A. Suhu
Dalam percakapan sehari-hari, teman-teman pasti tidak asing lagi
dengan istilah “panas” dan “dingin”. Setiap benda mempunyai tingkat (derajat)
panas tertentu, tingkat panas itu dapat bertambah atau berkurang. Tingkat panas
benda akan naik jika benda itu dipanaskan dan akan turun jika didinginkan.
Tingkat atau derajat panas disebut dengan suhu, benda panas dikatakan
bersuhu tinggi, sedangkan benda dingin dikatakan bersuhu rendah.
Alat untuk mengukur tingkat panas suatu benda yaitu Thermometer,
tingkat panas benda dinyatakan dalam satuan derajat (o).
Thermometer berupa tabung kaca berskala yang di dalamnya diisi zat cair. Zat
cair yang banyak digunakan sebagai pengisi thermometer adalah raksa. Dalam hal
ini, raksa mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan zat cair lain. Kelebihan
yang dimaksud adalah sebagai berikut:
1.
Raksa tidak
membasahi dinding. Akibatnya, pembacaan skala menjadi lebih teliti, terutama
jika suhu berubah-ubah dengan cepat.
2.
Jangkauan
ukurannya lebar. Hal ini disebabkan interval titik beku dan titik didih raksa
lebar, raksa membeku pada suhu -390C dan mendidih pada suhu 3570C.
3.
Raksa berwarna
gelap dan mengkilap seperti perak. Hal ini memudahkan dalam pembacaan skala.
4.
Raksa merupakan
penghantar yang baik. Dengan kata lain, raksa sensitif terhadap perubahan suhu
sehinggaperubahan suhu yang kecil pun dapat diketahui
5.
Pemuaian pada
raksa teratur.
Selain raksa,
zat cair yang juga sering digunakan untuk mengisi thermometer adalah alkohol.
Termometer alkohol dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah, hal
ini disebabkan titik beku alkohol mencapai -1150C. Namun, termometer
alkohol tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi. Hal ini disebabkan
pada suhu 780C alkohol mendidih. Kelemahan yang lain adalah alkohol
tidak berwarna dan membasahi dinding kaca sehingga mempersulit pembacaan skala.
1.
Pengukuran
Suhu
Untuk mengukur suhu, temometer diberi skala. Ada empat skala
termometer yang banyak diginakan, keempat skala tersebut adalah skala Celcius,
Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin.
Perbandingan panjang skala Celsius (C), Reamur (R), dan Fahreinheit (F) adalah
C: R:F = 100:80:180
2.
Pemuaian
Zat
Setiap zat terdiri atas molekul-molekul,
molekul-molekul itu selalu dalam keadaan bergerak. Energi gerak setiap molekul
akan bertambah jika suhunya naik, akibatnya ruang gerak molekul makin luas.
Makin luasnya ruang gerak molekul itulah yang menyebabkan benda memuai. Jadi,
pada umumnya benda akan memuai jika dipanaskan. Sebaliknya jika suhunya turun,
energi gerak molekul juga turun. Akibatnya ruang gerak molekul makin sempit,
menyempitnya ruang gerak molekul itu menyebabkan benda menyusut. Jadi, pada
umumnya benda akan menyusut jika suhunya turun.
a. Pemuaian Zat Padat
Pemuaian yang terjadi pada zat padat ada
tiga kemungkinan, yaitu muai panjang, muai luas, dan muai volume. Muai panjang
terjadi pada benda yang bentuknya batang (memanjang), sebenarnya pada benda
yang berbentuk batang juga terjadi muai luas dan muai volume. Namun, kedua
macam muai tersebut terlalu kecil dibandingkan dengan muai panjang.
Pada benda yang berbentuk lempeng (datar), yang terjadi adalah pemuain
luas. Dalam hal ini, berlaku rumus :
Berdasarkan tabel diatas, udara memiliki muai
panjang besar. Hal ini mengakibatkan udara sangat mudah mengembang karena
kenaikan suhu dan menyusut karena penurunan suhu. Contohnya adalah balon yang
ditiup, kemudian dipanaskan pada terik matahari. Setelah beberapa saat, balon
akan meledak karena tekanan udara yang ada di dalamnya memuai.
Beberapa Peristiwa yang Berkaitan dengan
Pemuaian Zat Padat
1) Sambungan rel kereta
harus diberi celah. Celah ini disediakan untuk memuai sehingga rel tidak
membengkok (melengkung). Selain itu, sambungan rel dapat juga dibuat secara
bertautan.
2) Pada salah satu ujung
jembatan besi harus dipasang roda-roda. Dengan roda-roda itu, pemuaian besi
pada jembatan tidak terhalang oleh dinding penopang. Dengan demikian, jembatan
tidak akan melengkung.
3) Pemasangan kawat
telepon dibuat kendur. Dimaksudkan agar kawat tersebut tidak putus ketika
menyusut pada saat udara dingin.
4) Gelas yang dituangi
air mendidih dengan tiba-tiba akan retak, bahkan kadang-kadang pecah. Hal ini
disebabkan bagian dalam gelas memuai lebih cepat dari pada bagian luarnya.
Perbedaan kecepatan pemuaian itu terjadi karena gelas bukan konduktor yang
baik.
b. Pemuaian Zat Cair
Perhatikan pada saat
teman-teman memasak air. Jika sebuah cerek yang berisi penuh dengan air dipanaskan,
mula-mula air tidak tumpah. Akan tetapi, setelah mendidih, air itu tumpah.
Tumpahnya air dari cerek menunjukan bahwa air pada saat itu lebih besar dari
volume cerek. Hal ini berarti pemuaian air lebih besar daripada volume cerek.
Koefisien muai pada tekanan tetap pertama kali diteliti oleh Gay Lussaac.
Selain itu, dia juga berhasil merumuskan bahwa untuk gas ideal, hubungan antara
volume gas pada tekanan tetap dan suhu bersifat linear.
Pada volume tetap, tekanan gas bergantung pada suhunya. Dalam hal ini,
gas dikatakan mengalami tekanan. Besar koefisien muai tekanan gas sama dengan
koefisien muai volume gas. Dengan demikian, gas pada volume tetap dirumuskan :
B. Kalor
Coba cermati peristiwa sehari-hari yang sering
teman-teman lihat dan alami. Misalnya saat memegang salah satu ujung batang
besi yang dipanaskan, tangan teman-teman akan ikut merasakan panas. Berdasarkan
peristiwa tersebut, apakah definisi kalor menurut teman-teman?
Pada awalnya orang memahami kalor sebagai zat alir
yang tidak dapat dilihat yang dinamakan plogiston.
Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa kalor dapat berpindah-pindah. Pemahaman
tersebut telah berubah ketika Rumford (1753-1814) mengamati suatu proyek
pengeboran laras meriam. Berdasarkan hasil pengamatannya, suatu mata bor besi
dalam keadaan tumpul tetap menghasilkan kalor. Pada keadaan tersebut, air
pendingin yang digunakan saat pengeboran tetap mendidih dan menguap.
Berdasarkan fakta itu, Rumford berpendapat bahwa kalor merupakan suatu bentuk
energi, bukan suatu zat alir. Selanjutnya apandangan Rumford dikembangkan oleh
Joule.
Prinsip percobaan Joule adalah mengaduk air
menggunakan energi beban yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu. Beban itu
digantungkan pada sebuah tali yang dililitkan pada sumbu roda sudu. Roda sudu
berada dalam bejana yang berisi air yang disebut kalorimeter. Setelah dilakukan
berulang-ulang, ternyata suhunya naik. Apabila kalor merupakan zat alir,
naiknya suhu air dalam kalorimeter sangat mengherankan karena dalam hal ini
tidak ada aliran kalor ke air.
Pada percobaan itu, naiknya suhu air disebabkan oleh
perputaran roda suhu. Perputaran itu terjadi karena rosa sudu memiliki energi
kinetik (gerak). Dengan demikian dapat dikatakan bahwa dalam percobaan itu
terjadi perubahan energi kinetik menjadi panas. Panas inilah yang disebut kalor. Jadi, kalor merupakan bentuk energi, yaitu energi
panas. Secara alamiah, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda
bersuhu rendah hingga terjadi keseimbangan termal di antara keduanya.
Selain berhasil menunjukan bahwa kalor merupakan
bentuk energi, Joule juga berhasil menyatakan kesetaraan antara kalori dan
satuan energi, yaitu juole (J).
1 kal = 4,2 joule atau 1 joule = 0,24 kal
1 kkal = 4,2 X 103 joule
1.
Kalor
Jenis dan Kapasitor Kalor
Kalor merupakan bentuk energi. Oleh karena itu,
kalor dapat diubah menjadi bentuk lain. Jika teman-teman mengguncang-guncang
air dalam botol, beberapa saat air itu menjadi hangat. Dengan kata lain, suhu
air dalam botol naik. Hal itu disebabkan energi kinetik air berubah menjadi
kalor. Kalor juga dapat dibentuk dari energi kimia, contohnya sumber energi
kimia adalah makanan. Dalam tubuh teman-teman, energi kimia yang terkandung
dalam makanan diubah menjadi energi kinetik dan kalor (panas tubuh).
Perubahan jumlah kalor pada suhu benda ditandai
dengan kenaikan atau penurunan suhu atau bahkan perubahan wujud benda itu. Jika
benda menerima kalor, suhunya akan naik. Sebaliknya, suhunya akan turun jika
melepaskan kalor. Banyak kalor yang diterima atau dilepaskan suatu benda
sebanding dengan besar kenaikan atau penurunan suhunya. Secara matematis,
hubungan antara banyak kalor dan kenaikan suhu dituliskan sebagai berikut:
Kalor
jenis zat (c) adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk
menaikkan suhunya sebesar satu satuan suhu.
Catatan :
Jika tidak diketahui dalam soal, kalor jenis air
diambil 4,200 J/Kg0C atau 1 kal/g 0C atau 1 kkal/kg 0C
bergantung pada satuan yang digunakan.
Setiap
benda mempunyai kemampuan menyerap atau melepas kalor. Berdasarkan hal itu,
dikenal istilah kapasitas kalor benda. Kapasitas
kalor (C) diartikan sebagai kemampuan benda untuk menyerap
atau melepaskan kalor tiap perubahan suhu sebesar satu satuan suhu. Secara
matematis, kapasitas kalor dituliskan :
jika digabungkan
persamaan 12 dan persamaan 13terlihat bahwa C = m c.
2.
Perubahan
Wujud Zat
Selain untuk menaikan suhu, kalor yang diserap zat
digunakan untuk mengubah wujud. Pada saat berubah wujud, suhu zat tetap. Ada
perubahan wujud yang memerlukan kalor, tetapi ada juga perubahan wujud yang
melepaskan kalor. Perubahan wujud zat yang memerlukan kalor adalah menguap dan
mencair, sedangkan yang melepaskan kalor adalah mengembun dan membeku.
Perubahan wujud suatu zat bergantung pada tekanan
dan suhu, hubungan antara suhu dan tekanan pada perubahan wujud dapat
dijelaskan sebagai berikut. Diagram dibawah ini menggambarkan hubungan fase
padat, cair, dan gas berkaitan dengan tekanan dan suhu. Terdapat titik penting pada
diagram tersebut, yaitu triple dan titik kritik (kritis).
