Bab 6
SUHU dan KALOR 6.1 Mengukur Suhu (Temperatur) Suhu (temperatur) suatu benda adalah ukuran relatif panas dan dinginya benda tersebut. Untuk mengukur suhu tidak dapat digunakan alat peraba dari indra kita, karena akan sangat subjektif dan dari orang ke orang akan berbeda tergantung pada sensitivitas indra perasanya. Oleh sebab itu suhu diukur dengan suatu alat yang disebut termometer . Dalam membuat skala termometer, kita harus menentukan terlebih dulu suhu acuan. Dari sini ada tiga jenis termometer yang berbeda skalanya yang dikenal saat ini, yaitu termometer Celcius, Celcius , Reamur , dan Fahrenheit . Penentuan skala pada termometer Celcius dipakai angka 0 pada saat es mencair dan angka 100 ketika air mendidih. Antara angka nol dan 100 dibagi menjadi 100 bagian secara linier. Tiap bagian disebut derajat atau derajat atau skala celcius. celcius. Pembagian ini dapat diteruskan ke atas atau ke bawah. Jadi pada termometer ini es mencair pada 0 oC, dan air mendidih pada 100 oC. Skala Reamur dibuat dengan mengambil angka 0 untuk es mencair dan angka 80 untuk air mendidih. Antara angka 0 dan 80 dibagi menjadi 80 bagian secara linier. Tiap bagian disebut skala Reamur. Termometer Fahrenheit, berbeda dengan termometer celcius dan reamur dalam mengambil suhu acuan. Pada termometer Fahrenheit es mencair pada angka 32 dan air mendidih pada angka 212. Antara angka 32 dan 212 dibagi menjadi 180 bagian secara linier. Tiap bagiannya disebut skala Fahrenheit. Dengan demikian jumlah skala pada ketiga termometer ini adalah t R : t C : (t F − 32) = 4 : 5 : 9 (3.1) Pada (3.1) pada skala Fahrenheit t F F dikurangi dengan 32, karena skala Fahrenheit dimulai dari 32 bukan dari 0, sedangkan yang lain mulai dari 0.
59
Contoh 1 : Suhu tubuh manusia yang sehat 37 oC. Berapa angka yang ditunjukkan oleh termometer Reamur, dan Fahrenheit untuk angka ini?
Jawab : Gunakan (3.1) kita dapatkan
Skala Reamur :
t R t C
Skala Fahrenheit :
=
4 5
⇒ t R =
t F − 32 t C
=
9 5
4 5
t C =
⇒ t F =
4 5 9 5
37 = 29,6 o R t C + 32 =
9 5
37 + 32 = 98,6 o F
Selain ketiga ukuran skala di atas, ada lagi skala yang dijadikan skala baku untuk suhu, yaitu skala kelvin (K). Skala ini diambil pada keadaan semua molekul dalam keadaan diam dan suhu ini disebut suhu nol absolut. Besar angka ini adalah – 273,16 oC. Jadi untuk skala kelvin ini dapat dituliskan T = t C + 273,16 (3.2) Dengan demikian ketika es mencair, 0 oC, kita tuliskan sebagai 273,16 K, dan ketika air mendidih sama dengan 373,16 K, sedangkan 0 K sama dengan –273,16 oC.
6. 2 Pemuaian Bila suhu suatu benda dinaikkan, umumnya benda tersebut (gas, cair, atau padat) akan memuai, dan bila suhunya diturunkan akan mengerut. Oleh sebab itu pada sambungan rel kereta api selalu ada ruang kosong agar, bila rel memuai, rel tetap lurus. Atau bila tukang bangunan memasang kaca pada kusen jendela atau pintu, selalu diberi celah agar, bila kaca memuai, tidak pecah. Ada tiga jenis pemuaian : pemuaian linier atau pemuaian panjang (satu dimensi), pemuaian luas (dua dimensi), dan pemuaian ruang atau volume (tiga dimensi). Pada benda padat pemuaian bisa pemuaian panjang, luas, atau volume, sedangkan pada benda cair dan benda gas pemuaiannya adalah pemuaian ruang (volume).
