BAHAN AJAR SUHU DAN KALOR
SAMSINUR
SUHU DAN KALOR A. SUHU suhu adalah suatu besaran untuk menyatakan ukuran derajat panas atau dinginnya suatu bendA. Sedangkan kalor adalah satu bentuk energy (energy panas atau kalor). Sebagai gambaran tentang suhu adalah saat mandi menggunakan air hangat. Untuk mendapatkan air hangat tersebut kita mencampur air dingin dengan air panas. Ketika tangan kita menyentuh air yang dingin, maka kita mengatakan suhu air tersebut dingin. Ketika tangan kita menyentuh air yang panas maka kita katakan suhu air tersebut panas. 1. Pengukuran Suhu Dengan indra peraba, anda dapat merasakan bahwa es memiliki suhu yang renda dan kopi panas yang memiliki suhu yang tinggi. Namun indra peraba tidak dapat menyatakan secara tepat suhu yang dimilikisuatu benda. Dengan demikian, anda memerlukan alatyang dapat menyatakansuhu secara kualitatif yang di sebut thermometer.
Pada umummya cara kerja thermometer bergantung pada sifat
termometrik suatu zat. Jenis-jenis trmometer, antara lain thermometer cairan (kaca), termokopel, thermometer gas, thermometer hambatan listrik dan lain-lain. Thermometer yang biasa digunakan sehari-hari yaitu thermometer cairan (kaca) yang didalamnya berisi raksa dan alcohol. Kedua cairan tersebut memiliki yang sifat fisis zat yang sensitive terhadap perubahan, yaitu panjang, volume, hambatan listrik dan tekanannya. Raksa dapat menyerap kalor dengan cepat dari suatu benda sehingga suhunya sama dengan suhu benda yang akan diukur. Selain itu raksa tidak membasahi dinding tabung serta memiliki titik beku
-39°C dan titik didih 137°C. adapun alcohol
memebeku pada suhu -114°C dan mendidih pada suhu 78°C. Jadi termmometer raksa sangat baik untuk mengukur benda yang memiliki suhu rendah
2. Skala Termometer Untuk menentukan nilai suhu diperlukan suatu acuan atau patokan, yaitu pemilihan titik lebur es murni sebagai titik bawah dan titik didih air sebagai titik tetap atas. Kedua titik tetap ini menjadi beberapa bagian (skala) yang disebut derajat. Skala thermometer yang sering digunakan terdiri atas skala celcius, skala reamur, skala Fahrenheit, dan skala Kelvin. Perbandingan skala thermometer tersebut ditunjukkan sebagai berikut. Titik tetap bawah
: 0 °C = 0°R = 32°F = 273 K
Titik t etap atas
: 100°C = 80°R = 212°F = 373K dan 100 bagian K
Selisih titik tetap atas dan titik tetap bawah skala pada hubungantersebut adalah 100 bagian °C = 80 bagian °R = 180 bagian °F. Secara matematika dapat dinyatakan C : R : (F – 32) = 100:80: 180 C : R : (F – 32) = 5:4: 9 Dengan demikian, skala thermometer tertentu dapat diubah keskala thermometer yang lainnya. a. Hubungan antara celcius (C) dan Reamur (R) C : R = 5:4 C
5 4 R atau R C 4 5
b. Hubungan antara celcius (C) dan Fahrenheit(F) C : (F – 32) = 5:9 5 9 C ( F 32) atau F C 32° 9 5
c. Hubungan antara Reamur (R)dan Fahrenheit(F)
R : (F – 32) 4 9 R ( F 32) atau F R 32° 9 4
d. Hubungan antara celcius (C) dan Kelvin (K) C = (K – 273) atau
K = (C + 273)
Namun, kita dapat melakukan konversi skala dari satu thermometer ke thermometer lain dengan menggunakan satu tumes saja, kita hanya perlu mengetahui titik bawa dan titik atas thermometer tersebut. Untuk perumusannya adalah sebagai berikut X Xb Y Yb X a X b Ya Yb
Keterangan: X = suhu yang diketahui/dicari pada thermometer X Xa = titik tetap atas thermometer X Xb = titik tetap atas thermometer X Y = suhu yang diketahui/dicari pada thermometer Y Ya = titik tetap atas thermometer Y Yb = titik tetap atas thermometer Y Contoh soal Suatu shu ruangan adalah 25°C. tentuka suhu ruangan tersebut dalam skala serajat reamur, fakhrenheit, dan Kelvin.
