BAHAN PELAJARAN : MAPEL FISIKA BAB 5 SUHU, KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR

SUHU

Suhu adalah derajat panas atau dinginnya suatu benda. Suhu dapat diukur dengan menggunakan alat yang disebut termometer. Sifat yang diukur untuk menyatakan suhu disebut sifat termometrik. Satuan suhu adalah derajat. Zat cair yang biasa digunakan untuk mengisi termometer adalah air raksa karena raksa memiliki beberapa kebaikan seperti:

segera dapat mengambil panas benda yang akan diukur sehingga suhu air raksa segera dapat sama dengan suhu benda yang diukur
dapat dipakai untuk mengukur suhu yang rendah sampai yang tinggi sebab air raksa memiliki titik beku pada 39oC dan titik didihnya pada suhu 357oC
tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya menjadi lebih teliti
pemuaian air raksa teratur, artinya linier terhadap kenaikan suhu kecuali pada suhu yang sangat tinggi
mudah dilihat karena air raksa mengkilap

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 -144oC 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 skala Reamur dan satu skala Celsius lebih dari satu skala Fahrenheit. Secara matematis perbandingan keempat skala tersebut,yaitu sebagai berikut.

Termometer

Termometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur suhu dengan tepat dan menyatakannya dengan angka (lihat gambar di atas). Secara umm termometer terbuat dari pipa kaca yang diisi dengan zat cair. Prinsip dasar mengapa digunakannya zat cair sebagai pengisi termometer adalah karena zat cair mengalami perubahan volume seandainya suhu berubah. Beberapa jenis termometer dalam kehidupan sehari-hari antara lain:

– Termometer klinis, digunakan untuk mengukur suhu badan manusia. Angka-angka pada termometer klinis didesain dari 35oC sampai dengan 42oC (lihat gambar di bawah)

– Termometer dinding, umumnya dipasang tegak di dinding dan digunakan untuk mengukur suhu ruangan. Skala termometer dinding didesain dari -50oC sampai dengan 50oC (lihat gambar di bawah)

– Termometer Maksimum dan Minimum Six – Bellani, digunakan untuk mengukur suhu maksimum dan minimum di dalam rumah kaca yang dipakai untuk menanam tanaman sebagai bahan penelitian (lihat gambar di bawah)

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 bekerja 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 di panci 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. Secara matematis:

Besaran m .c pada persamaan kalor di atas disebut dengan kapasitas kalor (C). Secara matematis:

Jadi kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1oC dengan satuan J/oC.

Asas Black

Apabila suatu zat dicampur dengan zat lain yang suhunya berbeda, maka antara kedua zat itu akan terjadi pertukaran kalor hingga tercapainya keseimbangan termal dimana suhu kedua zat akan sama. Hal ini di kemukakan oleh Joseph Black (lihat gambar di atas). Black menemukan bahwa pada proses pencampuran ini, besarnya kalor yang dilepaskan oleh zat yang suhu awalnya lebih tinggi akan sama dengan besarnya kalor yang diterima oleh zat yang suhu awalnya lebih rendah. Black kemudian merumuskan asasnya yang berbunyi: kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima. Asas Black merupakan bentuk lain dari hukum kekekalan energi, yaitu banyaknya energi selalu tetap. Artinya, bila sebuah benda memberikan kalor kepada benda lain, maka kalor yang diterima sama dengan kalor yang diberikan. Secara matematis:

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 (lihat gambar di atas). 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 (lihat gambar di bawah)

Dalam pokok bahasan ini akan dibahas mengenai perubahan fisika. Perubahan fisika meliputi melebur, membeku, mengembun, menguap, dan menyublim (lihat gambar di bawah)

Melebur/mencair 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.

Secara matematis:

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.

Secara matematis:

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 barus, yodium, dan naftalin.

PERPINDAHAN KALOR

Kalor adalah energi yang diterima oleh sebuah benda sehingga suhu benda tersebut naik atau melakukan perubahan wujud. Satuan kalor adalah kalori atau disingkat kal. Satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga suhunya naik 10C. James Prescott Joule, seorang ahli fisika dari Inggris, mempelajari hubungan antara timbul dan hilangnya kalor terhadap perubahan energi mekanik. Melalui percobaan yang dilakukan berulang kali akhirnya diperoleh hubungan sebagai berikut:

1 kal = 4,2 joule

1 kkal = 4.200 joule

1 joule = 0,24 kal

Perpindahan kalor dari suatu benda terjadi jika ada perubahan atau perbedaan suhu, sedangkan jika suhunya sama akan terjadi keseimbangan yang berarti tidak ada perpindahan kalor atau energi. Perpindahan kalor dapat dikelompokkan dalam tiga bagian yaitu perpindahan kalor secara :

· Konduksi (hantaran)

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.

· 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.

· 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.

Pemuaian

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. Salah satu contoh penerapan konsep pemuaian adalah rel kereta api yang ada celahnya (lihat gambar di atas).

Pemuaian ada tiga macam yaitu muai panjang, muai luas, dan muai volume. Zat padat mengalami ketiga pemuaian tersebut sedangkan zat cair dan gas hanya mengalami muai volume saja.

Muai panjang dialami oleh zat padat yang luas penampangnya sangat kecil bila dibandingkan dengan panjangnya. Perubahan panjang per satuan panjang tiap derajat perubahan suhu disebut koefisien muai panjang zat padat. Secara matematis: