SUHU DAN KALOR

Suhu

Adalah: suatu besaran untuk menyatakan ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda. Perubahan suhu mengakibatkan perubahan: 1. Panjang, luas dan volumenya. 2. Warnanya (zat padat). 3. Tekanannya (gas). 4. Hambatan listriknya. 5. Terjadi perbedaan potensial listrik antara 2 jenis benda. Alat untuk mengukur suhu adalah termometer.

Jenis Termometer	Perubahan yang di ukur
Termometer zat cair	Mengukur perubahan volume zat cair
Termometer bimetal	Mengukur perubahan panjang 2 logam yang berbeda
Termometer hambatan listrik	Mengukur perubahan nilai resitansi resistor
Termokopel	Mengukur pemuaian 2 logam yang ujungnya disentuhkan akan menghasilkan GGL. Besar GGL inilah yang dimanfaatkan untuk menunjukkan suhu
Termometer gas	Mengukur perubahan tekanan gas

Kalibrasi termometer:

termometer                   suhu terendah             suhu tertinggi

celcius                                   0⁰                              100⁰

reamur                                   0⁰                               80

fahrenheit                             32                             212

Perbandingan R : C : (F – 32) = 4 : 5 : 9 à hubungan skala dari termometer disamping adalah: t⁰C = 5/4 t⁰R = 9/5 (t⁰ + 32)⁰F atau    t⁰F = 9/5 (t⁰ - 32)⁰C = 4/9 (t⁰ – 32)⁰R

Selain termometer tersebut diatas untuk menentukan skala suatu termometer yang belum ditentukan dapat dicari dengan: X – Xb/Xa – Xb = Y – Yb/Ya – Yb; dengan X_a = titik tetap atas termometer X; X_b = titik tetap bawah termometer Y; X = suhu pada termometer X; Y_a = titik tetap atas termometer Y; Y_b = titik tetap bawah termometer Y; Y = suhu pada termometer Y

Soal: 1). Suhu permukaan 2 dinding 100 ⁰F dan 35 ⁰F. Ubahlah suhu-suhu tersebut dalam derajat Celcius!

2). Sebuah termometer A pada es yang sedang melebur menunjukkan – 30 ⁰C  dan pada air yang mendidih 150 ⁰C. Apabila sebuah benda suhunya 50 ⁰C, berapa skala yang ditunjukkan oleh termometer A

Pemuaian

Muai Panjang

Merupakan perubahan ukuran panjang suatu benda biasanya (logam). Perubahan muai panjang secara matematis dapat ditulis:

L_t = L_o + ∆L  
karena ∆L = L₀.α.∆t, maka L_t = L₀ + L₀.α.∆t atau L_t = L₀(1+ α.∆t)

Dengan: L_t = panjang pada suhu t ⁰C (satuannya m atau cm); L­₀ = panjang pada suhu awal (m atau cm); α = koefisien muai panjang;   ∆L = pertambahan panjang (m); ∆t = perubahan suhu (⁰C atau ⁰K).

 Contoh soal: Sepotong logam dengan panjang 100 cm pada suhu 30 ⁰C dipanaskan hingga 130 ⁰C. Hitunglah perubahan panjang logam tersebut jika koefisien muai panjang logam = 1,2.10^{-5 0}C^-1!

Penyelesaian:

Muai Luas

Merupakan perubahan ukuran luas suatu benda, dapat dihitung dengan:

A_t = A₀(1 + 2α.∆t) à 2α = β, maka A_t = A₀ (1 + β.∆t), sehingga ∆A = A₀.β.∆t

Nb. Untuk luas satuannya m² atau cm²

 Contoh soal:

Sebuah bola berongga terbuat dari perunggu (α = 18.10^{-6 0}C^-1), mempunyai jari-jari 1 m. jika bola tersebut dipanaskan sampai 80⁰C, hitunglah pertambahan luas bola tersebut!

Penyelesaian :

∆A = A₀.β.∆t = (4Пr²).2α.∆t = (4.3,14.1²)m² . (2. 18.10^{-6 0}C^-1) . 80 ⁰C = 12,56 m² . 36.10^{-6 0}C^-1 . 80 ⁰C = 36172,8 m²

Muai Volume

a).  Muai volume zat cair

Dapat dihitung dengan: V_t = V₀ + ∆V, karena ∆V = V₀.g.∆t, maka V_t = V₀ + V₀.g.∆t = V₀ + (1 + g.∆t)

Koefisien muai volume (g) = ∆V/V_0. ∆t

Hubungan antara α, β, dan g adalah : g = 3α dan g = 3/2 b

NB. Koefisien muai panjang (α): bilangan yang menyatakan pertambahan panjang dari 1 m suatu benda pada kenaikan suhu 1 ⁰C atau 1 ⁰K. Koefisien muai luas(β): bilangan yang menyatakan pertambahan luas dari 1 m² suatu benda pada kenaikan suhu 1 ⁰C atau 1 ⁰K. Koefisien muai volume(g): bilangan yang menyatakan pertambahan volume dari 1 m³ suatu benda pada kenaikan suhu 1 ⁰C atau 1 ⁰K

Soal: sebuah gelas pyrex yang mempunyai volume 300 cm³ pada suhu 20 ⁰C, diisi air sampai penuh. Berapa cm³ air yang akan tumpah jika air dipanaskan sampai 70 ⁰C? (α pyrex = 0,000003 ⁰C^-1 dan g = 0,00021 ⁰C^-1)

Jawab:

V_{air yang tumpah} = v_{t air} – v_{t gelas} = [v₀(1+g.∆t)] – [v₀(1 + 3.α.∆t ] = [300(1 + 0,00021.(70 – 20)⁰C)] – [300(1 + 3.0,000003 . (70 – 20)⁰C)] = [300.1,0105] – [300.1,00045] = 303,15 cm³ – 300,135 cm³ = 3, 015 cm³

Anomali air: sifat khusus air, dimana pada suhu 4 ⁰C volume air akan lebih kecil daripada volume air pada suhu 0 ⁰C.

