11suhu Dan Kalor [PDF]

Citation preview

Suhu dan Kalor



BAB XI SUHU DAN KALOR



11.1



Tujuan Instruksional



11.1.1 Kompetensi Dasar 11.1.1.1 Menjelaskan Konsep Konduksi, Konveksi dan Radiasi. 11.1.1.2 Menganalisis mengenai peristiwa Konduksi, Konveksi dan Radiasi. 11.1.1.3 Mengidentifikasi tentang penerapan Konduksi, Konveksi dan Radiasi. 11.1.2 Indikator Keberhasilan 11.1.2.1 Siswa mampu memahami konsep Konduksi, Konveksi dan Radiasi. 11.1.2.2 Siswa mampu mendeskripsikan setiap peristiwa. 11.1.2.3 Siswa mampu menyimpulkan dan menerapkannya dalam kehidupan seharihari.



11.2 Kalorimeter 11.2.1 Skala Suhu Termometer Dalam pengalaman hidup sehari-hari maka cara yang paling sederhana untuk mengetahui apakah sesuatu itu panas atau dingin adalah dengan menyentuhnya, akan tetapi dengan cara ini kita tidak dapat memberikan ukuran bagi sesuatu benda akan panasnya. Sebagai gambaran sederhana bayangkanlah kita mempunyai tiga bejana yang masing-masing berisi air yang bercampur dengan es yang sedang mencair, yang berikut berisi air biasa dan yang terakhir berisi air panas. Bila tangan kiri kita masuk kedalam air berisi es dan tangan kanan masuk kedalam air panas, kemudian kedua tangan kita itudicelupkan kedalam bejana yang berisi air biasa, maka kita akan terasa bahwa tangan Fisika Dasar



XI-1



Suhu dan Kalor



kiri menjadi lebih panas sedang tangan kanan terasa lebih dingin. Dari sini kiranya dapat disimpulkan bahwa rasa melalui sentuhan tak dapat dijadikan sebagai alat ukur panas yang menghasilkan hasil yang universal, untuk itu diperlukan alat ukur suhu.Hal lain yang patut kita catat mengenai gejala panas, bahwa suatu benda yang panas sedang bersinggungan dengan benda lain yang kurang panas (lebih dingin) akan ternyata benda yang lebih panas itu, panasnya turun sedang benda yang lebih dingin panasnya akan naik., sampai pada akhirnya terjadi kesetimbangan antara keduanya dan panas mereka menjadi suatu besaran fisis skalar yang menjadi ukuran panas itu, yang selanjutnya kita namakan “suhu” (temperatur): dimana suatu sistem yang telah mencapai kesetimbangan panasnya makan haruslah mempunyai suhu yang sama diseluruh bagiannya. Asas ini dinamakan “Hukum kenol Termodinamika” (zeroth low of thermodynamics).



Selanjutnya untuk memberi ukuran pada suhu itu maka terlebih dahulu harus ditetapkan skala alat pengukur yang kita namakan “skal termometer”.Dalam hubungan ini dari pengamatan gejala pemanasan terhadap benda menunjukkan bahwa pada umumnya setiap benda mengalami perubahan akibat pemanasan. Dengan demik,ian setiap benda dapt dijadikan sebagai alat pengukur suhu dengan mengalami kaitan antara perubahan keadaan benda dengan kepanasan benda.Akan tetapi dengan demikian setiap pilihan benda yang beda akan memberikan skala suhu yang berbeda-beda.Ini berakibat penunjukkan termometer dengan termometer yang lain memakai skala suhu lain atas suhu bahan tertentu akan memberikan hasil pengukuran suhu yang berbeda-beda terhadap suatu benda dengan panas yang sama. Untuk mengatasi kesulitan tersebut maka harus diperjanjikan adanya bahan tertentu yang dijadikan sebagai standar penetapan skala suhu terhadap semua termometer ditera.



