama pada zat yang berbeda adalah tidak sama. Dengan demikian, setiap zat memiliki kalor jenis tertentu. Contohnya, 1 kg air dan 1 kg minyak goreng masing-masing diberikan kalor yang sama banyaknya, ternyata kenaikkan suhu minyak goreng jauh lebih tinggi daripada kenaikkan suhu air. Hal tersebut disebabkan air memiliki kalor jenis yang jauh lebih besar dibanding minyak goreng. Jadi untuk membedakan zat-zat dalam hubungannya dengan penyerapan kalor, digunakan konsep kalor jenis. Suatu zat yang memiliki kaor jenis besar akan sulit mengalami kenaikkan suhu ketika dipanaskan. b) Kapasitas Kalor Untuk benda yang bermassa tetap, nilai mc pada persamaan (1) memiliki nilai tetap pula. Nilai mc dapat dipandang sebagai suatu kesatuan. Oleh karena itu, mc diberi nama khusus yaitu kapasitas kalor . Kapasaitas kalor dapat diartikan sebagi kemampuan menerima atau melepaskan kalor dari suatu benda untuk merubah suhu sebesar 1 oC. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda sebanding dengan kapasitas kalor benda tersebut, dan sebanding pula dengan perubahan suhunya. Kapasitas kalor (C) dapat didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu sebesar 1 oC. Hubungan antara banyaknya kalor yang diserap oleh suatu benda dengan kapasitas kalor benda serta kenaikkan suhu benda dituliskan dalam bentuk persamaan: mc=C=Q∆Tatau Q=C∆T (2

dengan: Q = banyaknya kalor (kalori atau joule) C = kapasitas kalor (kaloC-1 atau JoC-1) ∆T = perubahan suhu (oC)

1) Pengaruh Kalor Terhadap Wujud Zat 5


Kalor yang diserap oleh suatu zat tidak selalu menyebabkan suhunya naik. Zat dapat berada dalam tiga wujud tetapi dalam kondisi tertentu, yaitu wujud padat, cair, dan gas. Akibat pengaruh kalor terhadap zat maka zat tersebut dapat berada dalam ketiga wujud tersebut. Pada saat terjadi perubahan wujud, misalnya dari padat menjadi cair atau sebaliknya, dan dari cair menjadi gas atau sebaliknya, selalu disertai dengan pelepasan atau penyerapan kalor. Akan tetapi, perubahan wujud tidak disertai dengan perubahan suhu. Jadi, saat terjadi perubahan wujud, suhu zat tersebut tetap. a) Proses Melebur dan Membeku Perubahan wujud zat dari padat menjadi cair disebut mencair atau melebur , sebaliknya perubahan wujud zat dari cair menjadi padat disebut membeku. Perhatikan gambar 2. Dari grafik dapat diamati, es pada suhu -5 oC menyerap kalor sehingga suhu es naik menjadi 0oC ( tetap berwujud es). Kemudian, es pada suhu 0 oC dipanaskan atau diberikan kalor, dan ternyata suhu es tidak Gambar 2 mengalami perubahan, tetapi es Grafik perubahan wujud dari es berubah wujud menjadi air. menjadi air Kemudian, air pada suhu 0oC dipanaskan sehingga mengalami kenaikan suhu. Kalor yang dibutuhkan untuk melebur disebut kalor laten peleburan atau kalor lebur (Lf ), sedangkan kalor yang dilepaskan ketika zat membeku disebut kalor laten pembekuan atau kalor beku (Lf ). Berdasarkan hasil percobaan menunjukkan bahwa kalor lebur = kalor beku . Jadi, kalor lebur suatu zat dapat didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan oleh satu satuan massa zat untuk melebur seluruhnya pada titik leburnya. Jika suatu zat massanya m kg, untuk meleur seluruhnya dibutuhkan kalor sebesar Q joule. Berdasarkan definisi ini, kalor lebur (Lf ) zat tersebut dapat dituliskan menjadi

dengan: Q = banyaknya kalor (kalori atau joule) m = massa benda (gram atau kg) L f = kalor lebur (Jkg-1)

Lf=Qm atau Q=mLf

(3

b) Proses Menguap dan Mengembun Menguap merupakan proses perubahan wujud dari cair menjadi uap. Penguapan sangat penting bagi kehidupan. Air di permukaan laut dan di permukaan darat menguap karena pengaruh pemanasan oleh sinar Matahari. Setelah uap mencapai keadaan jenuh di udara, akan terjadi proses pengembunan, dan akan turun kembali ke darat menjadi hujan. Tanpa adanya proses penguapan 6


tidak akan ada hujan, sungai dan danau pun akan kering. Tumbuhan dan makhluk hidup lainnya tidak dapat melangsungkan kehidupan. Ketika Anda memanaskan air pada tekanan 1 atm, air akan mendidih pada suhu 100 oC. Jika air terus dipanaskan, kalor yang diserap oleh air bukan untuk menaikkan suhunya, melainkan untuk mengubah wujud air menjadi uap pada suhu tetap 100oC. Pada waktu mendidih akan terjadi penguapan di seluruh bagian zat cair. Hal tersebut dapat dilihat dari gelembung-gelembung yang timbul pada seluruh bagian zat cair. Jadi, mendidih adalah proses penguapan yang terjadi di seluruh bagian zat cair . Selama mendidih, suhu zat cair tetap. Suhu ini disebut titik didih zat. Titik didih zat cair sangat berpengaruh pada tekanan permukaan zat cair. Pada umumnya, titik didih cair diukur pada tekanan 1 atm. Titik didih ini disebut titik didih normal . Setiap zat memiliki titik didih normal yang berbeda dengan titik didih normal zat lainnya. Setiap zat membutuhkan kalor yang berbeda untuk menguap. Untuk menguapkan 1 kg air dibutuhkan kalor yang berbeda dengan untuk menguapkan 1 kg alcohol. Besar kalor yang digunakan untuk menguapkan zat disebut kalor laten penguapan atau kalor uap (L) . Kalor uap suatu zat di definisikan sebagai kalor yang dibutuhkan oleh satu satuan massa zat untuk menguap pada titik uapnya. Kebalikan dari proses penguapan disebut pengembunan. Pada proses pengembunan terjadi pembebasan kalor. Artinya, pada proses pengembunan zat tersebut membebaskan atau melepaskan kalor. Besarnya kalor yang dibebaskan oleh suatu zat ketika terjadi pengembunan disebut kalor laten pengembunan atau kalor embun. Setiap zat yang berbeda akan memiliki kalor embun yang berbeda pula. Kalor embun suatu zat didefinisikan sebagai kalor yang dilepaskan oleh suatu satuan massa zat untuk mengembun pada titik embunnya. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kalor yang dibutuhkan ketika suatu zat menguap sama dengan kalor yang dilepaskan ketika zat tersebut mengembun. Oleh karena itu, kalor uap suatu zat sama dengan kalor embunnya. Jika suatu zat massanya m kg, untuk menguap pada titik didihnya, diperlukan kalor sebesar Q joule. Berdasarkan definisi kalor uap (L v), saat zat tersebut menguap akan berlaku persamaan: Lv=Qm atau Q=mLv

dengan: Q = banyaknya kalor (kalori atau joule) m = massa benda (gram atau kg) Lv = kalor uap (Jkg-1)

(4

Tabel 1. Titik lebur, titik didih, kalor lebur, dan kalor uap beberapa zat Titik lebur Kalor lebur Titik didih Kalor uap Zat normal (℃) (J/kg) normal (℃) (J/kg)

Helium

-296,65

5,23 x 10 3

-268,93

209 x 10 3

Hydrogen

-259,31

58,6 x 10 3

-252,89

452 x 10 3

Nitrogen

-209,97

25,5 x 10 3

-195,81

201 x 10 3 7


Oksigen

-218,79

13,8 x 10 3

-182,97

213 x 10 3

Alcohol

-114

104,2 x 10 3

78

853 x 10 3

Raksa

-39

11,8 x 10 3

357

272 x 10 3

Air

0,00

334 x 10 3

100,00

2256 x 10 3

Sulfur

119

38,1 x 10 3

444,60

326 x 10 3

Timah hitam

327,3

24,5 x 10 3

1750

871 x 10 3

Antimony

630,50

165 x 10 3

1440

561 x 10 3

Perak

960,80

88,3 x 10 3

2193

2336 x 10 3

Emas

1063,00

64,5 x 10 3

2660

1578 x 10 3

Tembaga

1083

134 x 10 3

1187

5069 x 10 3

Sumber: College Physics, Serway R. A., Faughn, J. S.