4 °C 5 4 R 25° 20°R 5 9 b. F C 32 5 9 F 25 32 5 F 77°F
a. R
c. C C 273 C 25 273 298 K
3. Beberapa jenis thermometer
Beberapa jenis-jenis thermometer adalah: a. Thermometer cairan b. Termokopel c. Thermometer gas digunakan untuk mengukur suhu melalui erubahan tekanan d. Pirometer (thermometer hambatan listrik)
B. KALOR Air didalam panic akan menjadi panas dan suatu saat akan mendidih, jika diletakkan diatas kompor yang menyala. Jika dua benda dengan temperature yang berbeda bersentuhan terjadi perambatan kalor dari benda yang memiiki suhu tinggi kebenda yang bersuhu rendah. Pada suatu saat kedua benda tersebut memiliki suhu yang sama. Hal tersebut disebabkan tidak ada lagi perpindahan kalor dan adapat dikatakan kedua benda berada dalam kesetimbangan termal. 1. Pengertian Kalor Untuk memahami pengertian kalor, amatilah peristiwa berikut. Es yang disimpan pada air hangat akan melebur dan dalam suatu waktu akan mencapai
kesetombangan termal. Peleburan es akan terjadi karena adanya perpindahan kalor dari air panas ke es. Dengan demikian untuk memahami pengertian kalor diperlukan dua benda yang berbeda suhu sehingga benda yang satu dapat menerima kalor dan benda yang lain akan melepas kalor Dari peristiwa tersebut disimpulkan bahwa atau energy yang pindah dari suatu benda kebenda yang lainnnya terjadi karena adanya perbedaan suhu. Oleh karena itu kalor adalah salah satu bentuk energy.satuan kalor sama dengan energy yaitu joule (J), atau satuan kalor adalah kalori Satu kalori didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhhu satu gram. Sebesar 1°C 1 kalori = 4,18 joule = 4,2 joule 1 joule = 0,24 Jika suatu benda menerima kalor maka suhu benda akan naik. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa banyaknya kalor yang diterima oleh suatu benda berbanding lurus dengan besarnya kenaikan suhu, kalor jenis benda, dan bbanyaknya massa air pada kenaikan suhu yang sama. 2. Kalor jenis dan kapasitas kalor Jika kalor yang sama diberika pada dua benda yang berbeda, akan menghasilkan perubahan suhu yang berbeda. Kalor jenis suatu benda adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg benda itu sebesar1°C. berdasarkan defenisi kalor jenis tersebut, maka secara matematika kalor jenis dituliskan dalam bentuk persamaan sebagai berikut 𝑐=
𝑄 𝑚∆𝑇
Keterangan :
atau Q = m c ∆𝑇
Q = kalor (joule atau kalori) m = massa benda (kg) ∆𝑇 = perubahan suhu (°C) c = kalor jenis (J/kg °C) kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan suatu benda untuk menaikkan suhu 1°C dan ditulis dalam bentuk persamaan 𝐶=
𝑄 ∆𝑇
Dengan : C = kapasitas kalor (J/°C)S Contoh soal Tentukan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 30 gram air dari 20°C dari 35°C (cair = 1 kal/g°C) Penyelesaian Q = m c ∆𝑇 Q = 30 x 1 x (35-20) Q = 450 kal Q = 0,45 k kal
PEMUAIAN
DEFINISI PEMUAIAN Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda disebabkan karena adanya pemanasan sedangkan penyusutan adalah berkurangnya ukuran benda karena pendinginan. Pada umumnya, benda akan memuai ketika dipanaskan atau menyusut ketika didinginkan. Pemuaian atau penyusutan terjadi pada zat pada, zat cair, dan zat gas. Besarnya pemuaian suatu zat bergantung pada sifatnya. Jadi, misalnya besi dan kuningan dipanaskan dengan suhu yang sama, tetapi kedua logam tersebut akan mengalami perubahan panjang yang berbeda. PEMUAIAN ZAT PADAT 1. Alat Ukur Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat disebut muschen broek. 2. Pemuaian Zat Padat Pemuaian zat padat dapat terjadi pada panjang, luas, atau volumenya. a. Muai Panjang 1) Definisi Pada pemuaian panjang dianggap bahwa benda mempunyai luas penampang yang kecil, sehingga ketika dipanaskan hanya memuai pada arah panjangnya saja. Besarnya per
tambahan panjang sebuah benda
yang dipanaskan adalah berbanding lurus dengan : - panjang mula-mula benda - kenaikan suhu 2) Matematis
Secara matematis, pemuaian panjang pada zat padat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
L L 0 T ……..(1) Untuk menghitung panjang suatu benda setalah mengalami pemuaian, maka digunakan persamaan berikut.
