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:
toC
= (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.
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.
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/grOC)
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:
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.
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.
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.
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:
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/moC)
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.
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 detoC)
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 :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar