MAKALAH FISIKA
" SUHU DAN KALOR "
KELOMPOK 6
KELAS 10-7
ANGGOTA :
1. RICHARDO PRANATA SIAHAAN
2. SITI MUTIARA INSANI
3. NURUL ALYAA F
4. M GAMA WIKRAMA P
SMK – SMAK BOGOR
TAHUN AJARAN 2016/2017
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur patut kita panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena kita semua masih diberi kesempatan untuk dapat menyiapkan makalah ini. Tidak lupa kepada seluruh komponen pendukung tersusunnya makalah ini, kami ucapkan banyak terimakasih. Makalah ini dibuat berdasarkan hasil evaluasi, pertimbangan, dan pemikiran yang dilakukan secara berdiskusi antar anggota kelompok. Makalah ini dibuat dengan tujuan, agar siswa-siswi ataupun masyarakat umum mengetahui mengenai beberapa hal-hal kecil mengenai Fisika. Harapan penulis, semoga kedepannya fisika tidak lagi dianggap sebagai hal yang menakutkan untuk dipelajari, melainkan menjadi suatu hal yang menarik dan menyenangkan untuk dipelajari.
Akhir kata, semoga makalah ini bermanfaat bagi peserta didik dalam memahami dan mempelajari beberapa materi pelajaran Fisika. Mohon maaf, kami ucapkan sebesar-besarnya apabila ada kesalahan dalam pembuatan makalah ini. Kritik dan saran dari pembaca makalah ini, sangat kami harapkan.
Bogor, 17 Februari 2017
KONSEP SUHU DAN KALOR
Pengertian suhu
Suhu berfungsi untuk menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu zat. Dimensi suhu adalah θ dengan satuan SI yang disebut kelvin (K). Suhujuga merupakan besaran pokok.
Suhu dan pengukurannya
Perubahan suhu pada suatu benda dapat mengakibatkan perubahan besaran lain pada benda itu. Misalnya volume,tekanan, dn daya hantar listriknya. Sifat – sifat suatu besaran pada benda yang dipengaruhi suhu disebut sifat termometrik, sedangkan besaran – besaran itu disebut besaran – besaran termometrk.
Sifat – sifat termometrik yang dimiliki besaran pada suatu zat dapat digunakan sebagai petunjuk tinggi rendahnya suhu sekitarnya. Fakta tersebut digunakan dalam pembuatan alat pengukur suhu yang dikenal sebagai termometer.
Sifat termometrik berupa perubahan volume zat digunakan dalam termometer raksa dan termometer alkohol serta termometer bimetal. Sifat termometrik berupa perubahan daya hantar listrik suatu zat digunakan dalam termometer elektrik atau termometer digital. Zat yang digunakan dalam termometer sebagai petunjuk suhu disebut zat termometrik.
Prinsip dasar pembuatan termometer disebut pirometer (pyrometer). Pirometer dapat digunakan untuk mengukur suhu sangat tinggi dari kejauhan tanpa perlu menyentuh benda yang diukur suhunya.
Cara Kerja Termometer
Termometer bekerja berdasarkan perubahan sifat pada zat termometrik yang digunakan dalam termometer terhadap perubahan suhu.
Cara Kerja Termometer fluida
ada dua tipe termometer fluida yang biasa digunakan, yaitu termometer raksa dan termometer alkohol, sesuai zat termometrik yang digunakan dalam termometer – termometer tersebut
Temometer raksa maupun temometer alkohol bekerja berdasarkan sifat termometrik yang sama yaitu perubahan volume akibat perubahan suhu.jika suhu naik, maka suhu tinggi kolom cairan raksa ataupun alkohol akan naik sebagai bertambahanya volume. Ujung atas kolom cairan akan sejajar dengan skala tertentu yang ssuai dengan nilai suhunya.
Termometer klinis adalah termometer yang biasa digunakan untuk mengukur suhu tubuh manusia. Zat termometrik yang digunakan biasanya berupa raksa.
Cara kerja Termometer Bimetal
Pada peralatan listrik tertentu yang menggunakan elemen pemanas, misalnya setrika, sistem bimetal ini digunakan sebagai pemutus dan penyambung arus listrik. Jika suhu elemen pemanas listrik melebihi nilai tertentu , maka lengkungan bahan bimetal akan memutus sakelar sehingga arus listrik terputus. Jika suhu elemen listrik kurang dari nilai tertentu, maka bimetal akan kembali ke posisi semula sehingga arus listrik kembali tersambung. Bimetal dengan prinsip ini disebut termostat.
Cara Kerja Pirometer Optik
Pirometer optik mendeteksi sinar inframerah yang diradiasikan benda bersuhu tinggi. Biasanya , alat ukur tersebut berbentuk pistol. Dengan Pirometer digital, nilai suhu yang diukur akan langsung muncul di layar
Kalibrasi Termometer
Pada termometer alkohol dan termometer air raksa perubahan terjadi berdasarkan sifat pemuaian bahannya ketika temperature berubah. Kalibrasi termometer adalah proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut ini beberapa langkah melakukan kalibrasi termometer :
Siapkan termometer, baik termometer air raksa dan juga termometer alkohol.
Siapkan es dan air secukupnya.
Siapkan sebuah pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan air hingga mendidih.
Didihkan air lalu masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Ketika air semakin panas atau suhu air meningkat, permukaan air raksa atau alkohol bergerak keatas. Setelah air mendidih, permukaan atas alkohol atau air raksa berhenti bergerak. Ini adalah temperatur titik didih air atau titik uap. Tandai ujung kolom air raksa atau alkohol tersebut. Pastikan angka pada termometer menunjukkan 100o C.
Masukkan es dan air ke dalam sebuah wadah (air dan es mempunyai massa yang sama). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air dan es.
Pada mulanya termometer bersentuhan dengan udara sehingga termometer lebih panas dari es. Setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom alkohol atau air raksa akan berkurang karena campuran air dan es lebih dingin. Biarkan hingga panjang kolom alkohol atau air raksa tidak berubah (permukaan atas alkohol atau air raksa tidak bergerak), ini berarti campuran es batu dan air telah berada dalam kesetimbangan termal. Tandai posisi kolom alkohol atau air raksa tersebut (tandai bagian ujung atas kolom air raksa). Ini adalah suhu titik lebur es atau titik beku air. Pastikan angka pada termometer menunjukkan 0o C.
Termometer raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah (lebih rendah dari 0oC) atau suhu yang sangat tinggi (lebih tinggi dari 100oC).
Beberapa Skala Termometer
ada beberapa skala termometer seperti celcius,reamur.fahrenheit,dan kelvin.
Termometer Celcius
Adalah termometer yang menggunakan skla atausatuan derajat celcius( ), Skala ini ditemukan oleh ANDERS CELSIUS. Pada skala celcius, es mencair pada suhu 0 dan air mendidih pada suhu 100 untuk tekana udara sebesar 1 atm. Jarak antara titik lebur es dan tititk didih air adalah 100 skla Celsius
Termometer Fahrenheit
Adalah termometer yang menggunakan skla fahrenheit. Skala ini ditemukan oleh GABRIEL DANIEL FAHRENHEIT, sesorang ilmuan jerman. Pada skala fahrenheit, es mencair pada suhu 32 dan air mendidih pada suhu 212 untuk tekanan udara sebesar 1 atm. Jarak antara titik lebur es dan titik didih air adalah 180 skala fahrenheit
Termometer Reamur
Adalah termometer yang menggunakan skala reamur. Pada skala reamur air mendididh pada suhu 0°R dan air mendidih pada suhu 80°R untuk tekana udara 1 atm. Jarak antara titik lebur es dan tititk didih air adalah 80 skala reamur
Termometer Kelvin
Adalah termometer yang menggunakan skala Kelvin. Skala ini ditemukan oleh WILLIAM THOMSON KELVIN , seorang ilmuan Inggris. Pada skala Kelvin,es mencair pada suhu 273 K dan air mendidih pada suhu 373K untuk tekanan udara sebesar 1 atm.jarak antara titik lebur es dan titik didih air adalah 100 skala Kelvin
Faktor
Celcius
Fahrenheit
Reamur
Kelvin
Titik tetap bawah
0
32
0°R
273 K
Titik tetap atas
100
212
80°R
373 K
Jarak antara titik tetap bawah dan titik tetap atas
100 skala
180 skala
80 skala
100 skala
Konversi Skala Termometer
Skala termometer yang dipakai negara Amerika Serikat dan beberapa negara lain dalah skala Fahrenheit, sedangkan di Indonesia adalah skala Celcius.
Konversi skala Celcius – Reamur
Tc = 54 TR atau TR= 45 TC
Konversi skala Celcius – Fahrenheit
TC = 59(TF – 32 ) atau TF = 95TC + 32
Konversi Skala Celcius – kelvin
TC = TK – 273 atau TK = TC + 273
Konversi Skala Reamur – Fahrenheit
TR = 45(TF – 32) atau TF = 94TR +32
Konversi skala Reamur – Kelvin
TR = 45(TK – 273 ) atau TK = 54 TR + 273
Konversi skala Fahrenheit – Kelvin
TF = 95(TK – 273 ) atau TK = 59(TF – 32)+273
KALOR
Kalor adalah salah satu bentuk energi yang mengalir karna perbedaan suhu.
Kalor memiliki dimensi sama dengan dimensi energi secara umum, yaitu [M][L][T]-1 dengan satuan SI yang disebut joule (J). Kalor merupakan besaran turunan.
Ketika dua benda yang memiliki perbedaan suhu bertemu maka kalor akan mengalir (berpindah) dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.
Contoh dikehidupan sehari - hari adalah etika kita mencampurkan air dingin dengan air panas, maka kita akan mendapatkan air hangat.
Suhu dan kalor merupakan sesuatu yanng berbeda. Suhu adalah nilai yang terukut pada termometer, sedangkan kalor adalah energi yang mengalir dari sutau benda ke benda lainnya.
Jika sejumlah Q kalor diberian pada suatu benda bermassa M hingga menyebabkan kenaikan suhu benda sebesar T , maka besar kenaikan suhu tersebut sebanding dengan besar kalor dan berbanding terbaik dengan massa benda itu, serta berbanding terbalik pula dengan suatu besaran karakteristik benda yang disebut kalor jenis / kalor spesifik.
Dalam bentuk persamaan, pernyataan diatas dapat dituliskan sebagai :
T = Q / m . c atau Q = m . c . T
T = perubahan suhu benda Q = kalor (J) M = massa (kg) C = kalor jenis (J/kg.oC atau J/kg.k)
kalor jenis benda adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikan atau menurunkan suhu 1 kilogram massa benda sebesar 1oC atau 1 K.
Kalor jenis merupakan besaran spesifik yang berbeda – beda nilainya untuk setiap jenis zat. Makin besar kalor jenis suatu zat , makin banyak kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu zat itu. Kalor jenis benda dapat diukur dengan kalori meter
Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan suhu benda sebesar 1oC / 1 K.
Kapasitas kalor (C) dirumuskan sebagai :
C = m . c
M = massa c = kalor jenis benda
Dengan demikian dapat dinyatakan juga dengan :
Q = C delta T
Q = kalor (J) C = kalor jenis (J/kg.oC atau J/kg.k) delta T = besar kenaikan suhu benda (oC / K)
Joseph Black, seorang ilmuwan inggris menemukan fakta bahwa :
"banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima oleh benda yang bersuhu lebih rendah"
Pernyataan diatas disebut asas Black yang dalam bentuk persamaan sederhana dapat ditulis :
Q dilepas = Q diterima
Q dilepas = kalor yang dilepas oleh benda bersuhu tinggi Q diterima = kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah
Jika kalor mengalir dari benda bermassa m1 yang kalor jenisnya c1 dan suhunya T1 ke benda bermasa m2 yang kalor jenisnya c2 dan suhunya T2, maka suhu bermassa m2 akan naik sebesar delta T, sedangkan suhu bermassa m1 akan turun sebesar delta T sehingga pada keadaan setimbang, suhu kedua benda sama yaitu T
Dapat ditulis dengan persamaan :
M1 c1 delta T1 = m2 c2 delta T2 atau m1 c1 (T1 – T ) = m2 c2 (T – T2)
Besar kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud benda sebanding dengan massa benda dan nilai karakteristik benda itu yang diwakili suatu besaran yang disebut kalor laten.
Kalor laten (L) dapat didefinisikan sebagai besar kalor yang diperlukan oleh 1 kilogram zat tersebut untuk berubah wujud.
Kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud benda dapat dirumuskan dengan :
Q = m . L
Q = kalor m = massa L = kalor laten
Ada dua macam kalor laten sehubungan dengan perubahan wujud zat, yaitu :
Kalor lebur (Lb)
Kalor lebur adalah besar kalor yang diperlukan oeh 1 kilogram zat tersebut untuk berubah dari wujud padat ke cair.
Rumus umum :
Q = m . L
Kalor uap (Lu)
Kalor uap adalah besar kalor yang diperlukan oleh 1 kilogram zat tersebut untuk berubah dari wujud padat ke wujud uap.
Rumus umum :
Q = m . L
Grafik tersebut menunjukan hubungan antara kalor dan perubahan wujud zat. Proses perubahan wujud zat ditunjukkan pada saat grafik berupa garis horrizontal dan nilai suhu bersesuaian dengan garis horizontal tersebut merupakan titik perubahan wujudnya
PEMUAIAN ZAT
Besar kecilnya pemuaian dipengaruhi ukuran benda dan besar perubahan suhunya. Selain itu, besar-kecilnya pemuaian pada benda juga dipengaruhi besaran karakteristik benda yang disebut koefisien muai. Berdasarkan bentuk geometri benda, pemuaian dapat terjadi dalam hal panjang, luas, dan volume benda.
Pemuaian zat padat.
Dapat ditinjau dari pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. Pemuaian zat padat terjadi karena benda padat tersebut mengalami perubahan suhu dari suhu rendah ke tinggi. Besarnya pemuaian zat padat tergantung dari koefisien muai dari benda padat tersebut.
Hampir semua zat padat akan memuai jika dipanaskan. Setiap benda padat yang dipanaskan akan mengalami pemuaian panjang, pemuaian luas dan pemuaian volume. Pemuaian itu dapat berupa bertambah panjang (linear), bertambah luas, atau bertambah volumenya. Hal ini karena partikel-partikel benda akan bergerak lebih cepat jika suhunya dinaikkan. Karena gerakan inilah partikel membutuhkan ruang yang lebih luas untuk bergerak. Akibatnya, volume zat padat tersebut bertambah besar.
Muai Panjang / Muai Linear Zat Padat.
Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan alat Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat Musschenbroek dipanaskan maka batang logam akan bertambah panjang. Namun, pertambahan panjang batang logam yang satu dengan yang lain berbeda. Artinya, tingkat pemuaian logam-logam tersebut juga berbeda. Logam yang paling besar pemuaiannya akan mendorong jarum penunjuk hingga berputar paling jauh, sedangkan logam yang pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk berputar paling dekat. Jika digunakan batang logam aluminium, baja, dan besi maka logam aluminium memuai paling besar, sedangkan besi adalah logam yang memuai paling kecil.
Alat ukur muai panjang Musschenbroek
Alat Musschenbroek dapat menunjukkan :
a. pemuaian dan pertambahan panjang zat padat jika dipanaskan.
b. pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu.
c. pemuaian zat padat sebanding dengan kenaikan suhunya.
Pemuaian panjang zat padat ditentukan oleh koefisien muai panjang zat padat itu.
Koefisien Muai Panjang
Untuk memahami koefisien muai panjang zat padat, mari kita perhatikan uraian berikut ini.
Sebatang tongkat tembaga pada suhu 0oC panjangnya 10 m. Jika tongkat tembaga tersebut dipanaskan sampai 100oC maka panjangnya menjadi 10,017 m. Berapakah pertambahan panjang tembaga jika suhunya hanya naik 1oC? Pada suhu 0oC, panjang tembaga 10 m (l0), pada suhu 100oC (t) panjangnya 10,017 m (lt).
Pertambahan panjang 10 m tembaga jika suhu naik dari 0oC – 100oC
=10,017m–10m
= lt – l0
Pertambahan panjang 10 m tembaga jika suhu naik dari 0oC – 1oC
Pertambahan panjang 1 m tembaga jika suhunya naik dari 0oC – 1oC adalah
Pertambahan panjang 1 m benda tiap kenaikan suhu 1oC ini disebut koefisien muai panjang (α). Jadi, koefisien muai panjang suatu benda adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang suatu benda tiap satuan panjang jika suhu benda tersebut naik 1oC. Dengan demikian, jika dinyatakan bahwa koefisien muai panjang tembaga adalah 0,000017/oC maka berarti setiap 1 meter tembaga yang suhunya dinaikkan 1oC akan bertambah panjang 0,000017 meter. Jika ditulis dalam persamaan maka :
atau dapat juga dituliskan dalam bentuk
Sebatang tongkat logam pada suhu t1 panjangnya l1 dan pada suhu t2 panjangnya l2. Dengan proses matematika dapat diperoleh persamaan sebagai berikut.
