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