Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. FISIKA KELAS X Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. BAB VII K A L O R dan PERPINDAHANNYA Kamu tentu sudah menyadari bahwa sumber panas yang uatama di dunia ini adalah matahari. Energi panas atau energi kalor yang diradiasikan hingga ke bumi itu dimanfaatkan oleh tumbuhan hijau untuk fotosintesis. Manusia dan hewan mentransfer energi itu dengan memakan bagian dari tumbuhan. Tumbuhan-tumbuhan purba masih menyisakan energi tersebut dalam wujud batubara, dan hewan-hewan purba menyisakan energi itu dalam wujud minyak bumi. Kamu akan memperdalam pengaruh energi kalor terhadap zat, cara-cara energi kalor berpindah, dan penerapan asas Black dalam pemecahan masalah tentang kalor pada bab ini.
46
Embed
BAB VII K A L O R dan PERPINDAHANNYA · Menerapkan konsep kalor dan prinsip konservasi energi pada berbagai perubahan energi ... energi potensial dari beban akan berubah menjadi energi
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.
Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.
FISIKA KELAS X
Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.
BAB VII
K A L O R dan PERPINDAHANNYA
Kamu tentu sudah menyadari bahwa sumber panas yang uatama di dunia ini adalah matahari. Energi panas atau energi kalor yang diradiasikan hingga ke bumi itu dimanfaatkan oleh tumbuhan hijau untuk fotosintesis. Manusia dan hewan mentransfer energi itu dengan memakan bagian dari tumbuhan. Tumbuhan-tumbuhan purba masih menyisakan energi tersebut dalam wujud batubara, dan hewan-hewan purba menyisakan energi itu dalam wujud minyak bumi. Kamu akan memperdalam pengaruh energi kalor terhadap zat, cara-cara energi kalor berpindah, dan penerapan asas Black dalam pemecahan masalah tentang kalor pada bab ini.
387
BAB VII
K A L O R DAN PERPINDAHANNYA
Kamu tentu pernah merebus air bukan? Air yang tadinya terasa dingin dan sejuk setelah direbus beberapa saat akan terasa hangat dan lama-kelamaan menjadi panas. Tahukah Kamu mengapa demikian? Selama direbus air mendapat energi dari api yang menyala di bawah air tersebut. energi yang dihasilkan oleh nyala api akan berpindah ke air dan berubah menjadi panas dalam air. Bentuk energi yang berpindah karena perbedaan suhu disebut sebagai energi kalor. Perpindahan energi kalor selalu terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Jadi jika ada dua buah benda A dan B mempunyai suhu yang berbeda, dan suhu A lebih dari suhu B kemudian kedua benda tersebut disentuhkan maka suhu A akan menurun dan suhu B akan naik hingga suhu kedua benda tersebut setimbang. Dalam bab ini akan diperdalam tentang energi kalor.
Standar Kompetensi
Menerapkan konsep kalor dan prinsip
konservasi energi pada berbagai perubahan
energi
Kompetensi Dasar
Menganalisis pengaruh kalor terhadap suatu zat
Menganalisis cara perpindahan kalor
Menerapkan asas Black dalam pemecahan
masalah
388
A. Kalor
Apa itu kalor? Untuk apa kita mempelajari kalor? Apa kegunaan kalor dalam kehidupan sehari-hari? Seberapa penting bahasan kalor bagi kehidupan manusia? Misteri dan pertanyaan tentang kalor tidak kali ini saja terjadi, tapi jauh pada abad 18 hingga 19 masih merupakan suatu pertanyaan yang perlu mendapat penjelasan yang logis dan rasional, guna menyingkap tabir pemahaman tentang kalor.
1. Pemahaman Tentang Kalor
Dari awal abad 18 hingga 19 Masehi, kalor masih diyakini oleh sebagian orang
sebagai suatu fluida yang disebut kalorik. Fluida ini dapat berpindah dari suatu zat ke zat
yang lainnya. Arah perpindahan itu adalah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu
rendah. Kalor adalah suatu bentuk energi. Istilah kalor berasal dari Caloric, pertama kali
diperkenalkan oleh A.L. Lavoiser seorang ahli kimia dari Perancis. Oleh para ahli kimia
dan fisika kalor dianggap sejenis zat alir yang tidak terlihat oleh manusia, berdasarkan
itulah satuan kalor ditetapkan dengan nama kalori disingkat kal.
Kalori didefinisikan :
Satu kalori (kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gr
air sehingga suhunya naik 1ºC.
Sedang pengertian suhu adalah ukuran derajat panas dinginnya suatu benda. Suhu
umumnya diukur dengan alat ukur suhu berupa termometer.
Adapun syarat terjadinya perpindahan kalorik ini adalah adanya sentuhan kedua
benda yang berbeda suhu. Fluida kalorik ini akan berpindah dari zat yang bersuhu tinggi ke
zat yang bersuhu rendah, hingga tercapai suatu kesamaan suhu antara kedua benda yang
disebut dengan kesetimbangan termal.