c) Hubungan antara Perubahan Suhu dan Perubahan Wujud T(oC) Jika Anda

membuat grafik hubungan antara penyerapan kalor (Q) dan perubahan suhu yang dialami oleh air, mulai dari wujud es pada suhu – T hingga seluruhnya menjadi uap pada suhu 100 oC, maka akan didapatkan grafik seperti pada Gambar 3.

Gambar 3 Grafik perubahan suhu dan perubahan wujud terhadap penyerapan kalor oleh air

Berikut proses yang terjadi pada pemanasan air dari es hingga mendidih dan menguap: 1. Proses A-B Suhu es –T oC menyerap kalor sebesar Q1 sehingga suhunya menjadi 0 oC, dan tetap berwujud es. Q1=mesces∆Tes=mesces(0°--T)=mescesT 2. Proses B-C Terjadi perubahan wujud dari es (0 oC) menjadi air (0oC), pada suhu tetap. Q2=mesLf (kalor lebur) 3. Proses C-D Suhu air 0oC naik hingga mencapai suhu 100 oC, tetapi masih dalam wujud cair Q3=mair cair ∆Tair=mair cair100°C-0°C=mair cair100°C 4. Proses D-E 8


Terjadi perubahan wujud dari air (100 oC) menjadi uap (100 oC), pada suhu tetap Q2=mesLv (kalor uap) a) Perubahan Fase Zat Untuk setiap zat, titik lebur dan titik didihnya bergantung pada tekanan permukaannya. Pada tekanan dan suhu tertentu, zat dapat memiliki beberapa wujud dalam keadaan setimbang. Sebagai contoh, air dan es keduanya memiliki suhu 0oC pada tekanan 1 atmosfer. Dalam keadaan setimbang, sebenarnya setiap saat pada suhu dan tekanan tersebut ada sejumlah partikel yang berubah wujud dari air menjadi es dan sebaliknya dari es menjdi air, tetapi jumlah total partikel partikel dalam tiap wujud itu tetap. Harga-harga pasangan tekanan ( p) dan suhu (T ) untuk setiap kesetimbangan dapat dilukiskan dalam sebuah diagram,seperti pada Gambar 4.

Lengkungan AB merupakan kesetimbangan padat-cair, lengkunganAC merupakan kesetimbangan cair-uap, dan lengkungan AD merupakan kesetimbangan padat-uap. Titik A disebut titik tripel . Pada titik tersebut terjadi kesetimbangan wujud padat, cair, dan uap atau gas. Titik C disebut titik kritis . Diatas suhu kritisnya, zat tersebut hanya berwujud uap atau gas stabil. Untuk air, titik tripelnya bertekanan 0,61 kPa dan suhunya 0,001 oC, sedangkan titik kritisnya bertekanan 1 atm atau 101 kPa, dan suhunya 1000 oC. titik C disebut juga titik didih normal , dan titik B disebut juga titik lebur atau titik beku normal . Perhatikan Gambar 4, daerah yang dibatasi oleh DAC dengan sumbu suhu (T) disebut daerah uap. Daerah yang dibatasi BAC dan garis tekanan 101 kPa disebut daerah cair , dan daerah yang dibatasi oleh DAB dan sumb tekanan ( p) disebut daerah padat . Perhatikan Gambar 5.

9


Jika wujud padat (es) dipanaskan pada tekanan rendah, dibawah tekanan titik tripelnya, es tidak akan melebur tetapi akan langsung menjadi uap. Peristiwa tersebut dinamakan sublimasi. Kalor yang diperlukan untuk sublimasi per satuan massa disebut kalor sublimasi. Proses sebaliknya yaitu perubahan uap langsung menjadi padat juga disebut proses sublimasi. Proses sublimasi juga dapat terjadi pada suhu tetap, dengan melakukan perubahan tekanan dibawah tekanan tripelnya. Perhatikan Gambar 6.

