SUHU DAN KALOR

Disusun Oleh:DEVI PURWATININGSIH

(083224002)

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

2009

0

SUHU DAN KALOR

1. Pengertian Suhu

Besaran yang menunjukkan derajat panas atau dingin suatu benda disebut

suhu atau temperatur.Panas atau dinginnya suatu benda dapat dirasakan oleh

alat indera(misalnya:kulit), tetapi alat indera tidak dapat mengetahui dengan

tepat suhu atau temperatur suatu benda.Untuk mengukur suhu atau temperatur

dengan tepat, digunakan termometer.

Jika suhu suatu benda berubah, beberapa sifat termal atau sifat hantaran

listrik dari benda juga berubah.Sifat termal dan sifat hantaran listrik merupakan

contoh sifat fisis zat yang akan berubah jika suhu berubah.Sifat fisis zat yang

berubah pada saat suhu berubah disebut sifat termometrik zat.

Sifat termometrik zat diantaranya:

a. Volume cairan

b. Perubahan panjang kolom cairan

c. Hambatan listrik pada kawat

d. Tekanan gas pada volume tetap

e. Volume gas pada tekanan tetap

f. Gaya gerak listrik [electro motife force]

g. Intensitas cahaya-warna filamen lampu

A. Cara Mengukur Suhu

Cara mengukur suhu menggunakan termometer. Secara eksak suhu

diukur dengan mengunakan termometer. Saat terjadi kesetimbangan antara

zat dan termometer, angka yang ditunjukkan oleh termometer sama dengan

suhu zat yang diukur.Agar tercapai kesetimbangan termal, terjadi rambatan

kalor dari zat yang diukur suhunya ke dalam termometer, atau sebaliknya.

Oleh karena itu, zat yang diukur suhunya harus mempunyai volume relatif

jauh lebih besar dari pada volume termometer. Hal ini dimaksudkan agar

tidak terjadi perbahan suhu zat karena adanya kalor yang diserap atau

diberikan oleh termometer

1

B. Cairan Yang Digunakan Untuk Mengisi Termometer

Cairan yang paling banyak digunakan untuk mengisi tabung

termometer adalah raksa. Keunggulan raksa dibandingkan zat cair yang

lainnya, antara lain:

1. Cepat terjadi kesetimbangan termal dengan zat yang diukur.

2. Raksa dapat dipakai untuk mengukur suhu yang cukup rendah sampai

yang tinggi karena mempunyai titik beku pada titik beku pada -39 dan

titik didih pada 357 .

3. Tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya menjadi lebih

teliti.

4. Pemuian raksa linier terhadap kenaikan suhu

5. Mudah diamati karena raksa mengkilap

Selain raksa, dapat juga digunakan cairan alkohol untuk mengisi

tabung termometer. Namun, termometer yang menggunakan alkohol tidak

dapt mmengukur suhu tinggi karena titik didih alkohol 78 .Akan

tetapi,alkohol mempunyai titik beku yang rendah ,yaitu -115 sehingga

termometer alkohol digunakan untuk mengukur suhu zat yang rendah.

C. skala pada beberapa termometer

Penetapan skala termometer diawali dengan pemilihan dua titik tetep,

yaitu titik lebur es sebagai titik tetap bawah dan titik didih air sebagai titik

tetap atas.Kedua titik tetap tersebut diberi angka, kemudian dibagi-bagi

dalam beberapa skala yang disebut derajat.Berdasarkan prinsip inilah dibuat

skala beberapa termometer, yaitu termometer skala celcius, skala reamur,

skala fahrenheit dan skala kelvin

1. Penetapan Skala

Termometer Celcius

Titik lebur es diberi angka 0,sedangkan titik didih air diberi angka

100.Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 100 skala.

Termometer Reamur

Titik lebur es diberi angka 0,sedangkan titik didih air diberi angka

80.Daerah antara kedua titik tetep ini dibagi dalam 80 skala.

2

Termometer Fahrenheit

Titik lebur es diberi angka 32, sedangkan titik didih air diberi angka

212.Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 180 skala.

Termometer Kelvin

titik lebur es diberi angka 273, sedangkan titik didih air diberi

angka 373.Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 100 skala.

Jadi dapat disimplkan bahwa:

1 skala Reamur>1skala Celcius >1 skala farenheit dan 1 skala

celcius=1 skala kelvin

Gambar Skala Termometer

2. Perbandingan pembagian skala C, R, dan F

C:R:F=100 skala: 80 skala:180 skala atau C:R:F=5:4:9

Dari perbandingan skala ini dapat dirumuskan hubungan angka-angka yang

ditunjukkan oleh masing-masing termometer sebagai berikut.

a> Hubungan antara C dengan R

C:R=5:4

C=5/4R atau R=4/5C

b> Hubungan antara C dengan F

C:(F-32)=5:9

C=5/9(F-32) atau F=9/5C+32

3

c> Hubungan antara R dan F

R;(F-32)=4:9

R=4/9(F-32) atau F=9/4R+32

d> Hubungan antara C dengan K

t °C =(t+273)K atau T K=(T-273) C

Contoh Soal :

Suhu dalam skala derajat Celcius menunjukkan angka 30 Berapakah

angka yang ditunjukkan dalam skala derajat

a.Reamur?

b.Fahrenheit?

c.Kelvin?

Penyelesaian:

Diketaui: C=30

Ditanya : R?

F?

K?

Jawab: a> R=5/4C

=5/4(30 )

=24

b>F=9/5C+32

=9/5(30)+32

=86

c>t C=(t+273)K

=(30+273)K

=303K

Jadi 30 C=24 R=86 F=303 K

4

Latihan :

Jika termometer skala farenheit menunjukan angka 113 ,berapahkan

angka yang ditunjukkan oleh termometer skala Reamur,Celcius dan

Kelvin?

D. jenis-jenis termometer

Sebagaimana telah disebutkan bahwa semua tipe dan jenis

termometer berdasarkan pada gejala dimana suatu besaran fisis tertentu

berubah apabila suhu berubah atau diubah.Besaran fisis yang berubah

karena perubahan suhu disebut Thermometric Property”[sifat

termometrik].Sebagai contoh sifat termometrik pada jenis termometer

cairan adalah perubahan panjang kolom cairan/tinggi kenaikan cairan

dalam pipa kapiler dari gelas,sedangkan sebagai zat termometrik

[Thermometric substance] adalah jenis cairan dalam pipa kapiler[dapat

berupa cairan alkohol,air,dsb].Karena termometer dipengaruhi sifat

termometrik dan zat termometrik yang sangat tergantung pada perubahan

temperatur, sebab itu dikenal beberapa tipe dan jenis termometer,antara

lain:

a. Termometer Zat Cair Dalam Gelas

Termometer zat cair dalam gelas disebut juga termometer

cairan.Jenis termometer ini biasanya hanya digunakan untuk mengukur

temperatur pada daerah batas pengukuran yang sangat dipengaruhi oleh

jenis zat termometrik[Thermometric Subtance]yang berupa cairan dalam

pipa kapiler dari gelas.Termometer cairan merupakan salah satu jenis

termometer paling banyak dijumpai pada pemakaian sehri-hari.Bagan

skema termometer cairan terlihat pada gambar berikut ini:

5

Gambar termometer zat cair dalam gelas

Prinsip yang digunakan pada termometer cairan adalah zat cair

mengembang atau berekspansi apabila dipanaskan.

b. Termometer Gas Volume Tetap

Pada termometer gas volume tetap yang menjadi sifat

termometrik adalah tekanan suatu gas yang volumenya dibuat tetap

konstant.Termometer gas volume tetap sangat menonjol kepekaannya,

ketelitiannya,pengukuranya dan mempunyai reproduksibilitas yang

cukup tinggi.Gas yang biasa digunakan adalah gas hidrogen atau helium.

Gambar termometer gas volume tetap

c. Termokopel

Bila dua logam yang berbeda jenisnya(terutama berbeda

pemuiannya)disentuhkan,maka saat suhu berubah timbul gaya gerak

listrik(ggl).Besaran ggl yang timbul dimanfaatkanuntuk pengukuran suhu

pada termokopel.

6

Gambar termokopel

d. Pirometer (Termometer Hambatan)

Pada umumnya,hambatan listrik suatu zat berubah jika suhunya

berubah.Bila suhu naik, hambatan listrik zat bertambah besar,demikian

pula sebaliknya.Termometer yang menggunakan sifat hambatan listrik ini

disebut termometer hambatan (pirometer).

Gambar pirometer optik

Pirometer ini khusus digunakan untuk pengukuran suhu yang

sangat tinggi,misalnya suhu cairan logam di pabrik pengolahan

logam.Didunia indrustri, selain pirometer hambatan dikenal juga disebut

pirometer optik(optical rometer).

2. Pengertian Kalor

Kalor merupakan salah satu bentuk energi:berarti kalor merupakan

suatu besaran fisika yang dapat dapat diukur. Kegiatan pengukuran-

pengukuran kalor(kalorimetri) dalam fisika, berkaitan dengan penentuan

7

kalor jenis suatu zat. Alat yang digunakan untuk mengukur kalor disebut

kalorimeter.

Istilah kalor, pertama kali diperkenalkan oleh seseorang ahli kimia

dari Perancis bernama A.L.Lavoisier(1743-1794).Kalor berasal dari kata

caloric.Para ahli kimia dan fisika, semula menganggap bahwa kalor

merupakan jenis zat alir yang tidak terlihat oleh manusia. Berdasar

anggapan inilah,satuan kalor ditetapkan dengan nama kalori disingkat kal.

Satu kalori(kal) didefinisikan sebagai banyaknya kalor

yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga

suhunya naik 1 .

Dari hasil pengukuran-pengukuran secara teliti oleh beberapa ahli,

anggapan bahwa kalor itu merupakan zat alir tidak dapat dipertahankan

lagi kebenarannya.Para ahli menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya

merupakan bentuk energi.Sehingga satuan kalor yang paling tepat adalah

sama dengan satuan energi,yaitu joule. Akan tetapi dewasa ini masih

banyak kalangan yang menggunakan kalori sebagai satuan kalor,misalnya

di kesehatan.

1 joule=0,24 kalori atau 1 kal=4,2 joule

A. kalor jenis dan kapasitas kalor itu

Kalor Jenis

Jika 1 kg air dan 1 kg minyak tanah masing-masing diberi kalor yang

sama(misalnya Q joule).Minyak tanah ternyata mengalami perubahan suhu

kira-kira dua kali perubahan suhu air.Hal ini mengambarkan bahwa antara

zat yang satu dengan zat yang lainnya dapat mengalami perubahan suhu

yang berbeda, meskipun diberi kalor yang sama. Perbedaan kenaikan suhu

tersebut, terjadi karena zat yang satu dengan zat yang lain berbeda kalor

jenisnya.

8

Kalor jenis suatu zat (c) didefinisikan sebagai

banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan(Q)

untuk menaikkan atau menurunkan suhu satu satuan

massa zat itu(m) sebesar satu satuan suhu (

Dinyatakan dalam bentuk persamaan :

c=

Atau

Q=m . c.

Dengan:

Q = kalor (joule atau kalori)

m = massa benda (kg atau gram)

∆T = perubahan suhu (K atau °C)

c = kalor jenis (J/kg.K atau kal/gram °C)

Contoh Soal:

Tentukan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk

memanaskan air sebanyak 2 kg dari suhu 20 hingga

mencapai titik didih, yaitu 100 .Diketahui kalor jenis air

4,2kJkg-1 -1

Penyelesaian :

Diketahui :

m =2 kg

T1 = 20

T2 =100

C =4,2 kJkg-1 -1

9

Ditanya:

Q?

Jawab:

= 100 -20

= 80

Q =m c T

=(2kg) (4,2 kJkg-1 ) (80 )

=672 kJ

Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor (C) dapat didefinisikan sebagai banyaknya kalor

yang diperlukan atau dilepaskan (Q) untuk mengubah suhu benda sebesar

satu satuan suhu ( .

Dinyatakan dalam bentuk:

m c=

C=

Dengan:

Q = kalor (joule atau kalori)

C = kapasitas kalor (kal °C-1 atau J°C-1)

∆T = perubahan suhu (°C)

Contoh Soal :

Sebuh benda memiliki kapasitas kalor 2.000 J -1. Tentukan banyaknya

kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar 10 !

Penyelesaian:

Diketahui:

C=2.000 J -1

10

Ditanya:

Q?

Jawab:

Q=C

=(2.000 J -1) (10 )

=20 kJ

B. kalorimeter

Kalorimeter

Kalorimeter adalah alat untuk mengukur kalor.Pengukuran kalor ini

dilakukan untuk menentukan kalor jenis suatu zat.Jika kalor jenis suatu zat

sudah diketahui, maka kalor yang diserap atau dilepaskannya dapat

ditentukan dengan mengukur perubahan suhu zat itu.

Salah satu bentuk kalorimeter ditujukkan pada gambar dibawah

ini.Kalorimeter ini terdiri atas sebuah bejana logam yang kalor jenisnya

diketaui. Bejana ini di tempatkan didalam bejana lain yang lebih besar.

Kedua bejana dipisahkan oleh bahan penyekat, misalnya gabus atau wol.

Bejana luar berfungsi sebagai “jaket” pelindung untuk mengurangi

pertukaran kalor dengan udara luar.

Gambar Kalorimeter

Prinsip kerja kalorimeter

Zat yang akan ditentukan kalor jenisnya dipanaskan sampai suhu

tertentu, kemudian cepat–cepat zat itu dimasukkan kedalam kalorimeter

11

yang berisi air yang suhunya dan massanya sudah diketahui.Kalorimeter

diaduk sampai suhunya tidak berubah lagi. Dengan menggunakan hukum

kekekalan energi(azas Black), kalor jenis zat yang dimasukkan dapat

dihitung.

Kalor Jenis Beberapa Zat

ZAT KALOR JENIS (kkal/kg °C)

Air 1,00

Raksa 0,033

Alkohol 0,55

Alumunium 0,21

Besi 0,11

Emas 0,031

Minyak Tanah 0,52

Latihan:

1)Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 kg air dari 10

menjadi 30 ?

2)Sebuah benda massanya 100gram dan kapasitas kalor adalah 3,6

3J/K.Benda itu dipanaskan sehingga suhunya naik dari 25 menjadi 100

a> Berapa kalor yang diserap benda?

b> Berapa kalor jenis benda itu?

C. azas black

Menurut pengamatan Joseph Black(1720-1799), seseorang ilmuwan

Inggris, dua macam zat yang berbeda suhunya dicampurkan

(disentuhkan)maka zat yang suhunya lebih tinggi akan melepaskan kalor

yang sama banyaknya dengan kalor yang diserap oleh zat yang suhunya

lebih rendah

Jadi: Kalor yang diterima = Kalor yang dilepaskan

12

Azas black ini merupahkan bentuk lain dari perumusan hukum kekekalan

energi

Contoh Soal

Sepotong alumunium yang massanya 0,5 kg dan suhunya 100° C dicelupkan ke

dalam air yang mempunyai massa 0,5 kg dan suhu 25° C. Bila suhu akhir menjadi

39° C dan kalor jenis air 4200 J/kg° C, tentukanlah kalor jenis alummunium

(abaikan kalor yang diambil wadah air) !

Penyelesaian :

∆Taℓ = 100-39 = 61° C;

∆Ta = 39-25 = 14° C;

maℓ = 0,5 kg;

ma = 0,5 kg;

ca = 4200 J/kg° C

Kalor yang dilepaskan alumunium :

Qaℓ = maℓ . caℓ∆Taℓ

= 0,5 . caℓ . 61

=30,5 caℓjoule

Kalor yang diterima air

Qa = ma . ca . Ta

= 0,5 . 4200 . 14

= 29400 joule

Menurut azas Black (hukum kekelan energi) :

Qaℓ =Qa

30,5 caℓ= 29400

caℓ= 29400

30,5

= 963,9 J/kg° C

= 9,6 x 102 J/kg° C

Jadi, kalor jenis alumunium adalah 9,6 x 102 J/kg° C

(dibulatkan sampai dua angka penting).

13

Latihan

sebatang timah bermassa 200 gram dipanaskan sampai 90°C, kemudian

dimasukkan ke dalam 500 gram air pada suhu 20° C (kalor jenis air adalah 1

kal/g.°C). jika suhu akhir timah dan air 20,8°C, berapa kalor jenis timah tersebut ?

(Abaikan kalor yangditerima wadah air).

B. PEMUAIAN ZAT

Pada umumnya zat akan memuai jika dipanaskan menyusut didinginkan,

kecuali air. Pada suhu antara 0° C - 4° C, air justru menyusut bila suhunya

dinaikkan. Contoh zat lainnya yang menysut ketika dipanaskan adalah bismut dan

parafin.

1. Pemuaian zat padat

Bila zat padat dipanaskan, maka suhunya naik dan memuai. Pemuaian yang

dialami zat padat adalah pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.

a. Pemuaian panjang

Beberapa zat padat seperti vesi, alumunium, dan tembaga ternyata mengalami

pemuaian yang berbeda ketika dipanaskan. Batang alumunium dan batang besi

yang panjangnya sama, ketika keduanya dipanaskan dengan kenaikan suhu yang

sama, alumunium memuai lebih dari dua kali pemuaian besi.

Perbedaan sifat muai berbagai zat ditentukan oleh koefisiensi muai panjang

dari masing-masing zat itu sendiri. Apakah koefisien muai panjang itu ?

Perhatikan gambar dibawah:

Koefisien muai panjang () didefinisikan sebagai perbandingan antara

pertambahan panjang zat (∆ℓ) dengan panjangnya semula (ℓo), untuk setiap

14

kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (∆T). definisi ini ditulis dalam bentuk

persamaan seperti berikut :

= ∆ℓ

ℓo . ∆T

atau dapat ditulis :

∆ℓ = . ℓo . ∆T

dengan ∆ℓ = pertambahan panjang (m)

∆ℓ = ℓT - ℓo

ℓo = panjang mula-mula (m)

ℓT = panjang akhir (m)

∆T = suhu akhir – suhu awal (° C atau K)

= koefisien muai panjang (° C-1 atau K-1)

Contoh soal :

Batang alumunium yang panjangnya 4 m, naik suhunya dari 27° C menjadi 72° C.

Jika koefisien muai panjang alumunium = 24 x 10-6 (° C)-1, hitunglah :

a. Pertambahan panjang alumunium !

b. Panjang batang alumunium pada suhu 72° c !

Penyelesaian :

ℓo = 4 m

∆T = 72° C - 27° C = 45° C

= 24 x 10-6 (° C)-1

a. ∆ℓ = ℓo . ∆T

= (24 x 10-6) (4) (45)

= 4320 . 10-6 m = 0,004320 m

b. ∆ℓ = ℓT - ℓo

ℓT = ℓo + ∆ℓ

= 4 + 0,004320 = 4,00432 m

Tabel

15

Koefisien panjang beberapa zat

Zat (K-1)

Alumunium

Perunggur/kuningan

Beton

Baja/besi

Kaca

Grafit

Pyrex

Karbon/berlian

Invar

Silika

24 x 10-6

19 x 10-6

12 x 10-6

11 x 10-6

9 x 10-6

7,9 x 10-6

3,2 x 10-6

1,2 x 10-6

1,0 x 10-6

0,42 x 10-6

Latihan

Sebuah pipa baja panjangnya 100 cm pada suhu 27° C. Berapa panjangnya pada

suhu 77° C jika koefisien muai panjang baja = 11.10-6(° C)-1 ?

b. Pemuaian luas

Benda padat yang berbentuk bidang seperti pelat-pelat besi atau ”lembaran”

kaca, lebih tepat ditinjau muai luasnya atau muai bidangnya. Pemuaian luas

berbagai zat bergantung pada koefisien muai luasnya.

Koefisien muai luas suatu zat () adalah perbandingan antarapertambahan

luas zat (∆A) dengan luas semula (Ao), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu

satuan suhu (∆T).

Definisi tersebut diatas dinyatakan dalam bentuk rumus sebagai berikut :

16

= ∆A

Ao . ∆T

atau

∆A = . Ao . ∆T

dengan ∆A = pertambahan luas (m2)

∆A = AT - Ao

Ao = luas mula-mula (m2)

AT = luas akhir (m2)

∆T = Kenaikan suhu (° C atau K)

= koefisien muai luas (° C-1 atau K-1)

dengan penalaran yang sama, seperti pada pemuaian panjang, pada pemuaian luas

berlaku persamaan berikut :

AT = Ao (1 - ∆T)

hubungan koefisien muai luas () dengan koefisien muai panjang () adalah

sebagai berikut :

= 2

Contoh soal

Kaca jendela rumah pada suhu 25° C luasnya 1 m². Berapa luas kaca tersebut

setelah suhunya naik menjadi 45° C karena terkena sinar matahari ? (koefisien

muai panjang kaca 9 x 10-6(° C-1)

Penyelesaian :

A = 1 m²

∆T = T – To = 45 – 25 = 20° C

= 2

= 2 (9 . 10-6)

= 18 x 10-6 (° C)-1

∆A = . Ao . ∆T

= ( 18 x 10-6) (1) (20)

= 360 x 10-6

= 0,00036 m²

AT = Ao + ∆A

17

= 1 + 1,00036 m²

Jadi, luas kaca pada suhu 45° C adalah 1,00036 m².

Latihan

Sebuah pelat besi luasnya 5 m² pada suhu 20° C. Bila suhunya dinaikkan menjadi

120° C, maka luasnya sekarang menjadi berapa ? (Koefisien muai panjang besi =

11 x 10-6(° C)-1

c. Pemuaian volume

Benda padat berbentuk kubus, balok, bola, dan sebagainya, ketika dipanaskan

akan mengalami pemuaian volume. Pemuaian volume berbagai zat (padat, cait,

atau gas) bergantung pada koefisien muai volumenya.

Koefisien muai volume suatu zat (γ) adalah perbandingan antara pertambahan

volume (∆V) dengan volume semula (Vo), untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu

satuan suhu (∆T). dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut :

γ = ∆V

Vo . ∆T

atau

∆V = γ. Vo . ∆T

dengan ∆V = pertambahan volume zat ( m³)

∆V = VT – Vo

Vo = volume mula-mula

VT = volume setelah dipanaskan

∆T = kenaikan suhu (° C atau K)

18

γ = koefisien muai luas (° C-1 atau K-1)

Bila persamaan disubstitusikan pada persamaan satunya, maka akan

diperoleh:

VT = Vo (1 + γ∆T)

Hubungan antara koefisien muai volume dengan koefisien muai panjang adalah :

γ = 3

Contoh soal

Sebuah bola baja ( = 11 x 10-6(° C)-1 pada suhu 25° C diameternya 2 cm.

Berapakah volume bola tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 100° C ?

Penyelesaian :

R = D = 2 = 1 cm

2 2

Vo = 4 πR3

3

= 4 (3,14) (13) = 4,186667 cm3

3

∆T = 100 – 25 = 75° C

γ = 3 = 3(11 x 10-6) = 33 x 10-6(° C)-1

VT = Vo (1 + γ∆T)

= 4,186667 (1 + 33. 10-6 . 75)

= 4,186667 (1 + 2475.10-6)

= 4,186667 + 110362.10-6

= 4,186667 + 0,010362 = 4,197029 cm3

Latihan

Suatu kolom beton berukuran 0,5 m x 1,0 m x 6 m. Hitung perubahan volumenya

ketika suhunya naik dari 15 ° C menjadi 35° C ! (koefisien muai panjang beton =

2 x 10-6(° C)-1 ).

19

2. Pemuaian zat cair dan gas

Zat cair dan gas selalu mengikuti bentuk wadah zat cair atau gas itu

ditempatkan. Jika zat cair atau gas dimasukkan ke dalam botol, maka bentuknya

menyerupai botol. Karena mempunyai sifat tersebut, maka zat cair dan zat gas

hanya mengalami muai volume saja.

Secara umum pada pemuaian zat cair dan gas berlaku :

γ = ∆V

Vo . ∆T

atau

∆V = γ . Vo . ∆T

dan

VT = Vo (1+ . ∆T)

Pada pemuaian gas kita hanya akan meninjau hubungan antara perubahan volume

dan perubahan suhu, sedangkan tekanan gasnya dibuat tetap. Koefisien nuai

volume (γ ) untuk gas pada tekanan tetap besarnya :

γ =

jadi, secara khusus untuk pemuaian gas tekanan tetap berlaku :

∆V = .Vo . ∆T

atau

∆V =

dan

VT = Vo (1 + )

ANOMALI AIR

20

Diatas telah disebutkan bahwa setiap zat bila dipanaskan maka volumenya akan

bertambah besar karena pemuaian. Tetapi hal ini tidak berlaku untuk air pada suhu

antara 00C – 40C. Pada suhu 00C – 40C, bila air dipanaskan maka volumenya akan

berkurang. Penyimpangan sifat air dari sifat umum ini disebut anomali air.

Hubungan perubahan suhu dan perubahan volume air ditunjukkan oleh grafik

pada gambar dibawah. Nampak pada gambar ini, bahwa volume air mencapai

nilai minimum (paling kecil) pada suhu 40C.

V (volume)

Gambar Grafik anomali air

Tabel

koefisien muai volume beberapa zat

Zat Koefisien muai volume (0C-1)

Alkohol

Air

Raksa

Etil Alkohol

Gliserin

Karbon Sulfida

Parafin

Terpentin

Aseton

Udara

11 x 10-4

4,4 x 10-4

18 x 10-4

11,2 x 10-4

5,3 x 10-4

11,5 x 10-4

10 x 10-4

10,5 x 10-4

15 x 10-4

36,7 x 10-4

Latihan

21

1. volume bejana kaca 100 cm3 dan didalamnya terdapat alkohol sebanyak

95 cm3 pada suhu 200C. Berapa cm3 alkohol yang tumpah dari bejana kaca

itu jika suhunya dinaikkan menjadi 400C ?

2. Gas dalam ruang tertutup dengan volume V suhunya 100C. Gas itu

kemudian dipanaskan hingga mencapai suhu 1010C pada tekanan tetap.

Berapa volume gas setelah dipanaskan?

C. KALOR PADA PERUBAHAN WUJUD

Pemberian kalor atau sebaliknya pelepasan kalor pada suatu zat, dapat

menyebabkan zat tersebut berubah wujudnya. Misalnya dari wujud padat menjadi

cair, dari wujud cair menjdai gas, atau sebaliknya. Ada beberapa macam

perubahan wujud yang telah kamu pelajari di SLTP, seperti digambarkan pada

diagram perubahan wujud zat pada gambar dibawah:

Apakah semua zat dapat mengalami ketiga wujud tersebut ? Kita tahu bahwa

air sangat mudah dapat mengalami ketiga wujud ini, wujud cairnya disebut cair,

wujud padatnya disebut es, dan wujud gasnya disebut uap air. Tetapi kita

mengetahui juga bahwa sebuah balok kayu tidak melebur bila dipanaskan, kapur

barus (kamper) langsung menguap saat suhunya berubah, sebutir telur malah

menjadi padat ketika dipanaskan. Dari contoh-contoh ini, kita dapat mengambil

kesimpulan bahwa tidak setiap zat dapat mengalami ketiga wujud tersebut. Untuk

balok kayu dan telur, kedua benda tersebut tidak megalami perubahan susunan zat

akibat reaksi kimia.

Kalor laten

22

Selama perubahan wujud tersebut, suhu zat tidak berubah, kalor yang

diterima atau dilepaskan oleh zat tidak digunakn untuk menaikan suhu tetapi

digunakan untuk mengubah wujud. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud

ini seakan-akan tersembunyi, karena itu kalor ini disebut kalor laten (laten artinya

tersembunyi).

Kalor laten adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari

satu wujud ke wujud lainnya.

Dinyatakan dalam bentuk persamaan :

L =

atau

Q = m . L

dengan

Q = kalor (joule atau kalori)

m = massa zat (kg atau gram)

L = kalor laten (J/kg atau kal/gram)

Dengan adanya beberapa macam perubahan wujud zat, maka muncul istilah

kalor laten khusus untuk suatu perubahan wujud tertentu, yaitu sebagai berikut.

a. Kalor laten lebur atai kalor lebur adalah banyaknya kalor yang diserap

untukmengubah 1 kg zat dari wujud padat emnjadi cair pada titik leburnya.

b. Kalor laten beku atau kalor beku adalah banyaknya kalor yang dilepaskan

untuk mengubah 1kg zat dari wujud cair menjadi padat pada titik bekunya.

Dengan demikian :

kalor lebur = kalor beku

titik lebur = titik beku

c. Kalor laten didih atau kalor didih adalah banyaknya kalor yang diserap untuk

mengubah 1kg dari wujud cair menjadi uap pada titik didihnya.

d. Kalor laten embun atau kalor embun adalah banyaknya kalor yang dilepaskan

untuk mengubah 1kg zat dari ujud uap menjadi cair pada titik embunnya.

Dengan demikian :

kalor didih = kalor embun

titik didih = titik embun

23

Contoh soal :

berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 gram es – 500C, menjadi 1 gram

uap 1500C? Kalor jenis es =0,5 kal/goC, kalor jenis air = 1 kal/goC, kalor lebur es

= 80 kal/g, dan kalor didih air = 540 kal/g.

Penyelesaian :

m = 1 gram

To = -500C (suhu awal)

Ta = 1500C (suhu akhir)

ces = 0,5 kal/goC

Lℓ = 80 kal/g

Ld = 540 kal/g

Qterima = ....?

peristiwa yang dialami es dapat digambarkan dengan diagram kalor suhu seperti

gambar dibawah

Keterangan :

garis miring = perubahan suhu

garis mendatar = perubahan wujud

kalor yang diterima es adalah :

Qterima = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

dengan :

Q1 = m ces . ∆T1 (perubahan suhu)

= (1) (0,5) (50) kal

= 25 kal

Q2 = m . L1 (perubahan wujud es menjadi air)

= (1) (80) kal

24

= 80 kal

Q3 = m. Cair . ∆T3 (perubahan suhu)

= (1) (1) (100) kal

= 100 kal

Q4 = m . Ld (perubahan wujud air menjadi uap air)

= (1) (540) kal

= 540 kal

Q5 = m . cair . ∆T5 (perubahan suhu)

= (1) (1) (150 – 100)

= 50 kal

Qterima = 25 + 80 + 100 + 540 + 50

= 795 kal

Jadi, besarnya kalor yang diterima es selama proses perubahan wujud tersebut

adalah 795 kalori.

Latihan

Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 100 gram – 5oC menjadi uap

100 oC. Diketahui kalor lebur es = 80 kal/g, kalor didih air = 540 kal/g, kalor jenis

es = 0,5 kal/goC, dan kalor jenis air 1 kal/goC.

D. Perpindahan kalor

Kalor dapat berpindah dari tempat atau benda yang suhunya tinggi ke tempat

benda yang bersuhu rendah.

Ada tiga cara perpidahan kalor yang tentu sudah kamu kenal ketika duduk di

bangku SLTP, yaitu

1. Cara konduksi (hantaran)

2. Cara konveksi (aliran)

3. Radiasi (pancaran)

1. Konduksi (hantaran)

Gambar dibawah memperlihatkan sepotong logam yang salah satu ujungnya

dipanaskan. Ternyata, beberapa saat kemudian ujung lainnya akan menjadi panas

25

juga. Kalor dapat merambat melalui batang logam tanpa ada bagian-bagian logam

yang pindah bersama kalor itu. Perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan

partikel zat seperti ini disebut konduksi.

Jika panjang batang= L, luas penampangnya = A dan selisih kedua ujungya = ∆T,

maka jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu dirumuskan :

H = k . A

dengan

H =

= jumlah kalor yang mengalir tiap satu satuan waktu

k = koefisien konduksi termal (daya hantar panas)

A = luas penampang

∆T = selisih temperatur antara kedua ujung batang.

L = panjang batang (atau tebal kedua ujung tabel untuk benda berbentuk

pelat)

Tabel

Koefisien konduksi (konduktivitas) termal beberapa zat

Zat/bahank

Logam

Perak

Tembaga

Aluminium

Kuningan

Besi/baja

4,2 x 10-4

3,8 x 10-1

2,1 x 10-1

1,0 x 10-2

4,6 x 10-3

26

Zat padat lain

Beton

Kaca

Batu bata

Kayu cemara

Zat cair

Air

Bahan isolator

Serbuk gergajian

Gabus

Wol gelas

Kapuk

Gas

Hidrogen

Udara

1,7 x 10-3

8,0 x 10-4

7,1 x 10-4

1,2 x 10-4

5,7 x 10-4

5,9 x 10-5

4 x 10-5

3,9 x 10-5

3,5 x 10-5

1,7 x 10-4

2,3 x 10-5

Konduksi kalor dapat dipandang sebagai akibat perpindahan energi kinetik

dari satu partikel ke partikel lain melalui tumbukan. Partikel-partikel di tempat

yang dipanaskan bergetar dengan energi kinetik yang besar, kemudian partikel-

partikel tersebut memebrikan sebagian energi kinetiknya ke partikel-partikel

tetangganya melalui tumbukan. Partikel-partikel tetangganya melalui tumbukan.

partikel-partikel tetangga ini membentuk pula partikel lainnya, demikian

seterusnya sehinggga terjadi hantaran energi kalor.

Pada bagian logam, terdapat elektron yang bergerak bebas. Elektron-elektron

ini berperan juga didalam merambatkan energi kalor. Karea itu, bahan logam

menjadi penghantar kalor yang sangat baik, dan disebut konduktor.

Contoh soal :

27

sebuah jendela kaca ruang bangunan berpengatur suhu (ber-AC) panjangnya 2 m,

tingginya 1 m, dan tebalnya 5 mm. Suhu permukaan dalam kaca 25oC dan suhu

permukan luarnya 35oC. Berapakah banyaknya kalor yang mengalir keluar dari

ruang itu melalui jendela kaca tersebut ? (koefisien konduksi termal kaca 8,0 10 -4

kJ/m.s.K))

penyelesaian :

A = 2 x 1 = 2m2

L = 5 mm = 5 x 10-2 m

∆T = 35 – 25 = 10oC

k = 8,0 x 10-4 kJ/m.s.K

H = k.A

= (8,0 x 10-4) (2)

= 32 . 10-4 . 102

= 32. 10-2 = 0,32 kJ/s

Latihan

1. Sebuah keping besi tebal 2 cm dengan luas penampang 5000 cm2, sisi

yang satu bersuhu 150oC dan yang lain 140oC. Berapa kalor yang

berpindah melalui keping setiap detik ? (kbesi = 4,6 x 10-3 kJ/msK)

2.

28

Perhatikan gambar diatas dua keping logam dipatri menjadi satu. Diketahui A

= 80 cm2, L1 = L2 = 3 mm, T1 = 100oC dan T2 = 0oC. Keping kiri mempunyai k1 =

48,1 J/msK dan keping kanan k2 = 68,2 J/msK. Tentukan banyaknya kalor yang

berpindah melalui kedua keping itu setiap detik !