L L 0 L ……..(2) 3) Jika persamaan (1) disubtitusi ke persamaan (2), maka akan diperoleh
L L 0 L 0 T atau juga dapat ditulis. L L 0 1 T ……..(3) 4) Jika T T2 T1 , maka persamaan (3) di atas dapat ditulis menjadi:
L L 0 1 T2 T1 ………(4) Keterangan:
L = panjang total benda setelah pemanasan atau pendinginan (m) L 0 = panjang mula-mula benda sebelum pemanasan atau pendinginan (m) L = perubahan panjang benda setelah pemanasan atau pendinginan (m)
= koefisien muai panjang benda (/0C) T = perubahan suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C)
T1 = suhu benda sebelum pemanasan atau pendinginan (0C) T1 = suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C)
5) Koefisien Muai Panjang Berikut ini adalah beberpa koefisen muai panjang zat padat.
JENIS BENDA
KOEFISIEN MUAI PANJANG (K-1) atau (0C-1)
Timah hitam
29 x 10-6
Aluminium
24 x 10-6
Kuningan
19 x 10-6
Tembaga
17 x 10-6
Besi atau Baja
12 x 10-6
Beton dan Bata
Mendekati 12 x 10-6 9 x 10-6
Kaca (Biasa)
7,9 x 10-6
Grafit
3 x 10-6
Kaca (Pyrex)
1,4 – 3,5 x 10-6
Marmer Intan
1,2 x 10-6
Invar (Paduan besi – nikel)
0,9 x 10-6
Kwarsa
0,4 x 10-6
b. Muai Luas 1) Definisi Pada pemuaian luas, pemuaian terjadi pada arah melebar pada sisi luas dan lebar benda. 2) Matematis Pemuaian luas pada zat padat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
A L 0T ……..(1) Untuk menghitung luas suatu benda setalah mengalami pemuaian, maka digunakan persamaan berikut.
A A 0 A ……..(2)
Jika persamaan (1) disubtitusi ke persamaan (2), maka akan diperoleh
L L 0 L 0 T atau juga dapat ditulis.
A A 0 1 T ……..(3) Jika T T2 T1 , maka persamaan (3) di atas dapat ditulis menjadi:
A A 0 1 T2 T1 ………(4) Keofisien muai luas suatu zat merupakan dua kali koefisien muai panjangnya.
2 Keterangan:
A = Luas total benda setelah pemanasan atau pendinginan (m2) A 0 = Luas mula-mula benda sebelum pemanasan atau pendinginan (m2) A = perubahan Luas benda setelah pemanasan atau pendinginan (m2)
= koefisien muai Luas benda (/0C) T = perubahan suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C)
T1 = suhu benda sebelum pemanasan atau pendinginan (0C) T1 = suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C)
c. Muai Volume 1) Definisi Muai volume zat padat terjadi pada arah memanjang, melebar dan meninggi. 2) Matematis Pemuaian volume pada zat padat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
V V0 T ……..(1)
Untuk menghitung volume suatu benda setelah dipanaskan atau didinginkan, maka digunakan persamaan berikut.
V V0 V ……..(2) Jika persamaan (1) disubtitusi ke persamaan (2), maka akan diperoleh
V V0 V0 T atau juga dapat ditulis.
V V0 1 T ……..(3) Jika T T2 T1 , maka persamaan (3) di atas dapat ditulis menjadi:
V V0 1 T2 T1 ………(4) Koefisien muai volume juga dapat dinyatakan dalam koefisien muai panjang atau koefisien muai luas.
