Materi Suhu dan Kalor

SUHU DAN KALOR

Jika kita membahas tentang suhu suatu benda, tentu terkait erat dengan panas atau dinginnya benda tersebut. Dengan alat perasa, kita dapat membedakan benda yang panas, hangat atau dingin.

Benda yang panas kita katakan suhunya lebih tinggi dari benda yang hangat atau benda yang dingin. Benda yang hangat suhunya lebih tinggi dari benda yang dingin. Dengan alat perasa kita hanya dapat membedakan suhu suatu benda secara kualitatif. Akan tetapi di dalam fisika kita akan menyatakan panas, hangat, dingin dan sebagainya secara eksak yaitu secara kuantitatif (dengan angka-angka).

Secara sederhana suhu didefinisikan sebagai derajat panas dinginnya suatu benda. Ada beberapa sifat benda yang berubah apabila benda itu dipanaskan, antara lain adalah warnanya, volumnya, tekanannya dan daya hantar listriknya.

Sifat-sifat benda yang berubah karena dipanaskan disebut sifat termometrik. Suhu termasuk besaran pokok dalam fisika yang dalam S.I. bersatuan Kelvin.

A.    Alat Ukur Suhu

Untuk menyatakan suhu suatu benda secara kuantitatif diperlukan alat ukur yang disebut termometer. Ada beberapa jenis termometer dengan menggunakan konsep perubahan-perubahan sifat karena pemanasan. Pada termometer raksa dan termometer alkohol menggunakan sifat perubahan volume karena pemanasan. Ada beberapa termometer yang menggunakan sifat perubahan volum karena pemanasan, antara lain: Celcius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin. Masing-masing termometer tersebut mempunyai ketentuan-ketentuan tertentu dalam menetapkan nilai titik didih air dan titik beku air pada tekanan 1 atm, seperti terlihat pada gambar berikut.

Dari ketentuan tersebut diperoleh perbandingan skala dari keempat termometer tersebut sebagai berikut:

Hubungan antara termometer Celcius dan Kelvin secara khusus dapat dinyatakan:

t^oC = (t + 273) K atau tK = (t – 273)^oC

Secara umum hubungan termometer yang satu dengan yang lain adalah sebagai berikut:

B.     Pemuaian

Suatu benda jika diberikan kalor akan terjadi perubahan (kenaikan) suhu benda. Kenaikan suhu benda ini ditandai dengan perubahan ukuran (pemuaian) benda tersebut. dalam perubahan suhu yang relatif kecil, pemuaian termal bersifat linier. Pemuaian termal dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu :

−        Pemuaian panjang (linier);

−        Pemuaian luas; dan

−        Pemuaian volume

1)      Pemuaian Panjang

Pada gambar dibawah ini ditunjukkan sebuah batang panjangnya L₀ dipanaskan sehingga suhunya bertambah sebesar . Pemuaian batang hanya dianggap ke arah panjang batang, sering disebut pemuaian linier yaitu dengan mengabaikan pemuaian ke arah radial. Batang mengalami perubahan panjang sebesar  yang sebanding dengan panjang batang mula-mula L₀ dan besar kenaikan suhu  yaitu :

                                                                                                     ...(1)

Dengan tetapan kesebandingan  disebut sebagai koefisien muai panjang (linier).

 

Koefisien muai termal berbeda-beda untuk zat yang berbeda. Berdasarkan persamaan (1), maka panjang batang setelah pemuaian adalah:

  

                                                                                          ...(2)

2)      Pemuaian Luas

Suatu benda tipis berbentuk luasan tertentu dengan panjang dan lebarnya  dipanaskan sehingga suhu benda bertambah dari T menjadi . Jika pemuaian linier dinyatakan sebagai  maka pemuaian luasan dapat ditulis sebagai berikut:

                                                                        ...(3)

Suku kuadratis pada persamaan (3) sering diabaikan karena koefisien muai termal sangat kecil (berorde 10^-6/^oC), sehingga persamaan (3) menjadi:

                                                                                          ...(4)

Dengan  adalah luas mula-mula luasan yang ditinjau yaitu , seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

3)      Pemuaian Volume

Jika suatu benda berbentuk kubus dengan ukuran sisi-sisinya  dipanaskan sehingga suhunya bertambah sebesar . Jika pemuaian linier dinyatakan sebagai  maka pemuaian volume dapat ditulis  sebagai berikut:

                                                         ...(5)

Dengan V₀ =  adalah volume benda mula-mula sebelum dipanaskan.