Dibawah tekanan titik didih normalnya atau dibawah titik kritis C, jika tekanan permukaan zat cair diturunkan untuk suhutetap (dibawah 100oC), wujud cair (air) akan dapat berubah menjadi uap. Jadi, walaupun dibawah suhu 100 oC air dapat berubah wujud menjadi uap jika tekanan permukaannya diturunkan. Proses sebaliknya juga dapat berlangsung dibawah titik normalnya jika pada suhu tetap tekanan uap dinaikkan, uap akan mengembun menjadi air. Perhatikan Gambar 7.

10


Dibawah titik tripel, wujud padat pada suhu tetap dapat berubah menjadi wujud cair dengan menambah tekanannya. Penambahan tekanan akan dapat mencairkan es. Proses sebaliknya juga dapat terjadi yaitu pada suhu tetap dibawah titik tripelnya, jika tekanan tekanan zat cair diturunkan maka akan terjadi perubahan wujud cair menjadi wujud padat. Bandingkan dengan proses penguapan pada suhu tetap, yaitu pada bagian b sebelumnya. Perubahan wujud zat dari satu fase ke fase lain disebut perubahan fase atau transisi fase . Suhu zat selama proses transisi adalah tetap dan suhu tersebut dinamakan suhu transisi . Faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya perubahan fase adalah suhu zat dan tekanan permukaannya. Dalam kehidupan sehari-hari, pengaruh tekanan terhadap perubahan fase tersebut dapat dilihat dan diamati pada contoh berikut ini. Jika Anda memanaskan air di daerah dekat pantai dan di daerah pengunungan, apakah air akan mendidih pada suhu yang sama? Di daerah dekat pantai yang tekanan udaranya sekitar 1 atm atau 101 kPa, air akan mendidih pada suhu 100 oC, tetapi di daerah pengunungan yang memiliki tekanan udara di bawah 101 kPa, air akan mendidih pada suhu di bawah 100 oC. Jadi, perubahan fase dari air ke uap dipengaruhi oleh tekanan udara dari luar.

1) Pengaruh Kalor Terhadap Bentuk Zat Salah satu akibat dari pengaruh kalor yaitu terjadinya perubahan bentuk zat. Zat tersusun atas atom. Kumpulan atom-otom membentuk molekul. Molekul-molekul pembentuk zat senantiasa bergerak dan menimbulkan gaya tarik-menarik. Jika dipanaskan gerakan molekul-molekulnya semakin cepat. Hal tersebut menyebabkan terjadinya dorongan antara satu molekul dan molekul yang lain sehingga jarak antarmolekulnya menjadi lebih besar. Molekul-molekul akan menempati ruang yang lebih besar. Peristiwa tersebut dinamakan pemuaian. 11


Sebaliknya, jika suatu zat didinginkan, gerakan molekul-molekulnya menjadi lebih lambat. Gaya tarik menarik antarmolekulnya menjadi lebih besar sehingga jarak antarmolekul menjadi kecil. Zat tersebut mengalami penyusutan. Jadi, dapat disimpulkan bahwa pada umumnya semua zat jika dipanaskan akan memuai dan jika didinginkan akan menyusut. Besar pemuaian sebuah benda bergantung pada jenis zat penyusunnya, ukuran awal benda, serta besarnya kenaikan suhu benda tersebut. Jika pemuaian zat terhalang, pertambahan panjang dari zat padat akan memiliki gaya dorong yang sangat besar. Sebagai contoh, jika sambungan satu rel dengan rel yang lain pada rel kereta api tidak diberikan celah (jarak) maka rel tersebut akan melengkung pada saat terjadi pemuaian. Secara umum dapat dikatakan bahwa zat akan memuai jika dipanaskan. Akan tetapi, pemuaian dan penyusutan pada zat tidak berlaku sepenuhnya pada air dan bismut. Contohnya, volume air akan menyusut jika suhunya dinaikkan dari 0 oC sampai 4oC. Peristiwa tersebut dinamakan anomaly . Di luar suhu 0 oC sampai 4oC air memenuhi hukum pemuaian. Jika air pada suhu 0 oC dipanaskan, kenaikan suhu akan mengakibatkan menyusutnya volume air hingga pada suhu 4 oC jka air tersebut terus dipanaskan maka air pun akan memuai seperti lazimnya zat-zat yang lain.

1) Pemuaian Zat Padat a) Pemuaian Panjang Semua ukuran benda akan berubah jika terjadi pemuaian. Pemuaian pada benda pada umumnya terjadi kesegala arah, yaitu kearah panjang, lebar dan tebalnya. Akan tetapi, jika hanya dalam arah panjangnya saja berarti yang dibahas adalah muai panjang atau muai linear saja tanpa memperhitungkan arah pemuaian yang lain. Benda-benda yang hanya mengalami pemuaian panjang saja biasanya benda benda yang ukuran panjangnya jauh lebih besar dari tebal atau lebarnya, contohnya seperti pada rel kereta api atau sebuah pipa panjang. Untuk membedakan sifat muai berbagai macam zat digunakan konsep koefisien muai dan untuk pemuaian panjang disebut koefisien muai panjang . Koefisien muai panjang didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang batang dari panjangnya semula untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu. l

∆

l

Pada umumnya satuan suhu yang digunakan adalah derajat Celcius, sedangkan dalam SI digunakan skala Kelvin. 12


Tabel 2. Koefisien Muai Panjang Beberapa Zat Koefisien Muai Nama Zat Panjang (oC)

Aluminium Kuningan Tembaga Besi/baja Timbel Kaca pyrex Kaca biasa

25 x 10 -6 19 x 10 -6 17 x 10 -6 12 x 10 -6 29 x 10 -6 3 x 10 -6 9 x 10 -6

Sumber: Physics for Scientists and Engineers with Modem Physics,2000

Koefisien muai panjang dinyatakan dalam α. Secara matematis, dapat dirumuskan sebagai: α=∆ll0∆T (5

dengan: ∆l = pertambahan panjang batang (m) l0 = penjang batang mula-mula (m) ∆T = perubahan suhu (oC) α = koefisien muai panjang (oC-1) Sebuah batang logam pada suhu T0 memiliki panjang l0. Logam tersebut dipanaskan hingga mencapai suhu T 1 dan pertambahan panjangnya dapat ditentukan dari persamaan (5) α=∆ll0∆T → ∆l=αl0∆T Dapat diukur pula bahwa ∆l=lT-l0 (dengan lT = panjang logam setelah pemuaian) sehingga: lT-l0=αlo∆T lT=l0+αlo∆T atau lT=l0(1+α∆T)

(6)

b) Pemuaian Luas Jika Anda memiliki sebuah pelat besi atau pelat tembaga ataupun selembar kaca yang akan dipasang sebagai kaca jendela, benda-benda tersebut akan memuai kearah panjang dan lebar. Pemuaian dalam dua arah ini disebut muai luas. Jadi, pemuaian luas adalah perkalian antara muai panjang dengan muai lebar. Oleh karena muai lebar juga merupakan muai panjang maka koefisien muai luas dapat diartikan sebagai dua kali koefisien muai panjang.

13


l

A0

l

Sebuah bidang pada suhu T o memiliki luas Ao. Jika terjadi kenaikan suhu pada bidang tersebut sebesar ∆T sehingga suhunya menjadi T 1, bidang akan mengalami pertambahan luas sebesar ∆A sehingga luas bidang menjadi At . A0=lo2 ∆A=2lo∆l+∆l2 ……………………... (a) Dari pemuaian panjang diketahui ∆l=αl0∆T ……………………… (b) Substitusikan persamaan (b) ke persamaan (a) sehingga akan didapatkan ∆A=2loαlo∆T+∆l2 (c) ∆A=2αlo2∆T+∆l2 =2αAo∆T+∆l2 ………… Karena ∆l jauh lebih kecil dibandingkan dengan lo, maka ∆l2 dapat diabaikan. Dengan demikian, persamaan (c) dapat dituliskan menjadi ∆A=2αAo∆T. karena koefisien muai lebar (β) merupakan dua kali koefisien muai panjang β=2α, maka persamaanya akan menjadi ………………………………… (d) ∆A=βAo∆T Secara umum persamaan (d) dapat dituliskan menjadi At-A0=βA0∆T At=A0+βA0∆T At=A01+β∆T