Satuan koefisien muai panjang ini adalah …/oC atau …/K.
Koefisien muai panjang zat padat
Muai Luas Zat Padat
Pemuaian dalam zat padat sebenarnya terjadi ke semua arah, yaitu memanjang, melebar, dan menebal. Namun, pengukuran pemuaian panjang pada benda padat sudah dianggap cukup memadai untuk mewakili pemuaian luas. Misalnya, menghitung pemuaian luas sebuah benda yang berupa lembaran tipis berbentuk persegi panjang dengan menghitung terlebih dahulu muai panjang dan muai lebarnya dengan persamaan yang berlaku pada pemuaian panjang.
Jika pada suhu t1 luas benda adalah A1 dan pada suhu t2 luasnya A2 maka berlaku persamaan muai luas dengan pendekatan sebagai berikut.
A2 = A1 {1+2α (t2-t1)}
atau
A2 = A1 {1+β (t2-t1)}
A2 = A1 {1+β . Δt}
β = 2α
β = koefisien muai luas
Persamaan di atas cukup memadai untuk menghitung persoalan sederhana sehubungan dengan pemuaian luas benda padat (terutama untuk benda-benda padat dengan koefisien muai panjang yang kecil). Koefisien muai luas zat padat adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan luas suatu benda tiap satuan luas jika suhunya naik 1oC.
Muai Ruang / Muai Volume Zat Padat.
Untuk membuktikan adanya muai ruang pada benda yang berbentuk bola dapat menggunakan alat s'Gravesande. Jika bola dipanaskan, bola memuai, volumenya bertambah besar sehingga tidak dapat masuk ke dalam gelang. Setelah beberapa saat, gelang ikut panas dan bola dapat masuk kembali ke dalam gelang. Itu berarti, panas pindah dari bola ke gelang dan diameter gelang membesar.
Alat ukur muai ruang/muai volume gelang s'Gravesande
Dengan gelang s'Gravesande dapat dibuktikan bahwa
zat padat jika dipanaskan akan memuai dan volumenya bertambah besar.
pemuaian benda berongga akan memperbesar rongganya (arah pemuaiannya kel uar rongga).
panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya.
Pemuaian volume zat tergantung jenis zat padatnya. Sebuah benda padat pada suhu 0oC volumenya V0, pada suhu toC, volumenya Vt. Pertambahan volume tiap satuan suhu benda padat adalah sebesar :
Bilangan yang menunjukkan pertambahan volume suatu benda tiap satuan volume jika suhunya naik 1oC disebut koefisien muai ruang (γ). Jadi,
Persamaan di atas dapat diubah menjadi persamaan berikut ini.
Vt = V0 (1 + γt)
Jika volume zat padat pada t1 adalah V1 dan volume pada t2 adalah V2 maka berlaku
Untuk zat padat yang angka muainya sangat kecil, berlaku persamaan
V2 = V1 {1 + γ (t2-t1)}
V2 = V1 {1 + γ Δt}
Hubungan antara koefisien muai ruang (γ) dengan koefisien muai panjang (α) dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.
γ = 3α
Pada konstruksi jembatan, pada setiap sambungan diberikan ruang kosong (spasi) yang berfungsi untuk menghindari tekanan antara bagian jembatan dengan jalan akibat terjadinya pemuaian zat padat.
CONTOH SOAL
Panjang sebatang alumunium pada suhu 0 oC adalah 2 meter. Koefisien muai panjang alumunium 2,35 . 10-5 /oC. Panjang alumunium pada suhu 50 oC adalah...
Diketahui:
T0 = 0 oC
T1 = 50 oC
L0 = 2 m
α = 2,35 . 10-5 /oC
Ditanya: L1 = ...
Jawab:
Terlebih dahulu hitung perubahan panjang.