Suku kuadratis dan suku pangkat tiga pada persamaan (5) sering diabaikan karena koefisien muai termal sangat kecil (berorde 10^-6/^oC), sehingga persamaan (5) menjadi:

                                                                                                       ...(6)

C.     Kalor

Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah jika kedua benda tersebut saling disentuhkan. Karena kalor merupakan suatu bentuk energi, maka satuan kalor dalam S.I. adalah Joule dan dalam CGS adalah erg.

1 Joule = 10⁷ erg.

Dahulu sebelum orang mengetahui bahwa kalor merupakan suatu bentuk energi, maka orang sudah mempunyai satuan untuk kalor adalah kalori.

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

Dari gambar di atas terlihat bahwa jika satu gelas air panas dicampur dengan satu gelas air dingin, setelah terjadi keseimbangan termal menjadi air hangat. Hal tersebut dapat terjadi karena pada saat air panas dicampur dengan air dingin maka air panas melepaskan kalor sehingga suhunya turun dan air dingin menyerap kalor sehingga suhunya naik.

Pernahkah kalian mengamati sebuah besi yang diberi kalor, misalnya dibakar? Tentu kalian sering mengamatinya. Besi tersebut akan menjadi lebih panas. Lebih panas ini berarti suhunya naik. Contoh ini membuktikan bahwa kalor dapat mengubah suhu zat. Pengaruh ini
banyak penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Contohnya memasak air, memanasi besi untuk melubangi kayu atau karet dan memanaskan benda waktu pagi pada
terik matahari.

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat ini dipengaruhi oleh massa benda m, kenaikan suhu Δt dan jenis zat. Jenis zat diukur dengan besaran yang dinamakan kalor jenis dan disimbulkan c. Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diserap zat bermassa 1 gr untuk
menaikkan suhu sebesar 10C. Hubungan besaran-besaran ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Q = m c Δt

Dengan : Q = Kalor yang diserap benda (kal)

m = massa benda (gr)

c = kalor jenis (kal/gr^OC)

Δt = kenaikkan suhu (^OC)

Perkalian massa dan kalor jenisnya disebut kapasitas kalor C dan dirumuskan sebagai berikut.

C = m c

dengan : C = kapasitas kalor ( kal/^OC)

1.      Kalor Pengubah Wujud Zat

Kalian pasti sudah mengetahui bahwa wujud zat ada tiga yaitu padat, cair dan gas. Pernahkah kalian melihat es yang mencair atau air yang sedang menguap? Ternyata perubahan wujud zat itu membutuhkan kalor. Banyaknya kalor untuk mengubah wujud 1 gr zat dinamakan kalor laten. Kalor laten ada dua jenis, pertama: kalor lebur untuk mengubah dari padat ke cair. Kalor lebur zat sama dengan kalor bekunya. Kedua: kalor uap yaitu kalor untuk mengubah dari cair menjadi gas. Kalor uap zat sama dengan kalor embun. Kalor laten ini disimbulkan L.

Dari penjelasan di atas maka dapat ditentukan kalor yang dibutuhkan zat bermassa m untuk mengubah wujudnya yaitu sebagai berikut:

Q = m L

dengan : Q = kalor (kal)

m = massa benda (gr)

L = kalor laten (kal/gr)

2.      Perubahan suhu dan wujud benda

Baru saja kalian telah belajar bahwa kalor dapat merubah suhu atau wujud zat. Berarti jika suatu benda diberi kalor yang cukup dapat terjadi kedua perubahan itu. Perubahan benda ini dapat digambarkan dengan bantuan grafik Q - t. Contoh perubahan ini dapat digunakan perubahan air dari bentuk padat (es) hingga bentuk gas (uap). Grafik Q - t nya dapat dilihat pada gambar berikut.