Tujuan Pembelajaran Menerapkan kalor sebagai bentuk energi yang dapat diserap dan dilepas
Membedakan tiga cara perpindahan panas
Menerapkan persamaan asas Black untuk menyelesaikan persoalan
389
Hingga pertengahan abad ke 18 pengertian kalor sebagai suatu fluida masih
mengemuka dimasyarakat, bahkan pengertian kalor semakin rancu dengan pengertian suhu,
yang sesungguhnya memang berbeda. Kalor adalah fluida atau zat alir, dan suhu adalah
derajat panas atau dinginya suatu benda yang diukur dengan termometer.
Namun pendapat tersebut berubah, ketika seorang bernama Benjamin Thompson
menyatakan bahwa kalor bukanlah suatu fluida kalorik tetapi dihasilkan oleh usaha yang
dilakukan oleh kerja mekanis.
Percobaan Joule :
Pemikiran bahwa kalor bukanlah suatu fluida, namun dihasilkan dari suatu usaha
yang berarti berhubungan dengan energi, maka Prescot Joule melakukan percobaan untuk
menghitung besar energi mekanik yang ekuivalen dengan kalor sebanyak 1 kalori.
Percobaan joule adalah dengan menggantung beban pada suatu kontrol yang
dihubungkan dengan kincir yang dapat bergerak manakala beban bergerak. Kincir tersebut
dimasukkan kedalam air. Akibat gerakan kincir tersebut, maka suhu air akan berubah naik
Penurunan ketinggian beban dapat menunjukkan adannya perubahan energi
potensial gravitasi pada beban. Jika beban turun dengan kecepatan tetap, maka dapat
dikatakan tidak terdapat perubahan energi kinetic pada beban, sehingga seluruh perubahan
energi potensial dari beban akan berubah menjadi energi kalor pada air.
Berdasarkan teori bahwa terjadi perubahan energi potensial gravitasi menjadi energi
kalor, maka diperoleh suatu nilai tara mekanik kalor, yaitu ekuivalensi energi mekanik
menjadi energi kalor.
1 joule = 0,24 kalori
1 kalori = 4, 18 joule
390
2. Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Jenis (c)
Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan
suhu zat sebesar 1C. jika sejumlah kalor Q menghasilkan perubahan suhu sebesar ∆t, maka
kapasitas kalor dapat dirumuskan:
Δt
QC
Dengan keterangan,
C : kapasitas kalor (Joule / K atau kal / K)
Q : kalor pada perubahan suhu tersebut (J atau kal)
∆t : perubahan suhu (K atau C)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan zat sebesar 1 kg untuk
mengalami perubahan suhu sebesar 1 K atau 1C. Kalor jenis merupakan karakteristik
termal suatu benda, karena tergantung dari jenis benda yang dipanaskan atau didinginkan,
serta dapat dinyatakan dalam persamaan :
m
Cc atau
tm.
Qc
Gambar 1. Kalorimeter
391
Dengan keterangan,
c : kalor jenis (J/kg.K atau J/kg.C)
C : kapasitas kalor (Joule/K atau kal/K)
Q : kalor pada perubahan suhu tersebut (J atau kal)
∆t : perubahan suhu (K atau C)
m : massa benda (kg)
Tabel kalor jenis beberapa zat
Bahan C (J/kgK)
Tembaga 385
Besi/ Baja 450
Air 4200
Es 2100
Contoh:
1. Ubahlah satuan berikut ini :
a. 5 J = …….kal
b. 2 kal = …….J
Jawab :
a. 5 joule = 5 : 4,184 kal = 20,92 kal
b. 2 kal = 2 x 4,184 J = 8,368 J
2. Tentukan kapasitas kalor suatu zat, jika untuk menaikkan suhu 4 C dari zat
itu diperlukan kalor 10 joule !
Jawab :
392
Q = C.t
Δt
QC
CJ/5,24
10C 0 atau C = 2,5 J/K
3. Jika kalor sebanyak 12 joule digunakan untuk menaikkan suhu 10 C zat
sebanyak 0,5 kg , maka tentukan kalor jenis dari zat tersebut !
Jawab :
Q = m.c.t
tm.
Qc
CJ/kg4,210.5,0
12C 0
3. Pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud zat
Adanya pengertian, bahwa kalor bukanlah aliran fluida, melainkan merupakan suatu
bentuk energi, yang dapat diperoleh dari perubahan energi mekanik, maka akan kita
perhatikan apakah kalor tersebut akan mempengaruhi suatu benda atau temperatur dari
suatu benda atau zat.
Apabila suatu benda diberikan kalor, maka pada zat tersebut dapat terjadi perubahan
seperti :
a. terjadi pemuaian
b. terjadi perubahan wujud
c. terjadi kenaikan suhu
Kegiatan Percobaan Mandiri
Masukkan 1 kg es pada sebuah panci, kemudian letakkan panci diatas api.
393
Amatilah beberapa saat. Apa yang akan terjadi pada es pada beberapa waktu
kemudian?
Pindahkan isi panci ke dalam gelas. Buatlah kesimpulanmu.
Ternyata kalor dapat menyebabkan benda berubah wujud atau menyebabkan benda
mengalami perubahan suhu. Adanya pengaruh kalor terhadap perubahan wujud atau suhu,
diteliti lebih lanjut oleh Joseph Black.
Beberapa hal yang dikemukakan oleh Joseph Black berkaitan dengan perubahan
suhu benda, ternyata dapat digunakan untuk menentukan besar kalor yang diserap oleh
suatu zat.
a. Pemuaian
Pemberian kalor pada sustu zat selain dapat menaikkan atau
menurunkan suhu zat, dapat juga merubah wujud suatu zat, atau menyebabkan
benda mengalami pemuaian.
Umumnya semua zat akan memuai jika ia mengalami kenaikan suhu,
kecuali beberapa zat yang mengalami penyusutan saat terjadi kenaikan suhu, pada
suatu interval suhu tertentu. Kejadian penyusutan wujud zat saat benda mengalami
kenaikan suhu disebut anomali, seperti terjadi pada air. Air saat dipanaskan dari
suhu 0 C menjadi 4 C justru volumenya mengecil, dan baru setelah suhunya
lebih besar dari 4 C volumenya membesar.
Anomali Air
Hal tersebut diatas tidak berlaku sepenuhnya pada air, pada air
terjadi perkecualian. Misalnya volume air akan berkurang bila suhunya dinaikkan
dari 0 C, peristiwa ini disebut dengan anomali air.
Peristiwa anomali air dapat diterangkan dengan meninjau bangun kristal es.
394
Dari pengamatan kristal es disimpulkan bahwa kedudukan molekul-molekul H2O
teratur seperti bangun kristal es, yang penuh dengan rongga-rongga. Sedangkan
molekul H2O dalam bentuk cair (air) lebih rapat dibandingkan dalam bentuk es,
oleh karena itu es terapung dalam air. Bila air mulai 4 C didinginkan molekul air
mulai mengadakan persiapan untuk membentuk bangun berongga tersebut. C.
Volume (V)
0 4
Suhu (t)C
Gambar 2. Grafik anomali air
Volume air terkecil pada suhu 4 °C, dan pada 0 °C terjadi loncatan volume dari
air 0 °C sampai es 0 °C, dimana pada suhu 0 °C volume es > volume air
Pada umumnya zat akan memuai menurut aturan sebagai berikut.
1) Pemuaian Panjang (Linier)
Suatu batang panjang mula-mula lo dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila
perubahan suhunya Δt maka,
α = 1/lo . Δt/Δl
Δl = αlo . Δt
α = koefisien muai panjang suatu zat ( per °C )
395
Sehingga panjang batang suatu logam yang suhunya dinaikkan sebesar Δt
akan menjadi
lt = lo + Δl
lt = lo ( l + α . Δt )
Tabel Beberapa koefisien Muai Panjang Benda
Benda (K1
)
Besi 1,2x105
Tembaga 1,7x105
Kaca 8,5x106
Kuningan 1,8x105
Contoh Soal:
1. Suatu batang logam yang terbuat dari aluminium panjangnya 2 m pada
suhu 30 °C. Bila koefisien muai panjang aluminium 25 x 10–6
/°C.Berapakah pertambahan panjang batang aluminium tersebut bila
suhunya dinaikkan menjadi 50 °C.
Jawab :
Δl = lo . α . Δt
= 2 . ( 25 x 10 -6
) . (50 – 30 )
= 10 -3
m
Δl = 0,1 cm
2. Jika besi sepanjang 20 m dengan koefisien muai panjang 1,2. 10-5
/K
dipanaskan dari suhu 00C hingga 100
0C, maka tentukan pertambahan
panjangnya !
Jawab :
∆l = lo .. ∆t
396
∆l = 20 . 1,2.10-5
. (100– 0)
∆l =2,4.10-3
m
Catatan :
Perubahan suhu dalam satuan derajat Celcius senilai dengan perubahan suhu
pada Kelvin. Namun perlu diingat bahwa suhu derajat Celcius tidak senilai
dengan Kelvin.
2) Pemuaian Bidang ( Luas )
Suatu bidang luasnya mula-mula Ao , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt
sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :
β = 1/Ao. ΔA / Δt
ΔA = Ao β Δt
β = Koefisien muai luas suatu zat ( per °C ) dimana β = 2 α
Sehingga luas bidang yang suhunya dinaikkan sebesar t akan menjadi
At = Ao + ΔA
At = Ao ( 1 + β Δt )
Contoh Soal:
1. Plat besi luasnya 4 m2 pada 20 °C. Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 °C
maka berapa luasnya sekarang ?
Jawab: α = 11 x 10-6
/ °C
β = 22 x10-6
/ °C
At = Ao (1 + β . Δt )
= 4 .[1 + 22 . 10-6
. (100 - 20 ) ]
= 4 [ 1 + 1760 . 10-6
]
= 4 [ 1 + 0,00176 ]
= 4,00704 m2
397
2. Kaca seluas 2 m2 , dengan koefisien muai panjang 8,5.10
-6 K, mengalami
pemanasan dari suhu 20 C hingga 120 C. Tentukan luas akhir dari kaca !
Jawab :
At =Ao (1+ .∆t)
At =2 (1+ 2 x 8,5.10-6
.(120 – 20 )
At =2,66 m2
3) Pemuaian Ruang ( volume )
Volume mula-mula suatu benda Vo , kemudian dipanaskan sehingga
suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini dapat
ditunjukkan dalam rumus :
γ = 1/Vo. ΔV/Δt
ΔV = γ . Vo . Δt
γ = koefisien muai ruang suatu zat ( per °C )
γ = 3 α
sehingga persamaan volumenya menjadi
Vt = Vo + Δt
Vt = Vo ( 1 + γ . Δt )
Contoh:
1. Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m pada
suhu 20 C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10-5
/K, tentukan volume kuningan
pada suhu 120 C !
Jawab :
Vt =Vo (1+ .∆t)
Vt =(5 x 2 x 1) (1+3.x1,8.10-5
.(120 – 20 )
Vt =10,054 m3
398
a) Pemuaian Volume zat Cair
Zat cair yang hanya mempunyai koefisien muai volume ( γ ). Bila volume
mula-mula suatu zat cair V0 kemudian zat cair itu dipanaskan sehingga suhunya
naik sebesar Δt dan volumenya bertambah besar ΔV, maka dapat ditulis sebagai
berikut
Vt = γ . Vo . Δt
dan volumenya sekarang menjadi
Vt = Vo + ΔV
Vt = Vo ( 1 + γ Δt )
Hal ini tidak berlaku bagi air dibawah 4 °C, ingat anomali air.
b) Pemuaian Volume Gas
Khusus untuk gas, pemuaian volume dapat menggunakan persamaan
seperti pemuaian zat cair,
Vt = Vo ( 1 + γ Δt ) dengan nilai = 273
1
Perubahan volume gas tidak hanya menggunakan persamaan tersebut di atas,
namun ada besaran-besaran lain yang perlu diperhatikan seperti tekanan dan
temperatur. Persamaan yang berlaku dalam pemuaian gas dapat dinyatakan dalam
persamaan sebagai berikut.
Pada saat tekanan konstan, berlaku hukum Gay Lussac :
2
2
1
1
T
V
T
V
399
Pada saat temperatur konstan, berlaku hukum Boyle :
P1.V1 = P2.V2
Pada saat volume konstan, berlaku hukum Charles :
2
2
T
P
T
P
1
1
Pada saat kondisi ideal dengan mol konstan, berlaku hukum Boyle-Gay
Lussac :
2
22
1
11
T
VP
T
VP
dengan keterangan,
V = volume (liter atau m3)
T = temperature (K)
P = tekanan (N/m2 atau atm atau Pa)
Contoh:
1. Suatu gas mula-mula volumenya V, berapa besarkah suhu harus dinaikkan
supaya volumenya menjadi 2 kali volume mula-mula, dengan tekanan
tetap.
Penyelesaian:
Diketahui :
Vo = V dan Vt = 2V
Ditanya : t ....?
Jawab :
Vt = Vo ( 1 + 1/ 273 Δt )
2V = V ( 1+ 1/ 273 Δt )
2 = ( 1 + 1/ 273 Δt )
400
1 = 1/ 273 Δt
Δt= 273 °C
Jadi suhu gas tersebut harus dinaikkan sebesar 273 °C
b. Perubahan Wujud
Ketika sejumlah kalor diterima atau dilepas oleh suatu zat, maka ada dua
kemungkinan yang terjadi pada suatu benda, yaitu benda akan mengalami perubahan suhu,
atau mengalami perubahan wujud.
Kenaikan suhu suatu benda dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan yang
mengkaitkan dengan kalor jenis atau kapasitas kalor.
Sedangkan pada saat benda mengalami perubahan wujud, maka tidak terjadi
perubahan suhu, namun semua kalor saat itu digunakan untuk merubah wujud zat, yang
dapat ditentukan dengan persamaan yang mengandung unsur kalor laten.