(7)

c) Pemuaian Volume Perlu disadari bahwa benda tidak memuai hanya dalam arah panjang saja, tetapi dalam semua arah (tiga dimensi). Oleh karena itu, Anda perlu mengetahui perubahan yang terjadi pada volume sebuah benda jika terjadi perubahan suhu pada benda tersebut. Dalam hal ini yang digunkan adalah koefisien muai ruang . Tabel 3 Koefisien Muai Volume Beberapa Zat Koefisien Muai Nama zat Volume (oC-1)

Aluminium Kuningan Tembaga Besi/baja Timbel

7,5 x 10 -5 5,6 x 10 -5 5,0 x 10 -5 3,5 x 10 -5 8,7 x 10 -5 14


Kaca pyrex Kaca biasa Air Alkuhol

9,0 x 10 -5 2,7 x 10 -5 2,1 x 10 -4 1,1 x 10 -3

Sumber: Physics for Scientists and Engineers with Modem Physics,2000

Pemuaian ruang atau pemuaian volume merupakan perkalian panjang dikalikan panjang dikalikan panjang atau panjang pangkat tiga. Sebuah kubus pada suhu T0 volumenya V0, jika terjadi kenaikan suhu pada benda sebesar ∆T sehingga suhunya menjadi Tt, pertambahan volume kubus menjadi ∆V. Volume benda menjadi Vt. Secara matematis: V0=l03 ∆V=3l02∆l+3l0∆l2+∆l3 ……………… (a) Dari pemuaian panjang diketahui ∆l=αl0∆T ……………… (b) Substitusikan persamaan (a) ke persamaan (b), sehingga didapatkan ………………. (c) ∆V=3l02αl0∆T+3l0αl0∆T2+αl0∆T3 Suku kedua dan suku ketiga pada ruas kanan dari persamaan tersebut sangat kecil jika dibandingkan dengan nilai suku pertamanya. Ini berasala dari nilai α yang sangat sangat kecil, sehingga kedua suku kedua ( α2) dan pada suku ketiga (α3) sehingga kedua suku tersebut dapat diabaikan. Kemudian, persamaan (c) akan menjadi ∆V=3l02αl0∆T=3αl03∆T ∆V=γV0∆T dengan 3α=γ, l03=V0, dan γ adalah koefisien muai ruang. Secara umum, persamaanya dapat dituliskan menjadi Vt-V0=γV0∆T Vt=V0+γV0∆T Vt=V01+γ∆T

(8)

dengan γ=3α.

1) Pemuaian Zat Cair Untuk membuktikan adanya pemuaian pada zat cair kita lakukan percobaan dengan memasukkan 100 mL air pada gelas 1, 100 mL alcohol pada gelas 2, dan 100 mL raksa pada gelas 3 kedalam wadah besar yang berisi air panas. Amati perubahan yang terjadi pada ketiga zat cair dalam masing-masing gelas. Zat cair manakah yang mengalami pemuaian yang paling besar? Manakah yang memiliki koefisien muai volume yang lebih besar? Berdasarkan hasil pengamatan, alcohol yaitu dalam gelas 1 mengalami perubahan volume paling besar dibandingkan dengan air dan raksa. Volume air yaitu dalam gelas 2 mengalami perubahan volume yang lebih besar dibandingkan dengan perubahan volume yang dialami raksa yakni dalam gelas 3. Jika zat padat memiliki koefisien muai panjang, luas, dan ruang, zat cair hanya memiliki koefisien muai volume (ruang) saja yang dilambangkan dengan γ. Hal ini disebabkan zat cair tidak dapat diukur dalam satu dimensi dan dua dimensi. Zat cair 15


hanya dapat diukur dalam tiga dimensi, yaitu volumenya. Jika volume zat cair pada suhunya T0 adalah V0, kemudian zat cair itu dipanaskan sehingga suhunya menjadi T1 dan terjadi pemuaian. Jika volumenya bertambah sebesar ∆V, pertmabahan volume tersebut dapat dituliskan sebagai berikut ∆V=γV0∆T=γV0T1-T0 Setelah suhunya naik, volumenya menjadi Vt=Vo+∆V Vt=V01+γ∆T