Dalam hubungan tersebut sebagai skala suhu yang pertama oleh Celcius mendefinisikan skala suhu berdasarkan perubahan wujud air murni dimana pada tekanan I atmosfer angka nol termometer diletakkan pada titik beku air dan pada titik didihnya diletakkan angka 100 dengan skala suhu 1/100 bagian antara titik beku dan titik didih air.Selanjutnya Reamur mendefinisikan skala suhu termometer pada tekanan 1 atmosfer titik beku air pada angka 0 sedang pada titik didih air pada angka 80, dimana antara titik Fisika Dasar



XI-2



Suhu dan Kalor



beku dan titik didih air dibagi atas 80 skala yang sama.Skala termometer reamur ini jarang dipakai. Skala termometer lain yang banyak dipakai pula ialah skala farenheit .Dalam hal ini titik beku air diletakkan pada angka 32 sedang titik didih pada angka 212 dimana skala suhunya merupakan 1/180 bagian antara kedua titik tersebut. Berdasarkan pembagian skala ketiga macam skala termometer yang disebutkan diatas maka apabila penunjukan suhu Celcius kita tandai dengan tc, suhu Reamur dengan tR, dan suhu farenheit dengan tF, maka dinyatakan dalam suhu Celcius kita dapat menulis sangkutannya dengan kedua skala suhu yang disebut terakhir sebagai : tR = 4tC/5



(11.1)



tF = 32oF + 9tC/5



(11.2)



Berikutnya, dari banyak fakta penelitian dibidang termodinamika menunjukan bahwa dialam ini terdapat adanya “suhu mutlak” terkecil. Atas dasar itu suatu skala yang berdasarkan skala suhu yang berdasarkan skala suhu Celcius ialah yang dinamakan “skala suhu kelvin” yang biasa juga disebut “skala suhu mutlak”.Dalam hal ini suhu terkecil itu diambil sebagai titik 0 mutlak yang terletak pada angka – 273,16oC (dalam perhitungan praktis dibulatkan menjadi – 273,16oC). Jadi antara suhu Celcius dengan suhu Kelvin terdapat sangkutan : T = t + 273,16oC



(11.3)



Dimana T menyatakan suhu Kelvin dan t sebagai celcius. Akhirnya patut dicatat disini bahwa dalam fisika skala suhu yang lazim digunakan adalah skala suhu Celcius dinyatakan dalam suhu Kelvin. Dalam uraian-uraian kita, selanjutnya kita hanya menggunakan suhu Celcius dan suhu Kelvin. Contoh 1 : Temperatur tubuh n normal adalah 98,6oF. Berapakah temperatur normal tubuh jika dinyatakan dalam Celcius ? Jawab : T (oC) = (5/9){T(oF)-32} = (5/9)(98,6-32) = 37,0oC



Fisika Dasar



XI-3



Suhu dan Kalor



11.3 Kalor dan Wujud Suatu Benda Sebagaimana kita mengetahui bahwa suatu benda bisa berada dalam wujud pada, cair dan gas, malah sekarang telah diketahui pula bahwa suatu benda bisa berada dalam wujud ‘plasma” yaitu suatu keadaan dimana benda gas atom-atomnya sudah terionisasi semua dalam keadaan bebas.Dalam uraian kita ini wujud plasma itu tidak akan diuraikan disini karena seluk-beluknya cukup luas dan merupakan salah satu cabang ilmu fisika tersendiri yang cukup berkembang dan menarik disini.



Selanjutnya kita mendefinisikan suatu besaran yang kita namakan “kalor” yang merupakan suatu kuantitas panas dinyatakan dalam satuan kalori. Dalam hal ini satu kalori didefinisikan sebagai kuantitas panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air murni (H2o) dari 19,5oC.Selanjutnya menurut penyelidikan yang dilakukan oleh Joule bila tenaga mekanik yang diberikan pada suatu sistem dapat diisolir sedemikian rupa sehingga tak ada tenaga yng hilang, maka dari hasil eksperimen itu tenaga mekanik 4,2 joule setara dengan 1 kalori.Jadi kalau kita mengubah satuan tenaga kedalam satuan kalori maka perbandingannya adalah 4,2 joule = 1 kalori. Setelah definisi satuan panas kita definisikan maka segera kita dapat merumuskan sangkkutan antara kuantitas kalor dengan perubahan suhu.Dalam hal ini andaikan kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu m gram suatu benda dari t o ke t1 = to + Δt, kita lambangkan dengan ΔQ, maka ΔQ ∞ m (t1 – to) = c m Δt Dengan demikian kita dapat mendefinisikan c



lim 1 Q 1 dQ  t  0 m t m dt



Sebagai “ kalor jenis “ suatu benda.Jadi nyatalah bahwa besarnya klor yang diserap suatu benda jika suhunya dinaikan sebesar Δt adalah ΔQ = m c Δt



…………………………………..



(11.4)



Perlu kita catat disini bahwa besaran mc pada persamaan (11.4) sering dinamakan “ harga air kalorimeter” yang mempunyai satuan. Fisika Dasar



XI-4



Suhu dan Kalor



 mc   



kalori    derajat 



Suhu (oC) 100



Fase uap



C A



0



D



Fase transisi es ke air



Q -25 Gambar 11.1 Grafik Perubahan Wujud Air



Sekarang kalau kita tinjau grafik perubahan wujud air (H 2O) dalam bidang ( t , Q ) maka diagramnya akan tampak seperti Gambar 11.1. Pada diagram tersebut tampak dengan jelas bahwa pada daerah penelitian antara dua wujud maka tampak bahwa suhu benda tidak berubah namun terjadi perubahan kalor. Pada peralihan tersebut Q sebanding dengan massa benda (Q ∞ m) dengan demikian menurut grafik diatas. Qo – Qc = Q ( penguapan air )= u m



(11.5)



Dimana u = panas penguapan / pengembunan air, dan Q1 – Qo = Q ( peleburan es ) = L m Dimana L = panas peleburan / pembekuan air. Perlu dicatat disini bahwa dalam praktek untuk keperluan perhitungan yang tidak teliti biasanya diambil u = 540 kalori/gram dan L = 80 kalori/gram. Patut dicatat disini bahwa dalam proses perubahan benda dari fasa yang satu kefasa lain ditandai dengan jumlah kalor tertentu. Hal ini perlu diperingatkan bahwa dalam suatu proses yang berlangsung secara sinambung (seperti pada proses pembuatan garam) perubahan wujud itu sebenarnya tidak mesti dikaitkan dengan suhu tertentu. Yang penting jumlah kalor yang telah diserap dalam proses yang bersangkutan sesuai dengan keperluan perubahan wujud tersebut.



Fisika Dasar



XI-5



Suhu dan Kalor



Selain itu seperti telah disinggung pada uraian lalu bahwa dua buah sistem yang mempunyai kalor yang berbeda, maka apabila kedua sistem dalam keadaan berkontakan satu sama lain akan ternyata bahwa keadaan setimbang kedua sistem tersebut akan mempunyai kalori yang sama. Menurut pernyataan ini suatu sistem yang kalornya besar akan memberikan kalornya kepada sistem yang lain yang lebih rendah kalornya bila keduanya berkontakan. Perpindahan kalor tersebut akan berlangsung terus kepihak yang rendah kalornya sampai pada akhirnya kedua sistem sudah sama kalornya. Azaz ini penting sekali artinya dalam kalorimetri. Tentu saja dalam proses kontakan antara kedua sistem yang berkontakan itu haruslah terisolir terhadap sistem lainnya sedemikian tidak ada proses perpindahan kalor kecuali antara kedua sistem yang bersangkutan. Contoh 2 : Sepotong aluminium ( C = 0,21 kal/gr oC) dengan massa 20 gram bersuhu 90oC dijatuhkan pada balok es besar bersuhu 0oC. Berapakah es dapat dilebur oleh potongan aluminium itu? Jawab : Kalor lebur es = 80 kal/gr Kalor yang dilepaskan aluminium : ΔQ1 = (m C Δt)Al = ( 20 gr )(0,21 kal/groC)(90oC) = 378 kalori Kalor yang diterima es : ΔQ2 = L m = ( 80 kal/gr)(m) Azaz Black : ΔQ1 = ΔQ2 378 kal = 80 m kal m = 378/80 ≈ 4,7 gram



11.4 Pemuaian Benda Padat dan Benda Cair karena Perubahan Suhu Kita telah mengetahui dari pengamatan bahwa suatu benda ternyata pada umumnya akan mengalami pemuaian karena pemanasan.sifat ini hampir berlaku umum untuk semua benda dengan pengecualian untuk beberapa zat, misalnya air adalah merupakan zat yang beranomali (menyimpang) dari sifat tersebut untuk daerah suhu tertentu. Dalam hal ini Fisika Dasar



XI-6



Suhu dan Kalor



bila air membeku maka volumenya akan bertambah besar, akibatnya massa jenisnya menjadi kecil (ρcs ≈ 0,5 gram/cm3), sehingga apabila dipanaskan maka ia akan menyusut sampai suatu suhu tertentu. Selanjutnya bila dipanaskan terus barulah ia memuai. Tentang cara pemuaian suatu benda kita dapat bagi atas pemuaian panjang, luas dan volume.



11.4.1 Pemuaian Panjang Dari hasil pengamatan ternyata bahwa perubahan panjang akibat pemanasan sebanding dengan panjang sebelum diberi tambahan panas dan sebanding pula dengan perubahan suhu sebagai akibat pemanasan . Jadi menurut uraian kita ini perubahan panjang itu. Δl ∞ lo Δt



atau



Δl = α lo Δt



dimana : lo = panjang mula-mula, Δt = perubahan suhu Δl = perubahan panjang akibat pemanasan, α = koefisien muai panjang Dengan demikian panjang l setelah pemanasan akan diberikan oleh : l = lo + Δl = lo + lo α Δt = lo ( lo + α Δt )



(11.6a)



Misalkan suhu mula-mula to dan suhu akhir t maka Δt = t – to. Jadi akhirnya rumus 11.6a dapat ditulis menjadi : L = lo {l + α ( t-to) }



(11.6b)



Contoh 3 : Sebuah skala meter terbuat dari baja diusahakan agar pada jelajah tertentu memiliki akurasi 5 x 10-5 mm. Hitunglah perubahan / variasi maksimum temperatur selama pengukuran berlangsung. Jawab : Δl = α L ΔT 5 x 10-5 mm = (11 x 10-6/oC)(1,0 mm) ΔT ΔT≈ 5oC



Fisika Dasar



XI-7



Suhu dan Kalor



Contoh 4 : Sebuah balok baja mempunyai panjang 200 meter pada temperatur 20 oC. kalau temperatur ekstrimnya (temperatur yang dimungkinkan berekspansi ) adalah – 30oC hingga +40oC, berapakah panjang ekspansi maupun kontraksinya. Jawab : Berdasarkan tabel 11.1, koefisien muai panjang baja adalah 12 x 10-6/oC. Panjang ekspansi : ΔL = (12 x 10-6/oC)(200m)(40oC – 20oC) = 4,8 x 10-2 m ( bertambah sepanjang 4,8 cm) Panjang Kontraksi ; ΔL = (12 x 10-6/oC)(200m)(-30oC – 20oC) = -12,0 x 10-2 m ( bertambah panjang 12 cm)



11.4.2 Pemuaian Luas Sekarang tinjaulah suatu keping empat persegi panjang (misalnya dari suatu bahan logam),pada suhu to, sisi-sisinya adalah ao. selanjutnya kita panaskan hingga suhunya menjai t, maka panjang sisi-sisinya sekarang akan menjadi a dan b.



Gambar 11.3 Pemuaian Luas Menurut sifat muai panjang maka : a = ao (l + α (t-to) )



dan b = bo (l + α (t-to))



Sehingga luasnya sekarang menjadi : a = ao bo { l + α (t-to)}{ l + α (t-to)} = Ao{l+2α(t-to)+α2(t-to)2} berhubungan karena α kecil sekali, maka α2