Besar kalor laten yang digunakan untuk mengubah wujud suatu zat dirumuskan :
Q = m.L
Dengan keterangan,
Q : kalor yang diterima atau dilepas (Joule atau kal)
m : massa benda (kg atau gram)
L : kalor laten (J/kg atau kal/gr)
(kalor uap atau kalor lebur)
Tabel kalor lebur dan kalor didih beberapa zat
Nama Zat Titik lebur
(C)
Kalor lebur
(J/kg)
Titik didih Kalor didih
(J/kg)
401
Air (es) 0 3,34.105 100 2,26.10
5
Raksa -39 1,18.104 356,6 2,94.10
5
Alkohol -115 1,04.104 78,3 8,57.10
6
Hidrogen -2599 5,58.104 -252 3,8.10
5
Adanya kalor laten berupa kalor lebur dan kalor didih sangat sering dijumpai dalam
kehidupan, seperti meleburnya es cream pada suhu normal, atau mendidihnya air sebelum
dikonsumsi untuk kehidupan sehari-hari.
Perubahan wujud ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik, yang menyatakan bahwa
saat mencapai titik lebur atau titik didih, kecepatan getar zat akan bernilai maksimum,
sehingga kalor yang diterima tidak digunakan untuk menambah kecepatan, namun
digunakan untuk melawan gaya ikat antar molekul zat. Sehingga saat molekul-molekul itu
dapat melepaskan ikatannya, maka zat akan berubah wujud melebur atau mendidih.
Contoh:
1. Tentukan kalor yang diperlukan untuk meleburkan 10 kg es pada suhu 0 C.
jika kalor lebur es 3,35. 105 J/kg !
Jawab :
Q = m . L
Q = 10 kg . 3,35. 10 5 J/kg
Q = 3,35. 106 J
2. Berapakah banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 gram es
pada suhu 0 C menjadi uap air pada suhu 100 C ? (c air = 4.200 J/kg K, L
es = 336 J/ g, L uap = 2.260 J/g)
Penyelesaian :
Diketahui : m es = 0 C
t air = 0 C
402
tdidih = 100 C
c air = 4.200 J/kg K
L es = 336 J/ Gajahmungkur
L uap = 2.260 J/g
Ditanya : Q total……..?
Jawab :
Q1 = m es x L es
= (2) x (336)
= 672 Joule
Q2 = m es x c air x ∆t
= (2 x 10-3
)(4.200)(100)
= 840 Joule
Q3 = mes x L uap
= (2) (2.260)
= 4.520 Joule
Jadi Q total = Q1 + Q2 + Q3
= 672 + 840 + 4.520
= 6.032 Joule
Latihan
Kerjakan di buku latihanmu!
1. Sebatang besi massanya 50 gr bersuhu 20 C kemudian dipanaskan hingga mencapai
suhu 90 C, jika kalor jenis besi 0,7 kalori/gr°C, hitunglah jumlah kalor yang diserap
besi !
2. Sebatang besi massanya 50 gram bersuhu 30 C kemudian dipanaskan hingga
mencapai suhu 80 C.Jika kalor jenis besi 0,7 kalori/gram C.Hitunglah jumlah
kalor yang diserap!
403
3. Sebuah benda mempunyai masa 0,5 kg diberipanas jika suhu mula-mula benda 30°C
menjadi 80°C. hitung kalor jenis benda jika basarnya kalor yang diberikan 250 joule?
4. Sebatang besi massanya 50 gr bersuhu 20°C kemudian dipanaskan hingga mencapai
suhu 90°C, jika kalor jenis besi 0,7 kalori/gr°C, hitunglah jumlah kalor yang diserap
besi !
c. Perubahan Suhu
Suhu merupakan suatu istilah yang dipakai untuk membedakan panas dinginnya
suatu benda. Misalnya benda panas akan dikatakan mempunyai suhu tinggi dan benda
dingin mempunyai suhu yang rendah.
Zat cair yang biasanya dipakai untuk mengisi termometer adalah air raksa. Suhu
dapat diukur dengan termometer. Kebaikan air raksa dari zat cair lainnya yaitu :
a. Air raksa dapat cepat mengambil panas benda yang diukur sehingga suhunya sama
dengan suhu benda yang diukur tersebut.
b. Dapat dipakai untuk mengukur suhu benda dari yang rendah sampai yang tinggi,
karena air raksa punya titik beku –39 C dan titik didih 357 C.
c. Tidak dapat membasahi dinding tabung, sehingga pengukurannya dapat lebih teliti.
d. Pemuaian dari air raksa adalah teratur.
Gambar 3. Percobaan mengukur kalor jenis berbagai
logam menggunakan kalorimeter
404
e. Mudah dilihat, karena air raksa mengkilat.
Selain air raksa dapat juga digunakan alkohol untuk mengisi tabung termometer.
Alkohol mempunyai titik rendah / beku –114 C dengan titik didih 78 C. Termometer
ada berbagai macam menurut fungsinya, yaitu :
a. Termometer suhu badan
b. Termometer udara
c. Termometer logam
d. Termometer maximum dan minimum
e. Termograf untuk terminologi
f. Termometer digital
Skala Termometer
Macam – macam satuan skala termometer :
1. Termometer skala Celcius, titik didihnya 100 C dengan titik beku 0 C. Sehingga
dari 0 – 100 C, dibagi dalam 100 skala.
