BAB VI SUHU DAN KALOR
STANDAR KOMPETENSI : 5. Menetapkan konsep dan prinsip kalor, konservasi energi dan sumber energi dengan berbagai perubahannya dalam mesin kalor. Kompetensi Dasar : 5.1 Melakukan percobaan yang berkaitan dengan kalor. Indikator : − Menganalisis pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud benda − Menerapkan asas Black secara kuantitatif − Menjelaskan peristiwa berubahnya wujud dan karakteristiknya serta memberikan contohnya dalam kehidupan sehari-hari − Memberikan gambaran tentang faktor yang mempengaruhi peristiwa perubahan wujud − Memaparkan faktor-faktor yang mempengaruhi besar pemuaian zat padat, zat cair dan gas − Membedakan besar pemuaian (panjang, luas, dan volume) pada berbagai zat secara kuantitatif. MATERI : SUHU Suhu atau temperatur didefinisikan sebagai derajat panasdinginnya suatu benda. Suhu secara fisis sesungguhnya adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel dalam suatu benda. Alat untuk mengukur suhu adalah termometer, terbuat dari bahan yang memiliki sifat termometrik (terjadi perubahan (mungkin volumenya, resistansinya, dsb) jika suhu berubah). Jenis dan paparan skala pada termometer ada beberapa macam, coba sebutkan?. Pada prinsipnya semua termometer mempunyai acuan yang sama dalam menetapkan skala. Yaitu titik lebur es murni dipakai sebagai titik tetap bawah, sedangkan suhu uap di atas permukaan air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm sebagai titik tetap atas.
59
Termometer Celcius menandai titik tetap bawah dengan angka 00C dan titik tetap atas dengan 1000C , jarak antara kedua titik tetap dibagi atas 100 skala dan tiap bagian adalah 10C. Termometer Reamur menggunakan skala dari 00R sampai dengan 800R. Pada Termometer Fahrenheit titik lebur es diberi angka 320F dan titik didih air diberi angka 2120R sehingga memiliki range 180 skala. Sedangkan
skala
Kelvin
yang
disepakati
sebagai
satuan
Internasional memiliki skala dari 273 K sampai dengan 373 K. Karena
acuannya
sama,
maka
tiap-tiap
termometer
dapat
dikalibrasi skalanya dengan termometer lainnya. 0
C
0
100
100 skala
0
R 80
80 skala
0
0
K
F 212
80 skala
32
373
100 skala
273
Gambar 1. Perbandingan beberapa skala termometer Misalkan, hubungan antara : skala Fahrenheit dan skala Celcius dapat dinyatakan dengan persamaan : ∆F : ∆C = 180 : 100 = 9 : 5 (T 0 F – 32) : T 0 C = 9 : 5
60
skala Kelvin dan skala Celcius memenuhi persamaan T K = 273 + T 0 C skala Reamur dan skala Celcius memenuhi persamaan T 0 R = 4/5. T 0 C Dimana : T
= suhu yang dikalibrasi
Soal : 1. Definisikan pengertian suhu nol mutlak ? 2. Suhu
suatu
zat
diukur
menggunakan
termometer
Reamur
menunjukkan skala 60, maka bila dikalibrasikan pada termometer Celcius, Fahrenheit, dan Kelvin masing-masing menunjuk skala…. 3. Termometer Celcius dan Fahrenheit menunjuk skala yang sama pada suhu .… 4. Termometer A yang telah ditera menunjuk angka –30 pada titik beku air dan 80 pada titik didih air. Suhu 50 0 A sama dengan …. 0 C 5. Suatu zat diukur suhunya dengan termometer Reamur menunjuk angka 60 0 R , apabila zat itu diukur suhunya dengan termometer yang mempunyai titik tetap bawah -10 0 X dan titik tetap atas 110 0 X akan menunjuk skala…. 0 X
61
KALOR Kalor adalah salah satu bentuk energi yang mengalir karena adanya perbedaan suhu dan atau karena adanya suatu usaha
pada
sistem. Kalor mempunyai satuan kalori, satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan oleh 1 gram air untuk menaikkan suhunya 1 0 C . Dalam sistem SI satuan kalor adalah joule. Satu kalori setara dengan 4,18 joule. Besaran kalor (Q) secara matematis : Q = C. ∆ T = m.c. ∆ T
Q
= jumlah kalor, satuannya kalori atau joule (J)
C
= kapasitas kalor, satuannya kalori/ 0 C
m
= massa benda, satuannya gram atau kilogram
c
= kalor jenis, satuannya kalori/gr. 0 C
∆T
= perubahan suhu, satuannya 0 C
PERUBAHAN WUJUD ZAT Kita kenal ada tiga wujud zat, yaitu : padat, cair, dan gas. Pada umumnya semua zat pada suhu dan tekanan tertentu dapat berubah dari satu wujud ke wujud yang lain. Misalkan air ( H 2 O ) pada wujud padat berupa es, dalam wujud cair berupa air, dan dalam wujud gas berupa uap.
62
Padat menyublim mencair mengkristal membeku menguap
Gas
Cair mengembun
Gambar 2. Skema perubahan wujud zat. Jumlah kalor yang diperlukan untuk berubah wujud disebut kalor peleburan, besar kalor peleburan : Q = m.L Q
= kalor lebur = kalor beku, satuannya joule.
m
= massa zat, satuannya kg.
L
= kalor lebur, satuannya joule/kg.
Apabila dibuat grafik untuk perubahan wujud es (padat) menjadi air (cair) dan kemudian menjadi uap (gas) dapat digambarkan sebagai berikut : suhu (T 0 C ) UAP 100
mendidih AIR
0
melebur ES
Gambar 3. Perubahan wujud es-air-uap
63
ASAS BLACK Jika ada dua macam zat yang berbeda suhunya dicampurkan atau disentuhkan, maka zat yang suhunya lebih tinggi akan melepas kalor yang sama banyaknya dengan kalor yang diserap oleh zat yang suhunya lebih rendah. Q lepas = Q serap Kekekalan energi pada pertukaran kalor seperti persamaan di atas pertama kali dikemukakan oleh Black seorang ilmuwan Inggris.
Soal : Untuk mengerjakan soal berikut gunakan konstanta berikut : Kalor lebur es 80 kal/gr; panas jenis es 0,5 kal/gr .0C; kalor jenis air 1 kal/gr .0C; kalor uap air 540 kal/gr. 1. Untuk menaikkan suhu aluminium yang mempunyai massa 200 gram dari 298 K menjadi 348 K diperlukan kalor 8400 joule. Tentukan kalor jenis aluminium ….J.kg −1 K −1 . 2. Kalor lebur suatu zat 80 kal/gr, maka kalor yang diperlukan untuk melebur 2 kg zat tersebut adalah … kalori. 3. Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 10 gram es pada 0 0 C menjadi air yang suhunya 20 0 C . 4. Berapa kalori yang dibutuhkan untuk menaikkan 10 gram es yang suhunya –5 0 C menjadi uap yang suhunya 100 0 C . 5. 10 kg air yang suhunya 80 0 C dicampur dengan 5 kg air yang suhunya 20 0 C . Suhu akhir campuran adalah….
64
6. 100 gr es pada suhu 0 0 C dicampur dengan 200 gram air pada suhu 50 0 C . Jika suhu akhir campuran 10 0 C , tentukan kalor lebur es ?
PENGARUH KALOR DAN PERUBAHAN SUHU PADA SIFAT ZAT 1. Pemuaian Zat Umumnya setiap bahan memuai bila mengalami kenaikan suhu, pemuaian itu dialami oleh semua bagian bahan tersebut, namun arah pemuaian sangat tergantung pada bentuk dan ukuran bagian-bagian tersebut. Sebagai contoh rel kereta api akan cenderung bertambah panjang bila memuai, sehingga dalam pemasangannya sambungan rel dibuat agak renggang. a. Pemuaian Panjang. Menurut
hasil
percobaan,
perubahan
panjang
( ∆l )
bahan
dipengaruhi oleh panjang awal bahan ( L0 ) bahan dan perubahan suhu ( ∆ t). Sehingga disimpulkan
∆L ≈ L0 .∆t
:
maka
∆L = α . L0 .∆t
atau
Lt = L0 (1+ α . ∆t )
b. Pemuaian Luas. Pertambahan luas yang dialami suatu benda luasan (keping tipis) karena perubahan suhu disebut pemuaian luas, dirumuskan : ∆A = β . A0 .∆t At − A0 = β . A0 .∆t At = A0 (1 + β .∆t ) At = luas setelah mengalami pemanasan, satuannya m 2 A0 = luas benda sebelum pemanasan, satuannya m 2
65
β = koefisien muai luas satuannya K −1 dan β = 2α ∆t = perubahan suhu, satuannya K c. Pemuaian Ruang Zat yang berbentuk ruang tertentu, misalnya : kubus, balok, atau bola bila dinaikkan suhunya, ukuran ruang (volume) akan bertambah. Besar perubahan volume benda : ∆V = γ .V0 .∆t Vt − V0 = γ .V0 .∆t Vt = V0 (1 + γ .∆t ) Vt
= volume benda setelah mengalami pemanasan, satuannya m3
V0
= volume benda sebelum pemanasan, satuannya m 3
γ
= koefisien muai volume satuannya K −1 dan γ = 3α atau
γ = 3 / 2 .β ∆t
= perubahan suhu, satuannya K
d. Pemuaian Gas Seperti halnya pemuaian pada zat cair, pada gas juga hanya dikenal pemuaian volume. Besar perubahan volume gas memenuhi persamaan : ∆V = γ .V0 .∆t Nilai koefisien muai volum untuk semua gas, yaitu γ = Sehingga : ∆V =
V0 ∆T 273 K
66
1 273 K
Eksperimen : MUAI PANJANG A. Tujuan Percobaan : 1. Menentukan pertambahan panjang batang. 2. Menentukan harga koefisien muai panjang logam. B. Alat yang Digunakan : 1. Batang logam dengan penunjuk (alat muai panjang) 2. Pembakar Bunsen menggunakan spiritus 3. Mistar 4. Busur derajat C. Susunan alat :
D. Jalannya Percobaan : 1. Siapkan alat muai panjang (jika mungkin tiga jenis batang logam). 2. Ukurlah panjang mula-mula dan suhu awal batang. 3. Bakarlah ketiga batang dengan pembakar bunsen. 4. Ukurlah sudut yang dibentuk jarum penunjuk dan suhu akhir batang. 5. Lihat tabel/tanyakan pada pembimbing harga koefisien muai panjang batang logam yang digunakan. 6. Bandingkan harga koefisien muai panjang hasil eksperimen dengan harga yang tertera pada tabel.
67
Soal : 1. Sebatang rel kereta api panjangnya 10 m dan suhu awalnya 30 0 C . Karena gesekan dengan roda kereta api suhu rel menjadi 60 0 C . Jika koefisien muai panjang rel 1,1.10 −5 K −1 , tentukan jarak renggang minimal yang aman pada tiap sambungan rel agar tidak mengalami pembengkokan pada suhu 60 0 C ? 2. Sebuah batang logam mula-mula mempunyai panjang 1 m, setelah dipanaskan hingga perubahan suhunya 100 K batang bertambah panjang 1/5000. m . Koefisien muai panjang batang logam tersebut adalah …. 3. Sebatang perak suhu awalnya 40 0 C dipanaskan sehingga suhunya naik menjadi 90
0
C . Setelah diteliti ternyata batang perak tersebut
bertambah panjang 0,19 mm. Jika koefisien muai panjang perak 19.10 −6 0 C −1 . Berapakah panjang mula-mula batang perak ? 4. Keping tembaga panjang 10 cm, lebar 10 cm, dan suhunya 20 0 C . Bila koefisien muai panjang tembaga 1,8.10 −5 K −1 . Berapakah luas keping tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 80 0 C ? 5. Suatu balok besi berukuran 4 cm x 10 cm x 5 cm. Hitunglah perubahan volume ketika temperaturnya dinaikkan dari 15
0
C
ke 65
0
C
!
(diketahui koefisien muai panjang besi 10 −5 / 0 C ) 6. Suatu gas volumenya 27,3 liter, kemudian suhunya dinaikkan sebesar 20 K. Berapakah pertambahan volum gas tersebut ?
68