60
6.2.1 Muai Panjang Gambar 3.1 memperlihatkan sebuah batang yang pada suhu t o panjangnya l o, kemudian dipanaskan sampai suhu t , dan panjangnya menjadi l . Perubahan panjangnya adalah ∆l = α l o ∆t (3.3) dengan ∆l = l = l – l – l o dan ∆t = t = t – t – t o. Konstanta pembanding α disebut koefisien muai panjang, dan diberikan oleh ∆l
α =
l o ∆t
l o
l
Gambar : Pemuaian panjang pada sebuah batang Satuan untuk α per oC atau dapat ditulis sebagai / oC. Besarnya nilai konstanta ini bergantung pada jenis benda. Makin besar nila koefisien muainya, makin cepat dia mengalami perubahan panjang. Nilai koefisien muai panjang untuk beberapa zat diberikan pada tabel 3.1 di bawah ini. Tabel 3.1 Beberapa nilai dari α α (per oC) Zat Aluminium 23 × 10–6 Kuningan 19 × 10–6 Tembaga 17 × 10–6 Gelas (biasa) 9 × 10–6 Gelas (pirex) 3,2 × 10–6
Zat Karet keras Es Invar Timbal Baja
α (per oC) 80 × 10–6 51 × 10–6 0,7 × 10–6 29 × 10–6 11 × 10–6
Contoh 2 : Sebatang baja yang panjangnya 2 meter dinaikkan suhunya sebesar 30 oC. Berapakah panjang baja itu sekarang? Jawab : ∆l = α l o ∆t = 11× 10 −6 × 2 × 30 = 0,066 cm Atau l = l o + ∆l = 200,066 cm 61
6. 2. 2 Koefisien Muai Luas Gambar 3.2 memperlihatkan sebuah benda berbentuk empat persegi, yang bila dipanaskan akan mengalami pemuaian luas. Jika pada t o luasnya A luasnya Ao dan pada t luasnya t luasnya menjadi A menjadi A,, maka perubahan luas ∆A akan sebanding dengan perubahan suhu ∆t.
∆ A = β Ao ∆t
(3.4)
dengan β adalah konstanta pembanding yang disebut koefisien muai luas. Dari gambar 3.2 dapat dicari hubungan antara koefisien muai luas dengan koefisien muai panjang sebagai berikut : pertambahan luas akibat pertambahan suhu adalah ∆ A = A – Ao, sedangkan A sedangkan A = ( x o + ∆ x )( )( y o + ∆y ) = ( x x o + α x o∆t )( )( y o + α y yo ∆t ), ), sehingga kita dapatkan
∆ A = x o y o 1 + 2α ∆t + (α ∆t ) 2 − x o y o karena α sangat kecil, maka unsur ( α∆t)2 dapat diabaikan dan akhirnya kita dapatkan ∆ A = 2α Ao∆t . Kemudian bandingkan dengan (3.4), maka diperoleh β 2α (3.5) =
x ∆ Ao
y ∆ Gambar : Benda yang mengalami luai luas
6.2.3 Muai Volume Benda yang mengalami muai volume akan memuai dalam tiga dimensi. Contoh ini diperlihatkan pada gambar 3.3 di bawah ini. 62
V o
V
t o
t
Gambar : Benda yang mengalami muai volume
Perubahan volume diberikan oleh ∆V = γ V o ∆t
(3.6)
dengan ∆V perubahan volume dan γ disebut koefisien muai volume dan hubungannya dengan koefisien muai panjang adalah γ = 3α (3.7) Pada kasus air, bila air di panaskan akan memuai seperti kebanyakan zat, tapi bila air ini di dinginkan, pada suhu 4 oC volumenya minimum, sehingga bila air ini suhunya diturunkan lagi volumenya akan naik lagi peristiwa ini disebut anomali air . Pada gas, pemuaian dapat dapat dilakukan dengan mempertahankan tekanan gas tetap atau volume gas yang tetap. Bila gas dalam sebuah tabung dipanaskan, dengan mempertahankan tekanan gas tetap, maka volumenya akan bertambah dengan rumus V 1 V 2 = (3.8) T 1 T 2 dengan V 1 dan T 1 menyatakan volume dan suhu gas awal dan V 2 adalah volume gas bila suhu diubah menjadi T 2. Pada rumus di atas suhu T dinyatakan dalam kelvin (K). Bila volume dipertahankan, gas akan memuai, tapi kerena volumenya dijaga tetap, maka tekanan gas akan membesar, sehingga rumusnya menjadi P 1 P 2 = (3.9) T 1 T 2 63
dengan P 1 adalah tekanan gas pada T 1 dan P 2 tekanan gas pada T 2. Persamaan (3.8) dan (3.9) dapat digabung menjadi sebuah persamaan yang dikenal sebagai persamaan Boyle-gay Lussac, yaitu P 1V 1 P 2V 2 = (3.10) T 1 T 2
6. 3 Kalor Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan di antara sebuah sistem dengan sekelilingnya sebagai akibat dari perbedaan suhu. Kalor adalah sejenis energi, yaitu energi panas. Satuan untuk kalor adalah kalori ( kalori (kal ). ).
Setiap zat mempunyai sifat yang berbeda dalam menerima kalor bila untuk massa tertentu dinaikkan suhunya. Perbandingan banyaknya kalor yang diberikan ∆Q terhadap perubahan suhu ∆T disebut kapasitas kalor . Jadi kapasitas kalor adalah ∆Q (3.11) C = ∆T Harus diingat di sini bahwa istilah “kapasitas” tidak menunjukkan kemampuan suatu benda untuk menerima kalor, tapi kapasitas kalor adalah jumalh energi yang harus ditambahkan supaya benda bertambah suhunya satu derajat. Kapasitas kalor persatuan massa benda dinamakan panas dinamakan panas jenis (specific heat ) atau sering kita sebut kalor jenis, jenis, yang merupakan karakteristik dari bahan benda tersebut dibuat : ∆Q c= (3.12) m∆T Dalam suatu sistem bila ada yang mengluarkan kalor, pasti ada yang menerimanya. Dari hukum kekekalan energi diperoleh bahwa kalor yang diterima harus sama dengan kalor yang dikeluarkan. Prinsip ini disebut sebagai asas Black . Jadi Qlepas = Qterima (3.13)
64
Karena kalor adalah sejenis energi, sedangkan satuan internasional untuk energi adalah joule, maka diperoleh hubungan 1 kal = 4,18 joule atau
1 joule =0,24 kal
Angka 4,18 atau 0,24 disebut tara kalor mekanik yang menunjukkan kesetaraan antara energi mekanik dengan energi kalor. Contoh 3 : sebatang besi massanya 2 kg diberi kalor sebanyak 9000 joule. Suhu mula-mula besi tersebut 25 oC, berapa suhu besi setelah menerima kalor ini. Kalor jenis besi adalah 450 J/kg oC. Jawab : dari (3.12) diperoleh ∆Q 9000 ∆t = = = 10 o C mc 2 × 450
Perubahan Wujud Bila sebatang es dipanaskan, es ini akan mencair menjadi air. Kemudian bila es yang sudah menjadi air ini terus dipanaskan dia akan mendidih. Setelah mendidih bila terusdipanaskan air ini akan menjadi uap. Peristiwa-peristiwa tersebut disebut perubahan wujud. Ada lima macam perubahan wujud : Perubahan dari wujud padat ke wujud cair, disebut melebur . 1. 2. Perubahan dari wujud cair ke padat disebut membeku. membeku. Perubahan dari wujud cair ke gas disebut menguap. menguap. 3. 4. Perubahan dari wujud gas ke cair mengembun. mengembun. 