ΔL = L0 . α . ΔT = 2 m . 2,35 . 10-5 /oC . (50 0C – 0 oC)
ΔL = 4,7 m . 10-5 /oC . 50 oC = 235 . 10-5 m = 0,00235 m
Menghitung L1
ΔL = L1 – L0
L1 = ΔL + L0 = 0,00235 m + 2 m = 2,00235 m
Pada saat dilakukan pemasangan rel kereta api suhu udara sekitar adalah 27 oC. Panjang tiap batang rel adalah 1,75 meter. Suhu tertinggi yang pernah dicatat di daerah itu adalah 37 oC. Jika koefisien muai panjang besi 1,2 . 10-5 /oC, maka jarak antar rel pada waktu pemasangan agar rel tidak bengkok adalah...
Diketahui:
T0 = 27 oC
T1= 40 oC
L0 = 1,75 m
α = 1,2 . 10-5 /oC
Ditanya: ΔL = ...
Jawab:
ΔL = L0 . α . ΔT = 1,75 . 1,2 . 10-5 /oC (37 oC – 27 oC)
ΔL = 2,1 . 10-5 /oC . 10 oC = 2,1 . 10-4 m
Sebatang baja pada suhu 20 oC panjangnya 100 cm. Kemudian memuai sehingga panjangnya menjadi 100,1 cm. Jika koefisien muai panjang baja 10-5 /oC maka suhu akhir baja tersebut adalah...
Diketahui:
T0 = 20 oC
L0 = 100 cm
L1 =100,1 cm
α = 10-5 /oC
Ditanya: T1 = ...
Jawab:
Terlebih dahulu hitung ΔL.
ΔL = L1 – L0 =100,1 cm – 100 cm = 0,1 cm
Menghitung ΔT
ΔL = L0 . α . ΔT
Menghitung T1
ΔT = T1 – T0
T1 = ΔT + T0 = 100 oC + 20 oC = 120 oC
Sebuah silinder tembaga pada suhu 25 oC volumenya 1 liter. Jika koefisien muai panjang tembaga 2 . 10-4 /oC, maka volume silinder ketika suhunya 105 oC adalah..
Diketahui:
T0= 25 oC
T1= 105 oC
V0 = 1 L
α = 2 . 10 (-4) /oC
Ditanya: V1 = ...
Jawab:
Terlebih dahulu hitung γ.
γ = 3α = 3 . 2 . 10-4 /oC = 6 . 10-4 /oC
Menghitung ΔV
ΔV = 1 L . 6 . 10-4 /oC . (105 – 25) 0C = 6 . 10-4 L . 80
ΔV = 480 . 10-4 L = 0,048 L
Menghitung V1
ΔV = V1 – V0
V1 = ΔV + V0 = 1 L + 0,048 L = 1,048 L
Suatu kubus dari bahan alumunium pada suhu 25 oC memiliki panjang rusuk 10 cm. Kubus tersebut dipanaskan hingga suhu 225 oC. Jika koefisien muai panjang alumunium 1,2 . 10-5 /oC maka volume kubus menjadi...
Diketahui:
T0 = 25 oC
T1 = 225 oC
s = 10 cm
α = 1,2 . 10-5 /oC
Ditanya: V1 =...
Terlebih dahulu hitung volume kubus V0.
V0 = s . s . s = 10 cm . 10 cm . 10 cm = 1000 cm3 = 103 cm3
Menghitung γ.
γ = 3α = 3 . 1,2 . 10-5 /oC = 3,6 . 10-5 /oC
Menghitung ΔV
ΔV = 103 cm3. 3,6 . 10-5 /oC . (225 – 25) oC
ΔV = 3,6 . 10-2 cm3 . 200 = 720 . 10-2 cm3 = 7,2 cm3
Menghitung V1.
ΔV = V1 – V0
V1 = ΔV + V0 = 7,2 cm3 + 1000 cm3 = 1007,2 cm3
Perpindahan Kalor Secara Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi pada medium padat. Dalam perpidahan ini yang berpindah hanyalah kalor dan mediumnya tidak ikut berpindah. Contohnya ketika seorang pandai besi sedang membuat parang atau pisau bagian ujung besi yang tidak dipanaskan akan ikut panas. Inilah sebabnya kenapa pandai besi menggunakan sarung tangan sebagai isolator. Kalor dari perapian berpindah dari ujung besi yang dipanaskan ke ujung lain yang tidak dipanaskan. Itulah contoh sederhana bahwa kalor memang berpindah.
Secara sederhana laju perpindahan kalor bisa dirumuskan sebagai kalor yang mengalir persatuan waktu. Laju perpidahan kalor secara koduksi dirumuskan sebagai perkalian antara konduktivitas kalor (k) dengan luas penampang (A)dan selisih suhu kedua titik ( T2-T1) dibagi dengan jarak kedua titik (x). Rumus laju perpindahan kalor nya:
Contoh Perpindahan Panas secara Konduksi :
Ujung logam akan terasa panas jika ujung yang lain dipanaskan, misalnya saat kita mengaduk adonan gula, air panas, dan kopi dengan menggunakan sendok logam; saat kita memegang kawat logam kembang api yang sedang menyala
Knalpot akan panas ketika mesin motor dihidupkan
Mentega akan meleleh ketika diletakkan di wajan yang tengah dipanaskan
Tutup panci terasa panas saat panci digunakan untuk memasak
Air akan mendidih ketika dipanaskan menggunakan panci logam dan sejenisnya
Contoh Soal
1. Batang besi homogen salah satu ujungnya dipanasi. Besi itu memiliki luas penampang 17 cm2 dan konduktivitas termal 4 . 105 J/s.m.0C. panjang batang 1 m dan perbedaan suhu kedua ujung 30 0C. Kalor yang merambat dalam batang besi selama 2 detik adalah...
A. 2,81 . 103 J
B. 4,08 . 104 J
C. 4,08 . 105 J
D. 6,00 . 105 J
E. 7,10 . 106 J
Pembahasan:
Diketahui:
A = 17 cm2 = 17 . 10-4 m2
k = 4 . 105 J/m.s.0C
L = 1 m
T = 30 0C
t = 2 s
Ditanya: Q (t = 2 s) = ...
2. Dua batang A dan B berukuran sama masing-masing mempunyai koefisien konduksi 2k dan k. Keduanya dihubungkan menjadi satu dan pada ujung-ujung yang bebas dikenakan suhu seperti gambar.
Suhu (T) pada sambungan A dan B adalah...
A. 80 0C
B. 100 0C
C. 120 0C
D. 150 0C
E. 160 0C
Pembahasan:
Diketahui:
LA = LB
AA = AB (ukuran sama)
kA = 2k
kB = k
TA = 210 0C
TB = 30 0C
Ditanya: T = ...
Jawab:
Untuk soal ini, laju hantaran kalor logam A sama dengan laju hantaran kalor logam B.
Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Konveksi merupakan perpindahan kalor yang terjadi pada medium cair dan gas. Berbeda dengan konduksi,perpindahan kalor ini disertai dengan perpindahan medium. Jadi yang bergerak tidak hanya kalor tetapi juga medium perambatannya.
Contoh perpindahan kalor secara konveksi misalnya ketika sobat hitung masak air, ketika air mendidihterjadi perpindahan kalor dari api kompor ke panci kemudian ke air. Perpindahan ini juga diiringi perpindahan atau bergeraknya medium berupa air. Laju perpindahan kalor secara konveksi dapa dirumuskan
h = adalah tetapan konveksi. Setiap benda memiliki tetapan konveksi yang berbeda. Semakin mudah benda itu menyerap atau melepas kalor dan memindahkannya maka semakin besar nilai tetapan ini. A adalah luas penampang melintang dan T2-T1 adalah selisih suhu.
Contoh Perpindahan Panas secara Konveksi:
Gerakan naik turunnya air yang sedang mendidih saat direbus
Gerakan naik turunnya kacang hijau, beras, kedelai saat direbus
Terjadinya angin darat dan laut
Gerakan balon udara
Asap pada cerobong asap bergerak naik
Perpindahan Kalor Secara Radiasi
Berbeda dengan 2 jenis perpindahan kalor sebelumnya yang menggunakan medium, perpindahan kalor ini tdak membutuhkan medium atau perantara. Apa contohnya? Panas matahari yang sampai kebumi melewati ruang angkasa yang hampa udara (tanpa ada medium). Setiap benda bisa menyerap kalor dipancarkan secar radiasi. Akan tetapi yang menentukan daya serap dan daya bukannlah jenis bahan benda tersebut melainkan warnanya.