Titik triple
adalah suatu titik yang ditandai dengan keadaan padat, cair, dan gas terjadi
bersama-sama. Titik kritik merupakan
pertemuan suhu kritik dan tekanan kritik, suhu kritik adalah suhu maksimum agar
suatu gas dapat diubah bentuknya menjadi cair. Tekanan
kritik adalah tekanan maksimum agar suatu zat cair dapat
diubah menjadi gas.
Gas dan uap berbada, dimana uap dapat diubah
bentuknya menjadi cair, tetapi gas tidak dapat diubahn bentuknya menjadi cair.
Dengan kata lain, untuk mengembun gas suhunya harus di bawah suhu kritis.
Sebaliknya, untuk menguapkan cairan, tekanannya harus di bawah tekanan kritis.
a.
Menguap
dan Mengembun
Menguap dan mengembun merupakan dua proses perubahan
wujud yang saling berkebalikan. Menguap
adalah proses perubahan wujud dari cair ke gas (uap), sedangkan mengembun adalah proses perubahan wujud dari gas ke cair.
Setiap jenis zat memerlukan sejumlah kalor tertentu untuk menguap. Kalor yang
diperlukan untuk menguap disebut kalor uap, besar kalor uap bergantung pada
jenis zat. Kalor uap
didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat
cair menjadi gas tanpa ada perubahan suhu.
Kebalikan dari menuap, pada zaat mengembun zat
melepaskan kalor. Besar kalor yang dilepaskan zat bebeda-bed, bergantung pada
jenis zat. Kalor yang dilepaskan 1 kg gas untuk mengubah seluruh wujudnya
menjadi cair tanpa ada perubahan suhu disebut kalor
embun.
Jika dipanaskan, suatu zat cair itu akan mendidih
pada titik didihnya. Pada saat itu, kalor yang diberikan tidak digunakan untuk
menaikan suhu, tetapi digunakan untuk menguap sampai seluruhnya menjadi gas
(uap). Setelah menjadi gas, kalor yang diterima digunakan untuk menaikan suhu
gas. Jika pemanasan dihentikan, suhu gas akan turun dan akan mengembun pada
titik embunnya sampai seluruhnya berubah wujud menjadi cair. Dalam hal ini,
titik embun gas merupakan titik didih zat cair. Jadi, titik didih suatu zat
sama dengan titik embunnya. oleh karena itu, kalor
uap zat sama dengan kalor embunnya.
Kalor uap dan kalor embun sering disebut kalor laten (L), laten artinya tersembunyi. Dikatakan
demikian karena pada saat berlangsung perubahan wujud zat dengan menyerap atau
melepas kalor, tidak diikuti dengan perubahan suhu. Banyak kalor yang
diperlukan untuk mengubah wujud suatu zat sebanding dengan massanya (m)
b.
Melebur
dan Membeku
Melebur dan membeku merupakan dua proses yang berkebalikan. Melebur
adalah proses perubahan wujud dari
padat ke cair, sedangkan membeku adalah proses perubahan wujud dari cair
ke padat. Setiap zat akan melebur pada titik leburnya dan membeku pada titik
bekunya. Hubungan keduanya dapat digambarkan secara garfik oleh gambar dibawah
Jika dipanaskan, sebongkah es (padat) akan melebur (mencair) pada
titik leburnya (00C), sampai seluruhnya berubah menjadi air. Selama
proses itu berlangsung, suhu es tetap. Jika pemanasan terus dilakukan, kalor
yang diberikan digunakan untuk menaikkan suhu air. Sebaliknya, jika pemanasan
dihentikan suhu air akan turun dan akan membeku pada titik bekunya samapi
seluruhnya berubah wujud menjadi es. Titik beku air tidak lain merupakan titik
lebur es. Jadi, kalor yang diperlukan untuk membekukan 1 kg air sama dengan
kalor yang digunakan untuk meleburkan (mencairkan) 1 kg es. Dengan demikian,
secara umum dapat dikatakan kalor lebur sama dengan kalor bekunya, kalor
lebur dan kalor beku juga disebut kalor laten.
Jadi kalor yang diperlukan oleh zat bermassa m untuk menguap atau
mengembun dan melebur atau membeku dirumuskan sebagai berikut:
C. Perpindahan
Kalor
Benda-benda
yang berpijar senantiasa memancarkan ke ruangan di sekitarnya. Di dekat sebuah
tungku, para pekerja di perusahaan pengolahan logam memakai pakaian pelindung.
Hal ini bertujuan untuk melindungi tubuhnya dari radiasi kalor logam yang
mencair. Kalor dapat berpindah melalui zat padat, zat cair, dan gas. Terdapat 3
jenis perpindahan kalor yaitu:
1. Konduksi
Jika
teman-teman memanaskan ujung logam, beberapa saat kemudian ujung yang lain
menjadi panas. Hal ini menunjukkan bahwa pada logam terjadi perpindahan kalor.
Kalor itu merambat dari ujung logam bersuhu tinggi ke ujung logam bersuhu
rendah. Dengan kata lain, perpindahan kalor hanya dapat terjadi jika ada
perbedaan suhu, tidak terjadi perpindahan kalor. Perpindahan kalor melalui
logam (zat padat) tidak diikuti oleh perpindahan partikel-partikel logam itu.
Perpindahan kalor seperti itu disebut konduksi. Lalu bagaimana konduksi
kalor itu terjadi?
Jika
dipanaskan, energi kinetik partikel-partikel zat meningkat. Perlu diingat,
semua partikel zat dalam keadaan bergetar. Karena energi kinetiknya meningkat,
partikel-partikel itu memengaruhi getaran partikel-partikel disampinya.
Akibatnya, gataran-getaran partikel itu juga makin cepat. Selanjutnya,
partikel-partikel disampinya itu juga memengaruhi getaran
partikel-partikel disamping berikutnya.
Dalam hal ini, partikel-partikel zat berpindah. Energi kinetik partikel zatlah
yang berpindah. Besar energi kinetik sebanding dengan suhunya.
Banyaknya
kalor yang mengalir melalui bahan dengan cara konduksi bergantung pada beberapa
hal:
a. Selisih
suhu antara dua ujung bahan yang ditinjau,
b. Luas
penampang (A) bahan,
c. Tebal
bahan (L).
d. Selang
waktu mengalir (t),
e. Jenis
bahan
Secara metematis, kebergantungan itu dirumuskan sebagai berikut:
2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan
kalor yang terjadi karena adanya aliran partikel-partikel zat perantara. Dalam hal
ini, kalor mengalir bersama aliran partikel-partikel itu. Perpindahan kalor
secara konveksi terjadi pada zat alir (fluida), yaitu air dan udara. Aliran air
atau udara terjadi dengan dua cara, yaitu mengalir secara alami dan dialirkan
secara paksa. Oleh karena itu, perpindahan kalor dengan cara konveksi dapat
dibedakan menjadi dua. Yaitu konveksi alami dan konveksi paksa.
contoh
konveksi alami yaitu aliran air secara vertikal dan terjadinya angin darat dan
angin laut, sedangkan contoh konveksi
buatan yaitu naiknya air karena dipompa dengan pompa air dan masuknya udara
dalam ban dengan cara dipompa.
Laju
perambatan kalor secara konveksi sebanding dengan luas daerah yang dilalui dan
perbedaan suhu antara dua titik fluida. Secara matematis, hubungan itu
dirumuskan:
Nilai koefisien termal
ditentukan oleh bentuk dan kedudukan geometri bidang aliran serta fluida yang
mengalir.
3. Radiasi
Antara
bumi dan matahari dibatasi ruang hampa. Kalor dapat berpindah melalui ruang
hampa, hal ini terbukti sinar matahari dapat sampai bumi. Perpindahan kalor
melalui ruang hampa dilakukan dengan cara radiasi (pancaran). Dalam hal ini,
kalor dipancarkan dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Jadi gelombang
elektromagnetik dapat merambat malalui ruang hampa.