5. Perubahan dari wujud gas ke padat disebut menyublim. menyublim . Suhu ketika suatu zat mencair disebut titik leleh atau titik lebur sedangkan suhu kitika zat membeku disebut titik beku. Titik beku suatu zat sama dengan titik leburnya. Suhu ketika zat mendidih disebut titik didih atau titik uap, dan besarnya sama dengan titik embun, yaitu suhu ketika zat mengembun. Ketika suatu zat melebur atau menguap, dia tetap menerima kalor, tapi kalor ini tidak digunakan untuk menaikkan suhu. Kalor ini digunakan untuk meleburkan seluruh zat atau menguapkan seluruh zat. Kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan seluruh zat 65
disebut kalor lebur , sedangkan kalor untuk menguapkan seluruh zat disebut kalor uap. uap. Kalor lebur sama besarnya dengan kalor beku, sedangkan kalor uap sama dengan kalor embun. Kalor ini disebut juga kalor laten, karena berbeda untuk setiap zat. Besarnya kalor lebur atau kalor uap L adalah Q L = m Q mL atau (3.14) =
6.4 Perpindahan Kalor Ada tiga cara perpindahan kalor : konduksi , konveksi , dan radiasi . Konduksi adalah perpindahan kalor melalui hantaran. Benda-benda yang dapat menghantarkan panas secara konduksi dengan baik disebut konduktor ( konduktor ( logam adalah konduktor yang baik). Benda yang tidak dapat menghantarkan panas disebut isolator (kayu isolator (kayu adalah contoh isolator). Pada konduksi molekul-molekul zat penghantar tidak ikut bergerak yang bergerak hanya panasnya. Besarnya laju perpindahan kalor pada konduksi adalah ∆T (3.15) H = kA L
dengan H adalah H adalah laju hantaran kalor (satuannya kalori/detik) A luas penampang pe nampang konduktor ko nduktor,, L panjang konduktor, konduktor, dan ∆T adalah T adalah perbedaan suhu antara ujung-ujung konduktor. Konstanta pembanding k disebut k disebut konduktivitas termal yang termal yang tergantung pada jenis zat hantar. Contoh 4 : Sebuah batang gabungan, terdiri dari dua bahan konduktor, konduktor, kuningan kuni ngan (k = k = 2,6 × 10–2 kal/s.m. oC) dan tembaga (k (k = = 9,2 × 10–2 kal/s.m. oC) yang ketebalannya masing-masing, 75 cm dan 125 cm. Penampang kedua bahan konduktor sama, berupa lingkaran dengan jari-jari 2 cm. Ujung bebas dari kuningan diberi suhu 100oC, sedangkan ujung bebas tembaga diberi suhu 0 oC. berapakah suhu pada sambungan antara kuningan dengan tembaga? Jawab : perhatikan gambar 3.4 di bawah ini 66
75 cm
125cm
kun in gan
Tembaga
100oC
ToC
0oC
Gambar 3.4 Contoh perpindahan panas pada dua konduktor Untuk kuningan : H 1 = 2,6 × 10
−2
A
100 − T 75
− 2 T − 0 Untuk tembaga : H 2 = 9,2 × 10 A 125 Dalam keadaan setimbang, H 1 = H 2 = H . Jadi 100 − T T − 2,6 ×10 2 A = 9,2 ×10 − 2 A 75 125 atau T = T = 32,26oC.
Pada konveksi panas menjalar melalui pergerakan molekul pembawa panas. Perpindahan molekul ini karena perbedaan suhu yang mengakibatkan perbedaan massa jenis. Misalnya bila air dalam sebuah panci dipanaskan.
Bagian bawah kena panas sedangkan bagian atas tidak, karenanya massa jenis air bagian bawah akan lebih kecil dari bagian atas, sehingga air dari atas akan mendesak air bagian bawah dan air bagian bawah yang panas berpindah ke atas sambil membawa panasnya. Demikian seterusnya sehingga seluruh air itu menjadi panas. Pada radiasi panas mengalir tidak membutuhkan medium, tapi panas ini berpindah melalui pancaran. Contohnya adalah panas matahari sampai ke bumi melalui pancaran (radiasi). Semua benda yang memiliki suhu akan meradiasikan energi panas. Besarnya energi yang dipancarkan oleh benda yang luas penampangnya A penampangnya A dan suhunya T (K) T (K) adalah
P = eσ AT 4
(2.16)
67
σ = 5,67 × 10–8 W/m2K4 adalah konstanta stefan-boltzmann, sedangkan e disebut emisivitas benda yang bergantung pada <(0 jenis benda e <1). Untuk benda hitam sempurna e = 1. Benda hitam adalah benda yang dapat meradiasikan dan menyerap panas dengan baik.
Soal-soal Latihan 1. Suhu Suhu permuk permukaan aan mata matahari hari kir kira-kir a-kira a 6000 K. Nyatak Nyatakanla anlah h suhu suhu ini dengan skala Fahrenheit dan skala Celcius. 2. Pada Pada suhu suhu bera berapaka pakah h pasan pasangangan-pas pasanga angan n skala skala berikut berikut memberi-kan pembacaan yang sama : (a) Fahrenheit dan Celcius, (b) Fahrenheit dan Kelvin, (c) Celcius dan Kelvin. 3.
Rel baja jalan kereta api dipasang ketika suhu 0 oC. Panjang sepotong rel adalah 12 meter. Berapakah celah yang harus disediakan antara sambungan rel agar tidak terjadi kompresi bila suhu menjadi 42oC?
4.
Sebuah jendela gelas berukuran 20 cm x 30 cm pada suhu 10oC. Berapa pertambahan luasnya pada suhu 40 oC?
5.
Sebuah mangkuk aluminium kapasitasnya 0,1 liter diisi dengan air raksa pada suhu 12 oC. Berapakah air raksa, jika ada, yang tumpah bila suhu dinaikkan menkadi 18 oC? ( koefisien muai ruang air raksa 1,8 x 10 –8 /oC).
6.
Sebuah wadah terbuat dari logam yang massanya 3,6 kg dan berisi 14 kg air. air. Sepotong logam yang sama dan massanya 1,8 kg yang suhunya mula-mula 180 oC. dijatuhkan ke dalam air. Wadah dan air mula-mula suhunya 16 oC dan suhu akhir seluruh sistem adalah 18 oC. Berapakah kalor jenis logam tersebut?
7.
Dalam sebuah bejana yang massanya diabaikan terdapat a gram air 42 oC dicampur dengan b gram es –4oC. setelah diaduk ternyata 50% es melebur. Jika titik lebur es 0 oC, kalor
68
jenis es = 0,5 kal/groC, kalor lebur es = 80 kal/gr, maka perbandingan antara a dan b adalah A. 1:4 B. 1:2 C. 1:1 D. 2:1 E. 4:1 UMPTN ‘88 8.
Sebuah tabung yang volumenya 1 liter mempunyai lubang yang memungkinkan udara keluar dari tabung. Mula-mula suhu udara dalam tabung 27 oC. Tabung dipanaskan hingga 127oC. Perbandingan antara massa gas yang keluar dari tabung dengan massa awalnya adalah… A. 1:2 B. 1:4 C. 27:127 D. 1:27 E. 1:127 UMPTN ‘94
9.
Suatu benda hitam pada suhu 27 oC memancarkan energi R J/s. benda hitam tersebut dipanaskan sampai suhu 327 oC. Energi yang dipancarkan menjadi… A. 2R B. 4R C. 6R D. 12R E. 16 R UMPTN ‘90
10.
Sebuah kompor listrik yang dayanya 500 watt dan efisiensinya 40% digunakan untuk memanaskan 1 liter air yang suhu awalnya 20oC. Jika kalor jenis air adalah 4 J/gr oC, maka setelah ¼ jam suhu air menjadi ( oC)… A. 20,75 B. 45 C. 65 D. 77 E. 90 UMPTN ‘90
69