Semakin hitam sebuah benda maka benda tersebut akan cenderung semakin menyerap panas yang dipancarkan melalui radiasi. Kehitaman sebuah inilah yang disebut sebagai emisivitas bahan disimbolkan dengan e. Laju penyerapan kalor yang dipancarkan secara radiasi dirumuskan
Dengan e adala emisivitas benda, dimana jika benda hitam mempunyai nilai e = 1 jka benda berwarna hitam dan e bernilai 0 (nol) jika benda berwarna putih. σ adalah konstanta Setfan-Boltzman σ = 5,67 x10-8C. A adalah luas permukaan benda dan T adalah suhu dalam kelvin.
Contoh Perpindahan Kalor secara Radiasi :
Tubuh terasa hangat ketika dekat dengan api atau jenis panas lainnya. Misalkan saat tangan kita didekatkan pada kompor gas yang sedang menyala, hangatnya tubuh ketika dekat dengan api unggun
Panas matahari sampai ke bumi meski melewati ruang hampa
Menjemur pakaian memanfaatkan perpindahan panas secara radiasi
Menetaskan telur ayam/bebek dengan lampu
Menjemur pakaian saat siang hari
Contoh:
1. Benda hitam sempurna luas permukaannya 1 m2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam.
Jawab:
Benda hitam, maka e = 1
T1 = 300 K
T2 = 350 K
σ = 5,67.10-8 watt m-2K-4
a. Kalor yang diserap per satuan waktu = e σ ( T24 – T14) = 1. 5,67.10-8 (3504 – 3004) = 391,72 watt/m2
b. R = Q/A.t = 391,72. 1. 3600 = 1.410.120 Joule =
2. Sebuah plat baja dengan panjang 2 m dan lebar 0,5 m suhunya 227 0C. Bila tetapan Boltzman = 5,67 . 10-8 W/m2.K4 dan plat baja hitam sempurna, maka energi total yang dipancarkan setiap detik adalah...
A. 3345,57 Joule
B. 3345,75 Joule
C. 3543,75 Joule
D. 4533,75 Joule
E. 7087,5 Joule
Pembahasan:
Diketahui:
P = 2 m
L = 0,5 m
T = 227 0C = (227 + 273)K = 500 K = 5,67 . 10-8 W/m2.K4
e = 1 (benda hitam e = 1)
Ditanya: W = ...
Jawab:
Terlebih dahulu hitung luas permukaan A.
A = P . L = 2 m . 0,5 m = 1 m2
Menghitung W.
W = e . A . T4 = 1 . 5,67 . 10-8 W/m2. K4 . 1 m2 . (500 K)4
W = 5,67 . 10-8 W/K4 (625 . 108 K4) = 3543,75 Joule
Jawaban: C
Soal Latihan Cara Perpindahan
1. Dua buah dinding masing-masing tebalnya 3 cm dan 5 cm. Koefisien konduksi masing-masing dinding adalah 0,1 kal/cm.s.C dan 0,2 kal/cm.s.C seperti terlukis pada gambar.
Besar temperatur bidang batas antara kedua dinding adalah...
A. 32 C
B. 45 C
C. 59 C
D. 63 C
Perpindahan Kalor Secara Radiasi Mencegah Perpindahan Kalor
Energi kalor dapat dicegah untuk berpindah dengan mengisolasi ruang tersebut. Misalnya, pada penerapan beberapa peralatan rumah tangga, seperti termos dan setrika listrik.
a. Termos
Mengapa permukaan di dalam botol termos mengilap? Dindinnya berlapis dua ruang di antara kedua dinding itu dihampakan. Dengm demikian, zat cair yang ada di dalamnya tetap panas untuk waktu yang relatif lama. Termos dapat mencegah perpindahan kalor, baik secara konduksi, konveksi, maupun radiasi.
b. Setrika Listrik
Mengapa pakaian yang disetrika menjadi halus atau tidak kusut? Di dalam setrika listrik terdapat lamen dari bahan nikelin yang berbentuk kumparan. Kurnparan nikelin ini ditempatkan pada dudukan besi. Ketika listrik mengalir, lamen setrika listrik menjadi panas. Panas ini dikonduksikan pada dudukan besi dan akhirnya dikonduksikan pada pakaian yang disetrika. Dengan demikian, setrika mengkonduksi kalor pada pakaian yang disetrika.