3 3 2 …….(5) Keterangan:
V = volume total benda setelah pemanasan atau pendinginan (m3) V0 = volume mula-mula benda sebelum pemanasan atau pendinginan (m3) V = perubahan volume benda setelah pemanasan atau pendinginan (m3) = koefisien muai volume benda (/0C) T = perubahan suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C)
T1 = suhu benda sebelum pemanasan atau pendinginan (0C)
T1 = suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C)
3) Koefisien Muai Volume Berikut ini adalah koefisien muai volume berbagai jenis zat.
JENIS BENDA
KOEFISIEN MUAI PANJANG (K-1) atau (0C-1)
Timah hitam
87 x 10-6
Aluminium
75 x 10-6
Kuningan
56 x 10-6
Tembaga
51 x 10-6
Besi atau Baja
36 x 10-6
Beton dan Bata
Mendekati 36 x 10-6
ZAT
Kaca (Biasa)
PADAT
Grafit Kaca (Pyrex) Marmer Intan Invar (Paduan besi – nikel) Kwarsa
ZAT CAIR
ZAT GAS
23,7 x 10-6 9 x 10-6 4 – 10 x 10-6 3,6 x 10-6 2,7 x 10-6 1,6 x 10-6
Karbon disulfida
1150 x 10-6
Etil Alkohol
1100 x 10-6
Bensin
950 x 10-6
Etanol
750 x 10-6
Gliserin
500 x 10-6
Air
210 x 10-6
Air Raksa
180 x 10-6
Udara
3400 x 10-6
PEMUAIAN ZAT CAIR 1. Alat Ukur
27 x 10-6
Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut labu didih. 2. Pemuaian Zat Cair Salah satu sifat zat cair adalah memiliki bentuk yang sama seperti wadahnya. Oleh karena itu, zat cair hanya memiliki muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masingmasing jenis zat cair berbeda-beda sehingga walaupun mulamula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbedabeda.
3. Anomali Air Hampir semua benda yang dipanaskan akan mengalami pemuaian dan jika didinginkan akan mengalami penyusutan. Akan tetapi, pada air, pada suhu 00C sampai 40C, hukum ini tidak berlaku. Peristiwa ini disebut anomali air. Ketika air dipanaskan pada suhu 00C, maka air akan mengalami penyusutan (volume berkurang). Penyusutan ini akan terus berlangsung sampai mencapai suhu 40C. di atas suhu 40C, air akan kembali normal sebagaimana zat lain yang akan memuai ketika dipanaskan. Ketika air didinginkan pada suhu 40C, maka air akan mengalami pemuaian (volume bertambah). Pemuaian ini akan terus berlangsung sampai mencapai suhu 00C. Perlu diingat kembali bahwa massa jenis suatu zat tidak pernah berubah. Namun, pada air, massa jenisnya bisa saja berubah-ubah. Yang tetap adalah massanya. Jadi misalnya kita memasukkan air sebanyak 1 kg ke dalam kulkas. Air tersebut kemudian berubah menjadi es. Maka massa air maupun es akan tetap sama, yaitu 1 kg. Oleh karena itu, ketika air dipanaskan, maka akan mengalami pertambahan volume sehingga massa jenisnya akan semakin kecil. Sebaliknya, saat didinginkan, massa jenisnya akan bertambah. Ketika air didinginkan terus menerus hingga mecapai suhu di bawah 40C, maka volume air mulai meningkat, sehingga massa
jenisnya akan mengecil. Dengan demikian, massa jenis air terbesar ketika bersuhu 40C. Peristiwa anomali air ini sangat bermanfaat bagi hewan akuatik, terutama yang hidup di daerah dingin. Bisa kita bayangkan apa yang terjadi pada hewan-hewan akuatik ketika musim dingin tiba seandainya fenomena aneh air ini tidak ada. Sungai, danau, rawa dan daerah-daerah berair akan membeku dan tentunya seluruh makhluk yang ada di dalamnya akan ikut membeku dan mati. Pada musim dingin, permukaan air mengalami penyusutan volume sehingga massa jenisnya meningkat. Dengan demikian, air yang berada di permukaan akan bergerak ke dasar dan air yang ada di dasar akan bergerak ke atas karena memiliki massa jenis yang lebih kecil. Peritiwa ini akan terus berlangsung hingga mencapai suhu 40C. Saat mencapai suhu 40C, volume air mulai memuai sehingga massa jenisnya lebih kecil daripada massa jenis air yang ada di bawahnya. Dengan demikian, air yang ada di permukaan akan tetap berada di permukaan. Seiring dengan menurunnya suhu maka air di permukaan mulai membeku. Peristiwa ini akan terus berlangsung sampai ke bagian bawahnya. Akan tetapi, biasanya suhu di dasar air tidak terlalu dingin sehingga tidak mengalami pembekuan. Dengan demikian, makhlukmakhluk yang ada di dalamnya bisa selamat. Namun, perlu diingat bahwa beberapa titik di bumi ini mengalami pembekuan hingga ke dasarnya, misalnya pada daerah kutub. PEMUAIAN GAS 1. Alat Ukur Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut dilatometer. Salah satu perbedaan sifat zat cair dengan zat gas adalah volume zat gas yang lebih mudah diubah-ubah. Oleh karena itu, pada zat gas, perlu memperhatikan hal-hal yang terkait dengan pemuaiannya yaitu tekanan, volume, dan suhu.
2. Matematis a. Volume terhadap perubahan suhu pada tekanan tetap
V V0 1 P T2 T1 ……..(1) ∆𝑉 = 𝑉₀ 𝛾 ∆𝑇
b. Tekanan terhadap perubahan suhu pada volume tetap
P P0 1 V T2 T1 ………(2) 𝑉 = 𝑉₀ {1 + 𝛾 ∆𝑇)
c. Muai volume gas (suhu tetap)
V V0 1 T2 T1 ………(3)
d. Pemuaian gas dalam ruang tertutup dihitung dengan menggunakan hukum Boyle-Gay Lussac
P1V1 P2 V2 ……..(4) T1 T2
Keterangan:
V V2 = volume total benda setelah pemanasan atau pendinginan (m3) V0 V1 = volume mula-mula benda sebelum pemanasan atau pendinginan (m3) = koefisien muai volume zat cair (1/273 /0C)
T1 = suhu benda sebelum pemanasan atau pendinginan (0C)
T2 = suhu benda setelah pemanasan atau pendinginan (0C) Contoh pemuaian dalam kehidupan sehari-hari. 1. Sambungan pada rel kereta api
Sambungan pada rel kereta api diberi celah agar rel tidak bengkok pada saat memuai 2. Keca jendela rumah Keca jendela rumah dilonggarkan pada bingkainya agar tidak retak pada saat memuai 3. Sambungan pada jembatan besi Sambungan pada jembatan besi diberi celah agar jembatan tidak bengkok pada saat memuai 4. Kabel telepon atau listrik atau listrik pada tiang dikendorkan agar tidak putus pada saat terjadi penyusutan. 5. Seng atap rumah Seng pada siang hari biasanya berbunyi karena seng tersebut mengalami pemuaian 6. Bingkai besi pada roda pedati Pemasangan bingkai besi pada roda pedati harus dipanaskan terlebih dahulu agar bingkai tersebut terpasang kuat pada roda kayu ketika sudah dingin. 7. Keping bimetal Keping bimetal adalah dua buah keping logam yang memiliki koefisien muaipanjang berbeda yang dikeling menjadi satu. Keping bimetal sangat pekaterhadap perubahan suhu. Pada suhu normal panjang keping bimetal akan samadan kedua keping dam posisi lurus. Jika suhu naik kedia keping akan mengalamipemuaian dengan pertambahan panjang yang berbeda. Akibatnya keping bimetalakan membengkok ke arah logam yang mempunyai koefisien muai panjang yangkecil. Keping bimetal dapat dimanfaatkan dalam berbagai keperluan misalnya pada termometer bimetal, termostat bimetal pada setrika listrik, saklar alarm bimetal, sekring listrik bimetal.
PERUBAHAN WUJUD ZAT
Pengaruh kalor terhadap suatu benda selain dapat mengakibatkan perubahan suhu juga dapat mengakibatkan perubahan wujud benda, sebagai contoh, jika es diberi kalor atau dipanaskan maka es akan mencair dan selanjutnya akan menjadi uap. Peristiwa tersebut disebut sebagai perubahan wujud. Zat-zat akan mengalami perubahan fase ketika dipenagruhi oleeh kalor, tetapi tidak setiap saat zat akan mengalami perubahan fase sepetri yang dialami es. Contohnya kapur barus (kamper) langsung menguap sat suhunya berubah Perubahan wujud zat selalu diikuti oleh penyerapan kalor. Energy kalor yng diserap atau dilepaskan tidak digunakan untuk menaikkan suhu tetapi digunakan untuk mengubah fase. Jadi selama perubahan fase, suhu zat tidak berubah. Kalor ini seakan-akan tersembunyi. Oleh karena itu kalor teersebut dinamakan kalor laten Kalor laten adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari satu bentuk kebentuk yang lain. Secara matematika kalor laten dituliskan sebagai berikut
L
Q m
atau
Q m.L
dengan: Q = kalor (joule atau kalori) m
= massa zat (kg)
L = kalor laten (J/kg atau Kal/g)
Contoh Soal : Berapakah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan es sebanyak 500 gram pada temperatur 0oC menjadi cair seluruhnya yang memiliki temperatur 10oC ? Diketahui kalor laten peleburan es menjadi air sebesar 80 kal/g. Jawaban : Diketahui: L = 80 kal/g, dan
m = 500 gram. Ditanya : Q total = ...? Dijawab : Q=mL Q = 500 gram × 80 kal/g Q = 40.000 kal Q = 40 kkal Jadi, besarnya kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan es menjadi cair seluruhnya adalah sebesar 40 kkal.
Hubungan Kalor Laten dan Perubahan Wujud Apabila suatu zat padat, misalnya es dipanaskan, es tersebut akan menyerap kalor dan beberapa lama kemudian berubah wujud menjadi zat cair. Perubahan wujud zat dari padat menjadi cair ini disebut proses melebur. Temperatur pada saat zat mengalami peleburan disebut titik lebur zat. Adapun proses perubahan wujud zat dari cair menjadi padat disebut sebagai proses pembekuan dan temperatur ketika zat mengalami proses pembekuan disebut titik beku zat. Kalor laten pembekuan besarnya sama dengan kalor laten peleburan yang disebut sebagai kalor lebur. Kalor lebur es L pada temperatur dan tekanan normal adalah 334 kJ/kg. Kalor laten penguapan besarnya sama dengan kalor laten pengembunan, yang disebut sebagai kalor uap. Kalor uap air L pada temperatur dan tekanan normal adalah 2.256 kJ/kg.
Asas black Menurut pengamatan Black tentang perubahan kalor ini menyatakan Bila dua zat yang suhunya tidak sama dicampur maka zat yang bersuhu tinggi akan melepaskan kalor sehingga suhunya turun dan zat yang bersuhu rendah akan menyerap kalor sehingga suhunya naik sampai terjadi kesetim- bangan termal. Karena kalor merupakan suatu energi maka berdasar hukum kekekalan energi diperoleh kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap. Konsep tersebut sering disebut dengan azaz Black, yang secara matematis dapat dinyatakan: Qlepaskan = Qserap
Contoh soal Air yang sedang mendidih ( 100 oC ) dengan massa 1 kg dituangkan ke dalam bejana logam yang terbuat dari aluminium yang massanya 2 kg. Setelah tercapai keseimbangan temperatur akhir menjadi 75 oC. Berapakah temperatur mula – mula bejana tersebut? (c aluminium = 0,21 kal/gram oC). Penyelesaian Dik : m aluminium = 2 kg = 2000 gram m air
= 1 kg` = 1000 gram
Dit : Suhu awal aluminium (t) =..? Jawab : Q serap
= Q lepas
Q alm
= Q air
(m.c. Δt)alm
= (m.c. Δt)air
2000 . 0,21 . (75 – t) = 1000 . 1. (100 – 75)
420 ( 75 – t )
= 1000 . 25
31500 – 420t
= 25000 = 31500 – 25000
420t t
= 6500 / 420
t
= 15, 48 oC
PERPINDAHAN KALOR Kalor berpindah dari benda atau system bersuhu tinggi ke benda atau system bersuhu rendah. Ada tiga cara untuk kalor berpindah dari satu benda ke benda lain, yaitu konduksi, dan radiasi. 1. Konduksi Konduksi adalah perpindahan kalor yang tidak disertai perpindahan zat penghantar. Misalnya pada batang logam yang dipanaskan salah satu ujungnya, maka ujung batang yang
lain akan ikut panas. Laju perpindahan kalor secara konduksi
bergantung pada panjang L, luas penampang A, konduktivitas termal k atau jenis bahan, dan beda suhu ΔT. Oleh karena itu, banyak kalor Q yang dapat berpindah selama waktu t tertentu ditulis dengan persamaan berikut. 𝑄
𝐻 = 𝑇 = 𝑘𝐴
∆𝑇 𝐿
∆𝑇
atau Q kAti 𝐿
Makin besar nilai k suatu bahan, makin mudah zat itu menghantarkan kalor. Bahan koonduktor mempunyai nilai k besar, sedang bahan isolator mempunyai nilai k kecil. Bahan yang bersifat konduktor maupun isolator masing-masing mempunyai manfaat dalam kehidupan sehari-hari, tentu saja sesuai dengan penggunaannya. Sebagai contoh, untuk memanaskan makanan, kita tidak perlu menyentuhkan kalor dari api langsung ke makanan. Akan tetapi, dapat kita gunakan panic aluminium adalah konduktor yang baik sebagai media untuk memindahkan kalor dari api ke makanan,
sedangkan gagang plastic adalah isolator yang baik sehingga dapat menahan panas dari aluminium ke tangan. 2. Konveksi Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai perpindahan partikel-partikel zat. Terdapat dua jenis konveksi, yaitu konveksi alami dan konveksi paksa. Pada konveksi alami, pergerakan atau aliran energy kalor terjadi akibat perbedaan amssa jenis. Pada konveksi paksa, aliran panas dipaksa dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu, misalnya dengan kipas angin atau blower. Konveksi alami terjadi misalnya pada system ventilasi rumah, terjadinya angin darat dan angin laut, dan pada reactor pembangkit tenaga nuklir. Laju perpindahan kalor secara konveksibergantung pada luas permukaan benda A yang bersentuhan, koefisien konveksi h, waktu t, dan perbedaan suhu antara benda dan fluida. Banyaksya kalor yang dihantarkan secara konveksi dapat dihitung dengan persamaan
H
Q h A T atau Q h A t T t
3. Radiasi (Pancaran) Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalor tanpa memerlukan zat perantara ( medium) . sebagai contoh perpindahan kalor dari matahari kebumi. Kalor dari matahari tidak dapat mengalir melalui atmosfer bumi secara konduksi
karena udara diatmosfer adalah konduktor yang buruk. Panas matahari tidak sampai kebumi melalui proses konveksi karena konveksi juga harus melalui pemanasan bumi terlebih dahulu. Selain itu konduksi dan konveksi memerlukan medium sebagai perantara untuk membawa kalor. Jadi, Energi matahari yang sampai ke bumi terjadi secara radiasi atau pancaran tanpa melalui zat perantara. Pada umumnya benda yang berpijar memancarkan panas. Pancaran panas itu sebagian diserap oleh benda dan sebagian dipantulkan. Permukaan hitam dan kusam adalah penyerap dan pemancar radiasi yang baik, sedang permukaan putih dan mengkilap adalah penyerap dan pemancar radiasi yang buruk. Laju pemancaran kalor oleh permukaan hitam, menurut Stefan dinyatakan sebagai berikut. Energi total yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam sempurna dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu, tiap satuan luas permukaan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu. Secara matematis, laju kalor radiasi ditulis dengan persamaan: 𝐻=
𝑄 𝑇
= 𝜎𝐴𝑇
Dengan 𝜎 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dengan nilai 5,67 X 10 . Persamaan tersebut berlaku untuk benda dengan permukaan hitam sempurna. Untuk setiap permukaan dengan emisivitas e(0≤ e≤ 1), persamaan (6-23) harus ditulis menjadi:
Emisivitas benda (e) menyatakan suatu ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna dan besarnya bergantung pada sifat permukaan benda. Untuk benda pemantul sempurna (penyerap paling jelek) nilai e = 0, sedang penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna, yaitu benda hitam sempurna nilai e=1. Emisivitas tubuh manusia ± 0,98. Radiasi banyak dimanfaatkan orang, dari yang sederhana seperti api unggun dan pendiangan rumah (khususnya di Negara-negara yang memiliki musim dingin), sampai pada yang agak kompleks seperti termos dan rumah kaca. Prinsip utama termos adalah mencega terjadinya perpindahan kalor, khususnya yang melalui radiasi. Termos terdiri dari sebuah tabung kaca ganda, di mana ruang vakum di antara kedua dinding tabung mengurangi kehilangan atau mencegah masuknya kalor.