Setiap
benda panas memancarkan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, gelombang
elektromagnetik yang dipancarkan mempunyai panjang gelombang dan frekuensi
tertentu, bergantung pada suhunya. Jika mengenai benda, gelombang
elektromagnetik mengalami tiga kemungkinan perlakuan, yaitu diserap,
dipantulkan, atau diserap sebagian dan sebagian yang lain dipantulkan. Namun,
pada umumnya jika mengenai benda, gelombang elektromagnetik akan diserap
sebagian dan sebagian lain dipantulkan. Gelombang elektromagnetik akan diserap
semua jika mengenai benda hitam dan akan dipantulkan semua jika mengenai benda
mengkilap.
Benda
hitam
adalah benda yang dapat menyerap dan memancarkan gelombang elektromagnetik
dengan sempurna. Menurut Stefan dan Boltzman, energi yang dipancarkan oleh
benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya (T4). Secara
matematis, dirumuskan :
Benda selalu membentuk
keseimbangan termal dengan lingkungannya. Jika suhunya lebih tinggi dari pada
lingkungan, benda itu memancarkan kalor. Sebaliknya, jika suhunya lebih rendah
daripada lingkungannya, benda akan menyerap kalor. Besar energi yang
dipancarkan atau diserap benda dirumuskan:
D. Asas
Black
Kalor
merupakan bentuk energi, yaitu energi panas. Oleh karena itu, pada kalor
berlaku hukum kekekalan energi kalor. Jika dua buah benda yang suhunya
berlainan disentuhkan atau dicampur, benda yang bersuhu tinggi akan melepaskan
kalor dan benda yang bersuhu rendah akan menyerap kalor. Benyaknya kalor yang
dilepaskan sama dengan kalor yang diserap, pernyataan ini pertama kalo
dikemukakan oleh Black. Oleh karena itu, pernyataan ini sering disebut asas
Black, yang secara matematis dapat dituliskan :
Qlepas = Qserap....................................................................... 22
Berdasarkan
asas black, teman-teman dapat menentukan kalor jenis suatu zat, alat yang dapat
digunakan untuk menentukan kalor jenis zat disebut kalorimeter. Prinsip kerja
kalorimeter adalah sebagai berikut. Kalorimeter terdiri atas bejana logam yang
jenisnya telah diketahui, dinding penyekat dari isolator yang berfungsi untuk
mencegah terjadinya perambatan kalor ke lingkungan sekitar, termometer, dan
pengaduk. Bejana logam berisi air yang suhu awalnya dapat diketahui dari
termometer. Jika sebuah bahan yang belum diketahui kalor jenisnya dirambatkan,
kemudian dimasukkan ke dalam kalorimeter dengan cepat, kalor jenis bahan itu
dapat dihitung.
Untuk
mempercepat terciptanya keseimbangan termal, bersamaan engan dimasukkannya
bahan ke dalam kalorimeter, air dalam bejana diaduk. Keseimbangan termal
terjadi jika suhu yang ditunjukkan oleh termometer sudah konstan. Pada saat
terjadi keseimbangan termal itulah kalor jenis bahan dapat dihitung berdasarkan
asas Black.
Kalorimeter
juga tidak hanya digunakan untuk mengukur kalor jenis bahan logam, melainkan
dapat juga digunakan untuk keperluan lain yang berkaitan dengan kalor (jumlah
kalor). Beberapa kegunaan kalorimeter yang lain adalah untuk menunjukan asas
Black, mengukur kesetaraan kalor listrik, mengukur kalor lebur, mengukur kalor
uap, dan mengukur kalor jenis ukuran.
terimakasih telah berkunjung semoga bermanfaat💓
