bab 7

Hand Out Kuliah Fisika

Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

49

TEMPERATUR 1. Teori atom zat mendalilkan bahwa semua zat terdiri

dari kesatuan kecil yang disebut atom, yang biasanya

berdiameter 10-10 m.

2. Massa atom dan molekul dinyatakan pada skala di mana

karbon biasa (12C) diberi nilai 12 u (satuan massa atom).

3. Perbedaan antara zat padat, cair, dan gas dapat dilihat

dari kekuatan gaya tarik-menarik antara atom atau

molekul dan laju rata-rata mereka.

4. Temperatur merupakan ukuran seberapa panas atau

dingin sebuah benda. Termometer digunakan untuk

mengukur temperatur pada skala Celsius (oC),

Fahrenheit (oF), dan Kelvin (K). Dua titik standar pada

setiap skala adalah titik beku air (0oC, 32oF, 273,15K)

dan titik didih air (100oC, 212oF, 373,15K). Perubahan

temperatur satu Kelvin sama dengan perubahan satu

Celcius derajat atau 9/5 Fahrenheit derajat. Suatu

skala temperatur dapat dibentuk dengan memilih suatu

sifat termometrik dan mendefinisikan bahwa

temperatur itu berubah secara linear dengan sifat itu

dengan menggunakan dua titik tetap, seperti titik es

dan titik uap air. Dalam skala Celsius, titik es

didefinisikan senilai 0 oC dan titik uap 100 oC. Dalam

skala Fahrenheit, titik es adalah 32 0F dan titik uap 212



50

oF. Temperatur pada skala Fahrenheit dan Celcius

dihubungkan oleh

( )095 32−= FC tt

5. Temometer yang berbeda tidak selalu sesuai satu sama

lain pada pengukuran temperatur kecuali pada titik yang

tetap. Termometer gas mempunyai sifat bahwa

semuanya sesuai satu sama lain dalam pengukuran

temperatur berapa pun selama kerapatan gas dalam

termometer sangat rendah. Temperatur gas ideal

T didefinisikan oleh

PP

T3

K 16,273=

dengan P adalah tekanan gas dalam termometer ketika

termometer ada dalam kesetimbangan termal dengan

system yang temperaturnya akan diukur, dan 3P adalah

tekanan ketika termometer dicelupkan dalam bak air-

es-uap pada titik tripelnya. Skala temperatur absolut

atau Kelvin sama dengan skala gas ideal dalam rentang

temperatur yang memungkinkan penggunaan termometer

gas. Temperatur absolut dihubungkan dengan

temperatur Celcius oleh

K 15,273+= CtT

6. Perubahan panjang, L∆ , pada benda padat, ketika

temperaturnya berubah sebesar T∆ , berbanding lurus

dengan perubahan temperatur dan panjang awalnya Lo. Yaitu,

TLL ∆=∆ 0α , (1)

di mana α adalah koefisen muai linier.



51

7. Perubahan volume pada sebagian besar zat padat, cair,

dan gas sebanding dengan perubahan temperatur dan

volume awal V0: TVV ∆=∆ 0β .Koefisien muai volume, β, kira-kira sama dengan 3α untuk benda padat.

8. Air memiliki sifat yang tidak biasa karena, tidak seperti

sebagian besar materi yang volumenya bertambah

terhadap temperatur, volumenya berkurang sementara

temperatur naik dalam kisaran 0oC sampai 4oC.

9. Hukum gas ideal, atau persamaan keadaan untuk gas

ideal, berhubungan dengan tekanan P, volume V, dan temperatur T (dalam Kelvin) dari n mol gas dengan persamaan

,nRTPV = (2)

di mana R = 8,315 J/mol.K untuk semua gas. Gas riil mengikuti hukum gas ideal dengan cukup baik jika

tekanannya tidak terlalu tinggi atau mendekati titik

cair.

10. Satu mol zat didefinisikan sebagai jumlah gram yang

secara numeric sama dengan massa atom atau molekul.

11. Bilangan Avogadro, NA = 6,02 × 1023, adalah jumlah atom atau molekul dalam 1 mol zat murni apapun.

12. Hukum gas ideal dapat dituliskan dalam jumlah molekul N pada gas sebagai

,NkTRV = (3)

di mana k = R/NA = 1,38 × 10-23 J/K yang merupakan konstanta Boltzann.



52

13. Menurut teori kinetik gas, yang didasarkan pada

gagasan bahwa gas terbuat dari molekul yang bergerak

dengan cepat dan acak, energi kinetik moleku sebanding

dengan temperatur T:

kTKE 23=

r, (4)

di mana k adalah konstanta Botlzaman. Pada setia saat, ada distribusi yang luas dari laju molekul di dalam gas.

Energi kinetik translasi total n mol gas yang

mengandung N molekul diberikan oleh

( ) nRTNkTmvNKratarata 2

3232

21 === −

Kelajuan rms molekul gas dihubungkan dengan

temperatur absolut oleh

( )M

RT

m

kTvv rataratarms

332 === −

dengan m adalah massa molekul dan M adalah massa

molar.

14. Persamaan keadaan van der Waals menggambarkan

perilaku gas nyata untuk rentang temperatur dan

tekanan yang lebar :

( ) nRTbnVV

anP =−

+

2

2

Persamaan ini ikut memperhitungkan pula ruang yang

ditempati molekul dan gas itu sendiri dan tarikan antar

molekul.

15. Tekanan uap adalah tekanan dengan fase cair dan fase gas suatu bahan berada dalam kesetimbangan pada

suatu temperatur tertentu. Cairan mendidih pada



53

temperatur itu, ketika tekanan eksternal sama dengan

tekanan uap.

16. Titik tripel adalah temperatur dan tekanan tertentu dengan fase gas, cair dan padat suatu zat bisa terdapat

secara serentak. Pada temperatur dan tekanan di bawah

titik tripel, fase cair suatu bahan tidak mungkin ada.

17. Kelembaban relatif adalah rasio tekanan parsial uap air di udara terhadap tekanan uap pada temperatur

tertentu.

Contoh soal: 1. Jarak antar atom. Massa jenis tembaga adalah 8,9 ×

103 kg/m3 dan setiap atom tembaga mempunyai massa

63 u. Perkirakan jarak rata-rata antara atom-atom yang

bersebelahan.

2. Mengukur temperatur Anda. Temperatur tubuh normal

adalah 98,6oF. Berapa nilai ini pada skala Celcius?

3. Pemuaian jembatan. Panjang dasar baja pada sebuah

jembatan gantung adalah 200 m pada 20oC. Jika titik-

titik ekstrim temperatur yang bisa dialaminya adalah –

30oC sampai + 40oC, seberapa besar jembatan tersebut

akan menyusut dan memuai?

4. Apakah lubang memuai atau menyusut? Sebuah lubang

bulat dipotong pada adonan kue, seperti pada gambar.

Ketika adonan kue dipanaskan di oven, apakah lubang

tersebut menjadi bertambah besar atau bertambah

kecil?



54

5. Cincin pada batang. Sebuah cincin besi pas masuk pada

sebuah batang besi silindris. Pada 20oC, diameter

batang adalah 6,445 cm dan diameter dalam cincin

adalah 6,420 cm. Agar batang bisa masuk, cincin

tersebut harus sedikit lebih besar dari diameter batang

sekitar 0,008 cm. Pada temperatur berapa cincin harus

dimasukkan agar lubangnya bisa cukup untuk masuknya

batang?

6. Membuka tutup botol yang rapat. Ketika tutup sebuah

botol kaca tertutup rapat, memegangnya di bawah air

panas sebentar seringkali akan memudahkan

pembukaannya. Mengapa?

7. Tangki bensin di bawah sinar matahari. Tangki baja

70 L pada sebuah mobil diisi sampai penuh dengan

bensin pada 20oC. Mobil kemudian ditinggalkan tetap

berada di bawah sinar matahari, dan tangki mencapai

temperatur 40oC (104oF). Berapa banyak bansin yang

Anda perkirakan akan meluap dari tangki?

8. Tekanan pada beton di hari yang panas. Sebuah jalan

bebas hambatan akan dibuat dari balok-balok beton

yang panjangnya 10 m secara bersambungan tanpa

adanya ruang di antaranya untuk memungkinkan

pemuaian. Jika balok-balok tersebut dipasang pada

temperatur 10oC, berapa gaya tekanan yang akan terjadi

jika temperatur mencapai 40oC? Daerah kontak antara

tiap balok adalah 0,2 m2. Apakah akan terjadi retakan?.

9. Apakah udara hangat naik ke atas? Kerapatan udara

hangat lebih kecil dari udara sejuk. Dengan demikian,



55

karena adanya gaya apung, udara hangat seharusnya naik

di atmosfir. Jika demikian, mengapa udara selalu lebih dingin di puncak gunung daripada di kakinya?

10. Volume satu mol pada STP. Tentukan volume 1 mol gas

apa saja pada STP, dengan menganggap gas tersebut

sama dengan gas ideal.

11. Cara yang mudah untuk menghitung massa gas.

Sebuah bejana oksigen (O2, massa molekul = 32 u) yang

fleksibel pada STP memiliki volume 10 m3. Berapa massa

gas di dalamnya?

12. Balon helium. Sebuah balon pesta helium yang dianggap

berbentuk bola sempurna, mempunyai radius 18 cm. Pada

temperatur ruangan (20oC), tekanan dalamnya adalah

1,05 atm. Cari jumlah mol helium pada balon dan massa

helium yang diperlukan untuk meniup balon sampai nilai

ini.

13. Periksa ban ketika dingin. Sebuah ban mobil diisi

sampai tekanan ukur 200 kPa pada 10oC. Setelah

berkendaraan 100 km, temperatur di dalam ban naik

menjadi 40oC. Berapa tekanan di dalam ban sekarang?

14. Massa atom hydrogen. Gunakan bilangan Avogadro

untuk menentukan massa atom hidrogen.

15. Berapa banyaknya molekul dalam satu kali napas?

Perkirakan berapa banyak molekul yang Anda hirup

dalam 1 L udara pernapasan.



56

16. EK Molekul. Berapa energi kinetik translasi rata-rata

molekul dalam gas pada 37oC?.

17. Laju molekul udara. Berapa laju rms molekul udara (O2

dan N2) pada temperatur kamar (20oC)?

18. Kelembaban relatif. Pada hari yang sangat panas,

temperatur 30oC dan tekanan parsial uap air di udara

adalah 21 torr. Berapa kelembaban relatif?

19. Difusi amonia di udara. Untuk mendapatkan gambaran

mengenai waktu yang diperlukan untuk difusi, perkirakan

berapa lama waktu yang diperlukan agar amonia (NH3)

terdeteksi pada jarak 10 cm dari sebuah botol setelah

dibuka, dengan menganggap hanya difusi yang terjadi. Latihan soal: 1. Pada temperatur berapa skala Fahrenheit dan Celcius

memberikan nilai numeric yang sama?

2. Sebuah gelas biasa diisi sampai penuh dengan 350 mL

air pada 100oC. Jika temperatur turun sampai 20oC,

berapa banyak air yang dapat ditambahkan ke gelas

tersebut?

3. Sebuah tong anggur dengan diameter 134,122 cm pada

20oC akan diikat dengan sabuk besi. Sabuk tersebut

mempunyai diameter dalam 134,110 cm pada 20oC.

Lebarnya 8,9 cm dan tebal (0,65 cm). (a) Sampai temperatur berapa sabuk tersebut harus dipanaskan

sehingga tong bisa masuk? (a) Berapa tegangan pada sabuk ketika mendingin sampai 20oC?



57

4. Sebuah tangki penyimpan berisi 21,6 kg nitrogen (N2)

pada tekanan absolut 3,65 atm. Berapa tekanan jika

nitrogen diganti dengan CO2 dengan massa yang sama?

5. Sebuah ban diisi udara pada 15oC dan tekanan ukur 220

kPa. Jika ban mencapai temperatur 38oC, berapa bagian

dari udara awal yang harus dikeluarkan jika tekanan

awal 220 kPa dipertahankan?

6. Perkirakan berapa banyak molekul udara pada setiap 2 L

yang Anda hirup yang juga merupakan napas Einstein

untuk terakhir kalinya. [Petunjuk: anggap tinggi

atmosfir 10 km dan massa jenis konstan].



58

bab 7

Documents