Pada gambar di atas, terlihat bahwa air dapat mengalami tiga kali perubahan suhu dan dua kali perubahan wujud. Pada saat mencair (Q₂) dan menguap (Q₄) membutuhkan kalor perubahan wujud Q = m L. Sedangkan kalor Q₁, Q₃ dan Q₅ merupakan kalor perubahan suhu Q = m c Δt.

Kalor dapat mengubah wujud zat apabila zat tersebut diberi kalor terus-menerus dan mencapai suhu maksimum, maka zat akan mengalami perubahan wujud. Peristiwa ini juga berlaku jika suatu zat melepaskan kalor terus-menerus dan mencapai suhu minimumnya.

Oleh karena itu, selain kalor dapat digunakan untuk mengubah suhu zat, juga dapat digunakan untuk mengubah wujud zat. Perubahan wujud suatu zat akibat pengaruh kalor dapat digambarkan dalam skema berikut.

Keterangan:

1        = mencair/melebur

2        = membeku

3        = menguap

4        = mengembun

5        = menyublim

6        = mengkristal

Selain dapat menaikkan suhu zat, kalor dapat juga mengubah wujud zat. wujud zat ada tiga, yaitu padat, cair, dan gas. Es merupakan salah satu contoh dari wujud zat padat. Es dipanaskan berarti es diberi energi kalor. Karena es diberi energi kalor, suhunya menjadi naik, sehingga es mencair atau melebur menjadi air. Perubahan wujud zat ini disebut mencair atau melebur.

Es mencair pada suhu 0°C

Apabila air dipanaskan, berarti air diberi energi kalor. Karena air diberi energi kalor, suhu air naik, sehingga air mendidih. Air mendidih ditandai dengan adanya gelembung-gelembung air yang bergerak pada suhu 100°C dan adanya asap yang mengepul menguap menjadi gas. Perubahan wujud zat seperti itu disebut menguap.

Setelah es menjadi air, air dipanaskan sampai suhu 100°C mendidih dan menguapmenjadi gas.

Apabila gas melepaskan kalornya, gas akan berubah menjadi air atau zat cair, sehingga terjadi perubahan wujud zat yang disebut mengembun. Apabila air melepaskan kalornya secara terusmenerus akan menjadi es. Perubahan wujud zat seperti itu disebut membeku. Kapur barus atau kamper dalam keadaan terbuka akan menerima energi kalor dari udara, sehingga ukuran kamper itu mengecil dan kemudian habis menjadi gas. Peristiwa perubahan wujud padat menjadi gas disebut menyublim.

D.    Perpindahan Kalor

Pada penjelasan sebelumnya telah dibahas bahwa kalor merupakan suatu bentuk energi yang dapat berpindah karena ada perbedaan suhu. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan 3 cara, yaitu secara konduksi, konveksi, dan radiasi.Untuk lebih jelasnya perhatikan uraian berikut.

1.      Konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi (hantaran) adalah perpindahan kalor melalui zat perantara dimana partikel-partikel zat perantara tersebut tidak berpindah. Perhatikan gambar berikut.

Dari gambar tersebut jika ujung batang logam dipanaskan dengan api, ternyata ujung
logam yang kita pegang akhirnya menjadi panas. Hal tersebut membuktikan adanya perpindahan kalor dari ujung batang logam yang ipanaskan ke ujung batang yang kita pegang.

Ada zat yang daya hantar panasnya baik, ada pula zat yang daya hantar panasnya buruk. Berdasarkan daya hantar panasnya maka zat dikelompokkan menjadi dua yaitu konduktor dan isolator.

a.       Konduktor (zat yang dapat menghantarkan panas dengan baik) antara lain: tembaga, aluminium, besi, dan baja.

b.      Isolator (zat yang kurang baik menghantarkan panas), antara lain: kaca, karet, kayu, dan plastik.

Kemampuan menghantarkan kalor logam dapat dijelaskan dengan menganggap adanya elektron- elektron bebas pada logam. Elektron bebas ialah elektron yang dengan mudah dapat pindah dari satu atom ke atom lain. Di tempat yang dipanaskan energi elektron-elektron bertambah besar. Karena elektron bebas mudah pindah, pertambahan energi ini dengan cepat dapat dibawa ke tempat lain di dalam zat dan dapat diberikan ke elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini energi berpindah lebih cepat.

Menentukan kecepatan alir kalor

Dari percobaan dan penalaran ditemukan bahwa kecepatan mengalirnya kalor dengan
cara konduksi dari satu tempat ke tempat lain dalam satu potong zat bergantung pada lima
faktor, yaitu selisih suhu T, luas penampang A, tebal zat L, lamanya kalor mengalir t, dan jenis zat (lihat Gambar ). Dari percobaan ditemukan bahwa kalor yang mengalir:

·         Sebanding dengan selisih suhu (T) antara kedua ujung potongan zat yang ditinjau

·         Sebanding dengan luas penampang potongan (A)

·         Berbanding terbalik dengan tebal atau panjang potongan (L)

·         Sebanding dengan selang waktu lamanya kalor mengalir.

Atas dasar itu, secara matematik banyaknya kalor H yang mengalir dari ujung bersuhu T₁ ke ujung bersuhu T₂ dapat dinyatakan dengan persamaan:

 = perambatan kalor tiap satuan waktu (Kal/det)

K = koefisien konduksi termal (Kal/m^oC)

T = perbedaan suhu (^oC)

A = luas penampang (m²)

L = panjang (m)

2.      Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi (aliran) adalah perpindahan kalor karena aliran zat yang dipanaskan. Konveksi hanya terjadi pada zat yang dapat mengalir, yaitu zat cair dan zat gas.

a.       Konveksi dalam zat cair

Bila air dipanaskan, air akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka air ini menjadi lebih ringan dan naik ke atas. Tempatnya kemudian digantikan oleh air yang lebih dingin dari atas, yang turun karena massa jenisnya lebih besar. Gerakan atau sirkulasi air tersebut dinamakan arus konveksi.

Penerapan konveksi kalor dalam air pada kehidupan sehari-hari.

1)      Pemanasan air dalam ketel

Pada saat kita memanaskan air dalam ketel, maka terjadi pemindahan kalor secara konduksi dan konveksi.

2)      Sistem aliran panas

Di hotel-hotel besar, tiap-tiap kamar mandi biasanya disediakan kran air dingin dan kran air hangat. Air panas dialirkan dari tempat pemanasan dan penyimpanan air panas ke seluruh bangunan secara konveksi.

Pada saat air dalam ketel dipanasi, maka air panas dalam ketel naik mengisi tangki penyimpanan dan air dingin dalam tangki penyimpanan turun ke ketel pemanasan sehingga keseluruhan air dalam sistem menjadi panas. Jika kran A dibuka, air panas di bagian
atas tangki penyimpanan keluar dan air dingin dari pusat persediaan air masuk ke tangki B melalui pipa dengan katub yang diatur oleh gerakan naik turunnya bola pelampung, sehingga jumlah air dalam sistem tetap. Demikian seterusnya sehingga air panas terus tersedia. Pipa C  erfungsi untuk mengalirkan uap panas atau limpahan air yang terjadi karena pemanasan.

b.      Konveksi dalam udara

Arus konveksi pada udara atau gas terjadi ketika udara panas naik dan udara yang lebih dingin turun. Konveksi udara dapat dilihat pada gambar di bawah. Jika lilin dinyalakan akan terjadi aliran udara panas dalam alat. Dengan menggunakan asap dari obat nyamuk yang dibakar, aliran udara terlihat. Udara panas akan naik dan udara dingin akan turun.

Penerapan konsep konveksi kalor dalam udara pada kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada terjadinya angin laut, angin darat dan pembuatan cerobong asap pada tangki pabrik.

1)      Angin laut (terjadi siang hari)

Pada siang hari daratan lebih cepat panas dari pada lautan. Akibatnya udara di atas daratan naik, dan kekosongan tersebut akan digantikan oleh udara yang lebih dingin dari atas laut yang bertiup ke darat. Maka terjadilah angin laut.

2)      Angin darat (terjadi malam hari)

Pada malam hari daratan lebih cepat dingin dari pada lautan, karena daratan lebih cepat melepaskan kalor. Akibatnya udara panas di lautan naik dan kekosongan tersebut digantikan oleh udara yang lebih dingin dari atas daratan yang bertiup ke laut. Maka terjadilah angin darat.

3)      Pembuatan cerobong asap pada tungku pabrik

Pada tungku pabrik biasanya dipasang cerobong asap agar selalu ada tarikan oleh udara ke atas. Sebelum ada pemanasan di dalam tungku, massa jenis udara dalam cerobong sama dengan massa jenis udara di luar cerobong. Setelah ada pemanasan, udara di dalam tungku memuai sehingga udara dari luar cerobong yang lebih dingin dan massa jenisnya lebih besar akan mendesak udara panas dalam cerobong ke atas. Semakin tinggi cerobong semakin besar tarikannya, sebab perbedaan massa jenis gas dalam cerobong dan massa jenis udara dari luar makin besar.

Banyaknya kalor yang merambat tiap satuan waktu secara konveksi dapat dinyatakan dengan persamaan:

 = perambatan kalor tiap satuan waktu (Kal/det)

h = koefisien konveksi (Kal/m det^oC)

A = luas penampang (m²)

 = perbedaan suhu (^oC)

3.      Radiasi

Antara bumi dengan matahari terdapat ruang hampa yang tidak memungkinkan terjadinya konduksi dan konveksi. Akan tetapi panas matahari dapat kita rasakan. Dalam hal ini kalor tidak mungkin berpindah dengan cara konduksi ataupun konveksi. Perpindahan kalor dari matahari ke bumi terjadi lewat radiasi (pancaran). Jadi radiasi adalah perpindahan kalor tanpa zat perantara

Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi (pancaran) kalor dinamakan termoskop.

Dua buah bola lampu dihubungkan dengan pipa U berisi alkohol yang diberi warna. Bola lampu A dihitamkan, sedangkan bola lampu B tidak. Bila pancaran kalor jatuh pada bola A, tekanan gas di dalam bola A, bertambah besar dan permukaan alkohol di bawah B akan naik. Bila A dan B bersama-sama diberi pancaran kalor, permukaan alkohol di bawah A tetap turun dan permukaan alkohol di bawah B naik. Hal ini menunjukkan bahwa bola hitam menyerap kalor lebih banyak daripada bola lampu yang tidak dihitamkan.

Benda yang permukaannya hitam kusam memancarkan atau menyerap kalor lebih baik dari pada benda yang permukaannya putih mengkilap.

Banyaknya kalor yang dipancarkan tiap satuan luas, tiap satuan waktu dapat dinyatakan dengan :

W = e .  . T⁴

W = energi kalor tiap satuan luas tiap satuan waktu (Watt/m² K)

e = emisivitas, besarnya tergantung sifat permukaan benda.

  = konstanta stefan - Boltzman = 5,672.10^-8 watt m^-2 K^-4

T = suhu mutlak (K)

Catatan: Untuk benda hitam e = 1

untuk benda bukan hitam 0 < e < 1

Daftar Referensi

Karyono dkk. 2009. Fisika untuk SMA dan MA kelas X. Jakarta : cv sahabat.

Widodo, Tri. 2009. Fisika untuk SMA dan MA kelas X. Jakarta : Departemen Pendidikan Nasional.

Damari, Ari. Fisika untuk SMA dan MA kelas X. Jakarta :