2. Konveksi

Istilah konveksi biasa digunakan untuk pemindahan kalor melalui fluida (zat

cair dan gas). Pada konveksi, kalor berpindah bersama-sama dengan perpindahan

partikel zat. Contoh sederhana dapat kita jumpai pada waktu kita merebus

(memanaskan) air. Perhatikan gambar dibawah:

Bagian air yang ada di bawah, menerima panas (kalor) dari nyala api

pemanas. Air yang terkena panas ini memuai dan massa jenisnya menjadi lebih

kecil. Karena massa jenisnya kecil, bagian air ini naik dan tempatnya digantikan

oleh bagian air yang masih dingin yang massa jenisnya lebh besar. Bagian air

dingin ini endapat panas pula, lalu naiknya seperti bagian air sebelumnya.

Demikian seterusnya, air berpindah (mengalir) sambil membawa kalor.

Jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu dirumuskan :

H = h . A . ∆ T

dengan :

H = jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu

A = luas permukaan

T = perbedaan suhu

h = koefisien konveksi

29

Contoh soal

Seseorang yang tanpa pakaian memiliki suhu tubuh 33oC di kamar uyang suhunya

29oC. Bila luas permukaan badan orang itu 1,5 m2, berapa jumlah kalor yang

dilepaskan badan orang tiap detik ? (koefisien konveksi untuk tubuh manusia h =

7,1 J/smK).

Penyelesaian :

∆T = 33 – 29 = 4oC

A = 1,5 m2

h = 7,1 J/smK

H = h.A.∆T

= (7,1 (1,5) (4) = 42,6 J/s)

3. Radiasi (pancaran)

Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalor tanpa memerlukan

medium (zat perantara). Misalnya, perpindahan panas dari matahari ke bumi.

Walaupun matahari jauh dari bumi, dan bagian tervesar matahari tiba juga di bumi

dan diserap sebagai kalor.

Besarnya energi yang dipancarkan tiap satuan luas dan tiap satuan waktu,

oleh josep stefan (1835-1893) dirumuskan :

W = eτ . T4

dengan :

e = emisivitas benda (0 < e ≤ 1)

T = suhu permukaan benda (dalam kalvin)

τ = konstanta Stefan – Boltzman

= 5,67 x 10-8 watt/m2K4

W = energi yang dipancarkan tiap satuan luas dalam satu satuan waktu (J/s)

Emisitivitas benda (e) merupakan yang besaran yang bergantung pada sifat

permukaan benda. Benda hitam sempurna (blackbody) mempunyai e= 1. benda ini

merupakan pemancar dan penyerap kalor yang paling baik.

Contoh soal :

30

Sebuah bola mempunyai suhu 600°C. Berapa energi yang dipancarkan benda

persatuan luastiap detiknya jika bola dianggap hitam sempurna ?

Penyelesaian :

T = 600 + 273 = 873K

W = e . τ . T4

= (1) (5,67 x 10-8) (873)4

= 3,29 . 104 watt/m2

Contoh soal

Filamen wolfram suatu lampu (dengan e =0,3 dan τ = 5,67 x 10-8 watt/m2)

mempunyai luas permukaan 2,52 x 10-5m2. Arus sebesar 0,1 A akan mengalir

dalam filamen tersebut jika lampu dipasang pada tegangan 220 volt. Berapa suhu

wolfram tersebut ?

Penyelesaian :

e = 0,3

τ = 5,67 x 10-8 watt/m2

A = 2,52 x 10-5m2

I = 0,1 A

V = 220 volt

Daya lampu dapat dicari dengan rumus :

P = V . I

= 220 . 0,1

= 22 watt (Wtot = energi radiasi tiap detik)

= e . τ . T4

= (0,3) (5,67 x 10-8) (T)4

T4 = 5,136 x 1013

T = 2677,1K

31

Latihan

1. Sebuah lubang kecil dalam suatu perapian dapat dianggap sebagai benda

hitam, luasnya 0,5 cm2 dan suhu perapian 1727°C. Berapa energi yang

dipancarkan keluar lubang tiap detik ?

2. Kawat spiral lampu pijar luas permukaannya 50 mm2 dan bersuhu 2127°C.

Anggap semua energi listrik yang dihantarkan pada lampu diradiasikan

keluar seluruhnya. Jika emisivitas kawat 0,83, berapakah daya yang harus

diberikan pada lampu agar dapat berfungsi ?

SOAL-SOAL LATIHAN

I. Soal Pilihan Ganda

pilihlah satu jawaban yang paling tepat !

1. Berikut ini pernyataan-pernyataan tentang suhu dan termometer.

1. Suhu adalah derajat panas atau dinginnya suatu tempat atau benda.

2. Alat yang digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer.

3. Termometer dibuat dengan memanfaatkan sifat termometrik zat.

4. Indera kita dapat menentukan suhu suatu tempat atau benda.

Pernyataan tersebut yang benar adalah...

a. 1,2, dan 3 d. 4 saja

b. 1 dan 3 e. Semua benar

c. 2 dan 4

2. Suatu gas mempunyai suhu 263 K. Jika suhu gas tersebut dinyatakan dalam

°C dan °R, masing-masing adalah...

a. 536°C dan 428°R

b. 283°C dan 226,4°R

c. 10°C dan 12,5°R

d. -10°C dan -8°R

e. 10°C dan 8°R

3. Pernyataan mengenai koefisien muai panjang dibawah ini yang tidak benar

adalah ...

32

a. Koefisien muai panjang berbanding lurus dengan perubahan panjang

benda.

b. Koefisien muai panjang berbanding terbalik dengan panjang mula-mula.

c. Koefisien muai panjang berbanding terbalik dengan perubahan suhu.

d. Koefisien muai panjang berbanding lurus dengan panjang mula-mula.

e. Koefisien muai panjang tidak tergantung pada panjang atau pendeknya

benda.

4. Karena suhu dinaikkan dari 0°C menjadi 100°C, suatu batang baja yang

panjangnya 1 m bertambah panjang 1 mm. Berapakah pertambahan panjang

suatu batang baja yang panjang 60 cm bila dipanaskan dari 0°C sampai

120°C ?

a. 0,50 mm d. 1,20 mm

b. 0,60 mm e. 2,40 mm

c. 0,72 mm

5. Panjang batang rel kereta api masing-masing 10 meter, dipasang pada suhu

20°C. Diharapkan pada suhu 30°C rel tersebut saling bersentuhan. Jika

koefisien muai panjang rel kereta api 12x10-6(°C), jarak antara kedua batang

yang diperlukan pada suhu 20°C adalah ...

a. 3,6 mm d. 0,8 mm

b. 2,4 mm e. 0,6 mm

6. Sebuah bejana kaca (koefisien panjang 0,000009/°C) pada suhu 0°C terisi

penuh dengan 150cm3 raksa (koefisien muai volume 0,00018/°C).

Berapa cm3 raksa yang tumpah dari bejana kalau suhu dinaikkan menjadi

40°C ?

a. 0,6cm3 d. 0,9cm3

b. 0,7cm3 e. 1,0cm3

c. 0,8cm3

7. Suatu gas yang suhunya 20°C dipanaskan sampai suhunya 111°C pada

tekanan tetap. Bila volume gas sebelum dipanaskan V maka volume gas

setelah dipanaskan adalah ...

a. V d. V

33

b. V e. 2V

c. V

8. Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehinggga suhunya naik dari 0°C

menjadi 136°C. Bila banyak gas sekarang 6m3, maka banyak gas semula

adalah...

a. 2cm3 d. 8cm3

b. 4cm3 e. 10cm3

c. 6cm3

9. Berikut ini adalah pengertian kalor :

1. Benda yang menerima kalor, maka suhu benda akan naik atau wujudnya

berubah.

2. Benda yang melepaskan kalor, maka suhu benda akan turun atau

wujudnya berubah.

3. Kalor berpindah dari suhu yang lebih rendah ke suhu yang lebih tinggi.

Pernyataan-pernyataan tersebut yang benar adalah ...

a. 1 dan 2 d. 1 saja

b. 1 dan 3 e. 1,2 dan 3

c. 2 dan 3

10. Bila suatu zat mempunyai kalor jenis tinggi, maka zat itu ...

a. Lambat mendidih

b. Cepat mendidih

c. Lambat melebur

d. Cepat naik suhunya jika dipanaskan

e. Lambat naik suhunya jika dipanaskan

11. Untuk memanaskan 120cm3 air dari 20°C menjadi 30°C diperlukan kalor

sebesar...... (diketahui c = 1 kal/g°C dan ρ = 1 gram/cm3)

a. 2500 kal d. 3500 kal

b. 2750 kal e. 3750 kal

c. 3000 kal

34

12. Jika kalor jenis es 0,55kal/g°C, maka untuk menaikkan suhu 50 kg es dari

-45°C ke -5°C dibutuhkan kalor .... kal

a. 8,7 x 103 d. 8,7 x 106

b. 9,4 x 104 e. 8,7 x 107

c. 11 x 105

13. dalam suatu bejana yang berisi 4°C air, dicelupkan besi 2100 gram 90°C.

Pada saat keseibangan termal dicapai, ternyata suhu campuran adalah 34°C.

Bila kalor jenis besi = 0,10 kal/gr°C, maka massa air dalam bejana adalah ...

a. 392 gram d. 632 gram

b. 424 gram e. 743 gram

c. 518 gram

14. sebanyak 100 gram air pada suhu 290°C hendak dicampur dengan 200 gram

air yang suhunya 50°C. Suhu campurannya adalah ...

a. 392 gram d. 632 gram

b. 424 gram e. 743 gram

c. 518 gram

15. 1 kg es suhunya. -2°C Bila titik lebur es = 0°C, kalor jenis es = 0,5 kal/g°C,

kalor jenis air = 1 kal/g°C, kalor lebur es = 80 kal/g, dan 1 kal = 4,2 joule,

maka kalor yang diperlukan untuk meleburkan seluruh es tersebut adalah...

a. 2,856 x 105 joule d. 3,69 x 105 joule

b. 3,15 x 105 joule e. 3,78 x 105 joule

c. 3,402 x 105 joule

16. Es massanya 100 gram bersuhu -5°C, kemudian diberi kalor hingga menjadi

air dengan suhu 15°C (kalor lebur es = 80 kal/g, kalor jenis es = 0,5 kal/g°C,

kalor jenis air 1 kal/g°C dan 1 kal = 4,2 joule). Berapa kalor yang diberikan

pada es tersebut ?

a. 3,255 x 104 joule d. 4,095 x 104 joule

b. 3,465 x 104 joule e. 4,41 x 104 joule

c. 3,99 x 104 joule

17. Kalor yang mengalir per satuan waktu melalui suatu konduktor adalah :

1. Sebanding dengan luas penampang konduktor

2. Sebanding dengan selisih suhu antara ksedua ujungnya

35

3. Berbanding etrbalik dengan panjang konduktor

4. Tergantung pada macam konduktor

Pernyataan-pernyataan tersebut yang benar adalah ...

a. 1,2 dan 3 d. 4 saja

b. 1 dan 3 e. Semua benar

c. 2 dan 4

18. Batang alumunium (k = 500 x 10-1kal/m.soC) luas penampang ujungnya 1

cm2. Ujung-ujung batang bersuhu 0oC dan 20oC. Besarnya kalor yang

merambat tiap detik adalah ...

a. 0,1 kal/s d. 5 kal/s

b. 0,2 kal/s e. 10 kal/s

c. 0,5 kal/s

19. Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,01 kal/m.soC. Bila fluida

tersebut mengalir dari dinding dengan suhu 100 oC ke dinding lain yang

suhunya 60 oC, kedua dinding sejajar, maka besarnya kalor yang dapat

dialirkan tersebut adalah ...

a. 0,0008 kal/s d. 0,0014 kal/s

b. 0,001 kal/s e. 0,0016 kal/s

c. 0,0012 kal/s

20. suatu benda hitam pada suhu 27 oC memancarkan energi W joule/s. Benda

tersebut kemudian dipanasi, hingga suhunya menjadi 327 oC. Energi yang

dipancarkan benda hitam menjadi ...

a. 2 W d. 12 W

b. 4 W e. 16 W

c. 6 W

36