2. Termometer skala Reamur, titik didihnya 80 R dengan titik beku 0 R. Sehingga
dari 0 – 80 R, dibagi dalam 80 skala.
3. Termometer skala Kelvin, titik didihnya 373 K dengan titik beku 273 K. Sehingga
dari 273 K – 373 K, dibagi dalam 100 skala.
Gambar 5. Termometer digital Gambar 4.
Termometer
405
4. Termometer Fahrenheit, titik didihnya 212 F dengan titik beku 32 F. Sehingga
dari 32 F – 212 F, dibagi dalam 180 skala.
5. Termometer Rainkin, titik didihnya 672 Rn dengan titik beku 492 Rn. Sehingga
dari 492 Rn– 672 Rn, dibagi dalam 180 skala.
Jadi, pembagian skala – skala tersebut diatas satu skala dalam derajat Celcius sama
dengan satu skala dalam derajat Kelvin.
1 skala C = 1 skala K
1 skala C < 1 skala R
1 skala C > 1 skala F
1 skala C > 1 skala Rn
Perbandingan Pembagian Skala C, R, F, K, Rn
C : R : F : K : Rn = 100 : 80 : 180 : 100 : 180
= 5 : 4 : 9 : 5 : 9
C, R, F = 100 : 80 : 180
= 5 : 4 : 9
Dalam perhitungan menjadi :
a. C = R4
5
C = )32(F9
5 0
C = 0492(Rn9
5 )
Gambar 6. Es yang mencair menurut
Celcius dan Reamur bersuhu 0º, menurut
Fahrenheit bersuhu 32º, menurut Kelvin
bersuhu 273º, dan menurut Rainkin bersuhu
672º
406
C = K - 273
b. R = 5
4C
R = )32(F9
4 0
R = )492(Rn9
4 0
R = 5
4( K – 273 )
c. F = 0325
9C
F = 4
9 R + 32
0
F = Rn - 4600
F = 00 273)}32F5
9{(
d. K = C + 273
K = R4
5 + 273
K = { 00 32)}273(F9
5(
K = 00 273)}492(Rn9
5{
e. Rn = 5
9C + 492
Rn = F + 460
Rn = 0492R)4
9(
407
Rn = 0273(K5
9{ ) + 492
Dengan perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa :
Perubahan 2 termometer mengikuti aturan perbandingan sebagai berikut :
YY
Y
XX
X
TTBTTA
TTBY
TTBTTA
TTBX
Contoh:
1. Jawablah titik – titik di bawah ini dengan menggunakan rumus yang benar !
a. 16 R = ……….. Rn
b. 20 R = ……….. C
c. 123 K = ……….. Rn
d. 17 R = ……….. K
e. 69 F = ……….. R
f. 50 Rn = ……….. F
Jawab:
1. a. Rn = 492R4
9
= 528 Rn
b. C = 4
5R
= 4
5 . 20
= 25 C
c. Rn = {5
9 ( K – 273 ) + 492 }
= {5
9 ( 123 – 273 ) + 492 }
408
= {5
9 (150 ) + 492 }
= { 270 + 492 }
= 222 Rn
d. K = 4
5 16 + 273
= 293 K
e. R = 9
4( 69 – 32 )
= 9
4. 36
= 16 F
f. F = Rn – 460
= 50 – 460
= 410 F
2. Air mendidih bersuhu 30 C termometer X mempunyai TTA 150 X dan TTB 50 X
termometer Y mempunyai TTA 130 Y dan TTB 30 Y. Tentukan berapa suhu air
mendidih menurut termometer X dan Y.
Penyelesaian:
Diket : Air mendidih suhu = 30 C
TTAX = 130 X, TTBX = 50 X
TTAY = 130 Y, TTBY = 30 Y
Ditanya : Suhu termometer X dan Y …… ?
Jawab : C X Y
TTA 100C
150X
130Y
30C ? ?
TTB 0C 50X
30Y
409
Termometer x
XX
X
CC
C
TTBTTA
TTBX
TTBTTA
TTBC
00
0
0
0
50150
50X
100
030
0
0
0
0
200
50X
100
30
30 = 2
50X 0
X + 50 = 60
X = 10 X
Termometer Y
00
00
30130
30
0100
030
Y
100
30
100
30 00
Y
Y – 30 = 30
Y = 60 Y
Kegiatan Percobaan Mandiri
Tujuan
Untuk mengetahui bahwa aliran elektron menghasilkan panas.
Alat dan Bahan
410
Baterai ukuran AA (ukuran kecil)
lembaran aluminium
gunting
penggaris
Petunjuk Teknis
Potong suatu pita lembaran aluminium berukuran 15 cm x 2,5 cm.
Lipat pita tersebut pada pertengahan arah membujur sebanyak dua kali untuk
membentuk sebuah pita tipis 15 cm yang akan digunakan sebagai kawat.
Dengan satu tangan, pegang ujung-ujung kawat aluminium pada kutub-kutub
baterai.
Setelah 10 detik, sentuh kawat aluminium sambil tetap memegang kawat pada.
kedua kutub baterai.
Hati-hati: Jangan memegang kawat pada kutub-kutub baterai lebih dari 20 detik. Kawat
akan bertambah panas dan muatan baterai dengan cepat berkurang (kehilangan dayanya).
Hasil
Kawat aluminium menjadi panas.
411
Mengapa demikian? Memegang kawat pada kedua kutub baterai membuat lintasan-tempat
elektron bergerak (rangkaian listrik). Elektron bergerak keluar dari kutub negatif baterai.
Gerakan elektron menyebabkan kawat menjadi panas. Jika sebuah bola lampu dipasang
pada suatu rangkaian listrik, elektron bergerak melalui bola lampu tersebut. Gerakan
elektron memanaskan filamen kawat di dalam bola lampu. Filamen kawat yang panas
tersebut menjadi berpijar, demikian panas sehingga mengeluarkan cahaya.
Latihan
Kerjakan soal-soal berikut di buku latihanmu!
1. Termometer X pada es yang sedang melebur menunjukan -30X dan pada air yang
mendidih menunjukan 150X. Apabila sebuah benda suhunya 40C skala yang
menunjukan oleh thermometer X?
2. Pengukuran suhu ruangan 301K. Tentukan suhu ruangan tersebut jika diukur
menggunakan thermometer Celcius?
3. Pada thermometer skala Y titik bekunya 20Y dan titik didihnya 160Y, maka
benda suhu suatu benda bila diukur menggunakan thermometer skala Y apabila
suhu suatu benda 30C
4. Pada termometer skala Y titik bekunya 20Y dan titik didihnya 160Y, maka benda
suhu suatu benda bila diukur menggunakan thermometer skala Y apabila suhu suatu
benda 30C
5. Suhu suatu benda menunjukan angka112F. tentukan suhu benda tersebut bila
diukur dengan termometer Kelvin?
6. Menurut thermometer kelvin suhu udara di sekitar kompor 323 berapa suhu udara
di sekitar kompor yang menurut termometer D dan J. Apa bila TTAd =360, TTBd=
170 dan TTAj = 150 TTBj =20
7. Konversikan derajad suhu berikut:
412
a. 680R = C
b. 850C = Rn
c. 113F = C
d. 140R = K
e. 240C = F
f. 726K = C
g. 545Rn = K
h. 883Rn = R
i. 860C = R
j. 532R = F
8. Ruda & Rudi sedang mengukur suhu tubuh temannya yang kejang-kejang. Ruda
menggunakan termometer Celcius dan menunjukan 42º C, sedangkan Rudi
menggunakan termometer Reamur. Berapakah suhunya dengan menggunakan
termometer Reamur ?
9. Di sebuah gurun pasir yang panas banget termometer Celcius menunjukan 80º C.
menurut termometer Reamur - Fahrenheit - Kelvin ?
10. Termometer bernama Phe dan Whe. Air mendidih termometer Phe 102º P &
menurut Whe 130º W. Es yang melebur menurut Phe -40º P dan menurut Whe 10º
W. Secangkir teh panas diukur termometer Phe 50º P. Berapa menurut termometer
Whe ?
11. Menurut Reamur suhu Agnes Monica yang sedang demam 40º R. Berapa suhu
Agnes menurut termometer ABC bila diketahui TTAa 110º A & TTBa 10º A, TTAb
130º B & TTBb 0º B, TTAc 150º C & TTBc -10º C ?
12. Menurut Celcius suhu bayi 34º C. Berapa suhu bayi tersebut menurut termometer P
& D bila TTAp 110º P, TTBp -20º P, TTAd 150º D, TTBd 10º D ?
413
B. Perpindahan Kalor
Setelah sekilas memahami adanya sejumlah kalor dapat menyebabkan
perubahan wujud atau kenaikan suhu pada suatu benda, serta telah dipelajarinya
proses pemuaian sebagai dampak adanya penyerapan kalor pada benda, yang
tentunya menuntut pemahaman tentang adanya konsep konversi dari berbagai
satuan dari besaran perubahan suhu, maka yang tak kalah pentingnya dari semua
itu bahwa kalor sebagai suatu bentuk energi ternyata dapat mengalami perubahan
tempat, atau dikatakan bahwa kalor dapat berpindah tempat.
Tanpa usaha luar, maka kalor sebagai suatu bentuk energi dapat
berpindah tempat dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah
dengan berbagai cara, yaitu :
1. Konduksi
Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan
partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya,
tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang
Konduksi
Radiasi
Konveksi
Gambar 7. Tiga macam cara perpindahan energi kalor
414
dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujung
A, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan
energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkan
molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik A.
Energi kalor yang dipindahkan secara konduksi sebesar,
Q = k A t l
t
Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan,
l
tA. k.
t
QH
H = laju aliran kalor (J/s atau watt)
Q = kalor yang dipindahkan (joule)
t = waktu (s)
k = konduktivitas termal zat (W/mK)
A = luas penampang melintang (m2)
∆t = perubahan suhu (C atau K)
l = tebal penghantar (m)
Tabel konduktivitas termal zat
(W/mK)
Bahan k
Emas 300
Besi 80
Kaca 0.9
Kayu 0.1 – 0.2
Beton 0.9
415
Air 0.6
Udara 0.024
alumunium 240
Contoh soal:
1. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1
meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada
ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila
koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah
suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!
Jawab:
Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka
[k . A ∆T/L)] besi = [k . A ∆T/L)] kuningan
k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l
T= 2600/7= 371,4ºC
2. Konveksi
Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan
partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan
kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan
katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas
dan zat cair.
Energi kalor yang dipindahkan secara konveksi sebesar,
416
Q = k A t . t
Kecepatan perpindahan kalor di sekitar suatu benda dirumuskan :
th.A.t
QH
H = laju aliran kalor (J/s atau watt)
Q = kalor yang dipindahkan (joule)
t = waktu (s)
h = koefisien konveksi (W/m2K)
A = luas penampang melintang (m2)
∆t = perubahan suhu (C)
3. Radiasi
Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara,
seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai
pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi,
pembakaran dengan oven dan efek rumah kaca.
Energi kalor yang dipindahkan secara radiasi sebesar,
Q = e A T4 t
Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam radiasi dirumuskan :
T A..et
QH 4
Intensitas radiasi sebesar,
R = e T4
H = laju aliran kalor tiap satuan waktu (J/s atau watt)
417
R = intensitas radiasi ( W/m2)
Q = kalor yang dialirkan (J)
t = waktu (s)
A = luas (m2), luas permukaan lingkaran = 4..r
2
T = suhu (K)
e = emisivitas benda (tanpa satuan)
(e bernilai 1 untuk benda hitam sempurna, dan bernilai 0 untuk benda tidak
hitam sama sekali. Pengertian benda hitam sempurna disini adalah benda yang
memiliki kemampuan menyerap semua kalor yang tiba padanya, atau mampu
memancarkan seluruh energi yang dimilikinya).
Contoh:
1. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu
sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam.
Jawab:
Benda hitam, maka e = 1
T1 = 300 K
T2 = 350 K
= 5,672.10-8
watt/m2K
4
a. R = e ( T24 - T1
4)
= 1. 5,672.10-8
(3504 - 300
4)
= 391,72 watt/m2
418
b. R = Q/A.t
Q = R. A. t
Q = 391,72. 0,5. 3600 = 705060 Joule
C. Asas Black
Ilmuwan Inggris pada tahun 1761 Joseph Black menyatakan bahwa kalor yang
diberikan suatu benda sama dengan kalor yang diterima pada suatu benda dalam suatu
sistem tertutup. Sistem tertutup tersebut dapat dilakukan dalam suatu kalorimeter, misalkan
ada jumlah masa m1 zat, bersuhu t1, kemudian dicampuri dengan sejumlah masa m2 zat lain
bersuhu t2 dan keduanya dapat ditentukan dengan persamaan:
Qserap = Qlepas
Bunyi asas Black “ Kalor yang diserap/diterima sama dengan kalor yang dilepas.
Persamaan di atas dikenal dengan nama asas Black atau hukum kekekalan energi
kalor.
Contoh:
1. Jika 2 kg air bersuhu 5 0C dicampur dengan 5 kg air bersuhu 26
0C, maka
tentukan suhu akhir campuran kedua zat !
Jawab :
Karena kedua zat sejenis, maka kalor jenis dari kedua zat adalah sama, dan
dapat saling meniadakan.
Q serap = Q lepas
m1.c.∆t1 = m2.c. ∆t2
419
2.c.(t-5) = 5.c.(26-t)
2.t – 10 = 130-5.t
t = 140 : 7
t = 200C
2. Jika 0,5 kg es bersuhu 10 0C dicampur dengan sejumlah air bersuhu 40
0C,
sehingga suhu campurannya adalah 20 0C, maka tentukan massa dari air
yang dicampurkan !
(ces = 2100 J/kg.0C, c air = 4200 J/kg.K, Les = 3,35.105 J/kg)
Jawab :
Dalam proses ini es akan mengalami tiga tahap wujud , yaitu padat (es),
melebur dan wujud cair. Sedang air bersuhu 400C hanya mengalami satu