(9)

Persamaan (9) ini sama dengan persamaan (8) yaitu persamaan muai volume pada zat padat. Perlu diingat kembali bahwa persamaan (9) tidak berlaku pada air yang bersuhu antara 0oC sampai dengan 4 oC karena adanya anomaly air. Akan tetapi, di luar batas suhu tersebut persamaan (9) tetap berlaku.

2) Memuaian Gas Ketika Anda mempelajari tetang pemuaian zat padat dan zat cair, hanya muncul dua variable atau peubah yaitu volume ( V ) dan suhu ( T ). dalam pembahasan tentang pemuaian gas, akan dibahas tiga peubah, yaitu satu peubah lainnya adalah tekanan ( p). akan tetapi, jika Anda ingin mengetahui hubungan antara volume V dan suhu T , tekanan p harus dibuat tetap. Demikian juga jika Anda ingin mengetahui hubungan antara p dan T , maka V dibuat tetap. Untuk mengetahui adanya pemuaian pada gas, lakukan pengamatan seperti pada gambar 10.

Gambar 10 Percobaan untuk mengetahui adanya pemuaian gas.

Jika gas atau udara yang ada dalam botol kaca berisi udara dipanaskan, akan tampak adanya gelembung-gelembung gas atau udara yang keluar lewat pipa yang dimasukkan ke dalam air. Peristiwa ini menunjukkan telah terjadi pemuaian gas atau udara di dalam botol kaca berisi udara sehingga ada partikel-partikel yang terdesak keluar dari labu gelas. a. Pengaruh suhu terhadap volume gas Untuk tekanan ( p) tetap, kenaiakan suhu gas akan meningkatkan volume gas. Jika Anda ingin menentukan muai volume suatu gas yang disebabkan oleh kenaikan suhu maka tekanan gas harus dijaga agar tetap. Berdasarkan hasil percobaan, muai volumenya pada tekanan tetap memenuhi persamaan: VT=V01+γ∆T

(10)

dengan γ adalah koefisien muai volume gas pada tekanan tetap. Berdasarkan hasil percobaan, diperoleh bahwa koeisien muai volume untuk semua gas berlaku γ=1273°C-1 sehingga persamaan (10) akan menjadi 16


VT=V01+∆T273 (11)

b. Pengaruh suhu terhadap tekanan Jika Anda ingin menyelidiki hubungan antara kenaikan suhu dengan tekanan gas, volume gas harus dibuat tetap. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa hubungan antara kenaikan suhu dan tekanan gas untuk volume tetap memenuhi persamaan: pT=p01+γ∆T

(12)

dengan γ=1273°C-1 sehingga persamaan (12) dapat dituliskan menjadi pT=p1+∆T273

(13)

dengan p0 adalah tekanan gas awal dan pT adalah tekanan gas setelah suhunya dinaikkan. Dalam SI, tekanan gas diukur dalam satuan pascal (Pa) atau Nm -2. c. Pengaruh tekanan terhadap volume gas Pemuaian gas juga dapat berlangsung tanpa adanya kenaikkan suhu gas, yaitu dengan cara menurunkan tekanan gas. Jika tekanan gas dalam sebuah tabung diturunkan dengan cara menggeser mengisap yang berfungsi sebagai penutup gas ke atas,maka volume gas akan meningkat atau terjadi pemuaian gas. Dalam termodinamika, yang akan dibahas kemudian adalah untuk suhu tetap akan berlaku persamaan: pV= tetap atau p1V1=p2V2 (13) dengan p1 dan V1adalah tekanan dan volume awal gas. Adapun p2 dan V2 adalah tekanan dan volume gas setelah terjadi perubahan pada suhu tetap.

4) Manfaat Pemuaian ➢

Mengeling Pelat Logam

17


Pernahkah Anda mendengar kata keling atau mengeling? Yang dimaksud dengan mengeling yaitu menyambung dua pelat dengan menggunakan paku keling. Paku keling dalam keadaan panas berpijar dimasukkan ke dalam lubang sambungan kedua pelat. Supaya paku pelat dapat menjepit pelat dengan kuat, bagian tajam dipukul sehingga melebar. Paku seolah-olah memiliki dua kepala untuk menjepit kedua pelat. Setelah dingin, kedua paku akan menjepit kedua pelat lebih kuat lagi.

Gambar 11. Mengeling pelat logam

Hal ini dapat dimanfaatkan misalnya untuk memasang roda logam pada sebuah lokomotif. Untuk menghasilkan suatu “ban baja” yang bisa menempel kuat pada roda, diameter dalam ban baja dibuat sedikit lebih kecil daripada diameter luar roda. Ban baja kemudian dipanaskan sehingga memuai dan diameternya menjadi lebih besar dari diameter roda. Dengan demikian, ban baja bisa dipasang pada roda. Ketika ban baja ini mendingin, ia mengerut (menyusut) sehingga pasangan ban baja ini sangat kuat. ➢

Bimetal Setiap logam memiliki koefisien mulai yang berbeda sehingga dapat dimanfaatkan untuk dibuat sebuah keping bimetal . Bimetal merupakan dua belah pelat logam yang terbuat dari bahan yang memiliki koefisien muai berbeda dan direkatkan satu sama lain dengan cara di las atau dikeling. Bimetal berfungsi sebagai saklar otomatis pada beberapa peralatan elektronik. Bimetal pada saat dingin bentuknya lurus. Akan tetapi, jika suhunya naik bimetal akan melengkung ke arah logam yang memiliki koefisien muai panjang yang lebih kecil. Perhatikan gambar 12. Koefisien muai panjang besi lebih kecil daripada koefisien muai panjang kuningan.

Gambar 12. (a) Bimetal sebelum dipanaskan (b) Bimetal sesudah dipanaskan

18


Anda dapat membuat rangkaian alarm kebakaran dengan menggunakan bimetal. Perhatikan Gambar 13.

Gambar 13. Rangkaian alarm kebakaran

Jika anda akan membuat alarm kebakaran untuk digunakan di rumah atau perkantoran, Anda dapat menggunakan skema rangkaian pada gambar tersebut. Dalam rangkaian alarm kebakaran, bimetal digunakan sebagai saklar atau sensor otomatis penghubung atau pemutus rangkaian. Ketika suhu udara disekitar bimetal meningkat, bimetal akan melengkung sehingga terjadi sentuhan pada kontak penghubung akan menyebabkan mengalirnya arus listrik dalam rangkaian sehingga bel listrik akan mendering secara otomatis.

4) Permasalahan Akibat Pemuaian Dalam kehidupan sehari-hari, permasalahan yang paling umum akibat pemuaian pecahan kaca-kaca jendela pada musim panas. Peristiwa tersebut dapat terjadi karena kaca jendela tidak diberi ruang yang cukup untuk memuai ketika udara panas pada siang hari. Cara mengatasinya adalah dengan membuat kaca jendela sedikit lebih kecil dari ukuran tempat kaca tersebut. Demikian juga rel kereta api memerlukan uang untuk memuai. Jika Anda perhatikan sambungan rel kereta api, antara satu sambungan dengan sambungan lainnya disediakan celah untuk ruang pemuai ketika hari panas. Selain itu, jembatan yang terbuat dari logam juga harus diberikan ruang untuk pemuaian, karena pada siang hari yang terik jembatan tersebut dapat melengkung bahkan bisa runtuh apabila kedua ujung jembatan terikat secara permanen. Untuk menghindari ini diberikan ruang untuk mengantisipasi pemuaian.

19

4.1 Menganalisis Pengaruh Kalor Terhadap Suatu Zat

Recommend Documents