Merupakan salah satu contoh muai volume dalam kehidupan sehari-hari          

b). Muai volume gas

Gas mempunyai 3 variabel : P (tekanan), V (volume), T (suhu). Bila gas dipanaskan berarti T diubah, maka P & V juga berubah. Hukum-hukum yang membahas ke 3 variabel tersebut adalah:

a). Hukum Guy-Lussac pada P tetap

Pada tekana tetap, volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya, atau V/T = konstan, atau V₁/T₁ =V₂/T₂

b). Hukum Guy-Lussac pada V tetap

Pada V tetap (isokhorik), takanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Secara matematis: P~T, atau P/T = konstan, atau P₁/T₁ = P₂/T₂

Kalor (panas)

Pengertian :

Merupakan bentuk energi yang dipindahkan melalui perbedaan temperatur

Kalor berpindah dari benda yang bertemperatur tinggi ke rendah

Benda yang menerima kalor, maka suhu benda akan naik atau bahkan berubah wujud

Benda yang melepas kalor, maka suhu benda akan naik atau bahkan berubah wujud

Satu kalori = kalor yang dibutuhkan 1 g air murni untuk menaikkan suhunya 
1 ⁰C.

Kesetaraan enrgi mekanik terhadap kalor diselidiki oleh James Prescott Joule menggunakan kalorimeter yang dibuat adiabatik (energi panas tidak mudah keluar masuk alat tersebut).

1 kal = 4,18 Joule = 4,2 J

1 kkal = 4.180 J

Cttn: 1 joule = 1/4,18 = 0,24 kal

Hubungan antara kalor dengan suhu

Jumlah kalor yang diserap/dilepas suatu benda sebanding dengan massa benda pada perubahan suhunya. Secara matematis :            Q = m.c.∆t dengan Q = jumlah kalor/jumlah panas (kalori=kal); m = massa benda (kg); c = kalor jenis (kal/g⁰C); ∆t = perubahan       suhu (⁰C)

Kalor jenis: bilangan yang menunjukkan berapa kalori/panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu tiap satuan masa zat dalam 1⁰.

C = m.c sehingga Q = m.c.∆t = C.∆t, dengan C = kapasitas kalor

Contoh soal: berapa panas yang diperlukan (nyatakan dalam kkal dan joule) untuk memanaskan 500 g tembaga (c = 0,09 kal/g⁰C) dari suhu 25 ⁰C sampai 75 ⁰C.

Jawab: Q = m.c.∆t = 500 g . 0,09 kal/g⁰C . (75 – 25)⁰C = 2250 kal = 2,25 kkal

Kal à joule = 2250.4,18 = 9405 joule

Perubahan Wujud Zat Dan Penerapannya Dalam Kehidupan Sehari-Hari

Ada 3 wujud/fase zat: 1. Padat; 2. Cair; 3. Gas

Perubahan fase zat: Pada saat perubahan wujud, kalor yang diserap/dilepaskan tidak selalu digunakan untu melakukan perubahan temperatur.

Selama proses prubahan wujud suhu benda mengalami perubahan disebut suhu transisi. Kalor yang dimiliki selama mengalami perubahan wujud disebut kalor laten. Secara matematis :  Q = m . L; dengan Q = kalor yang dilepas/diterima; m = massa zat; L = kalor laten (kal/g)

Jenis-jenis kalor:

~ Kalor lebur : banyaknya kalor yang diserap untuk mengubah 1 g zat dari wujud padat menjadi cair pada titik leburnya.

~ Kalor beku : banyaknya kalor yang diserap untuk mengubah 1 g zat dari wujud cair menjadi padat pada titik bekunya.

Titik lebur = titik beku

Kalor lebur = kalor beku

~ Kalor didih : banyaknya kalor yang diserap untuk mengubah 1 g zat dari wujud cair menjadi uap pada titik didihnya.

~ Kalor embun : banyaknya kalor yang diserap untuk mengubah 1 g zat dari wujud uap menjadi cair pada titik embunnya.

Titik didih = titik embun

Kalor didih = kalor embun

Pada grafik perubahan bentuk zat saat dipanaskan ada 5 fase:

Fase I: zat dalam bentuk padat, mengalami perubahan suhu Q_AB = m.c.∆t

Fase II : zat dalam bentuk padat, mengalami perubahan wujud (melebur), tapi tidak mengalami perubahan suhu Q_BC = m.L

Fase III: zat dalam bentuk cair, mengalami perubahan suhu Q_CD = m.c.∆t

Fase IV : zat dalam bentuk cair, mengalami perubahan wujud (menguap), tapi tidak mengalami perubahan suhu Q_DE = m.U

Fase V : zat dalam bentuk uap/gas, mengalami perubahan suhu

Titik Tripel dan Titik Kritis

Fase zat pada tekanan (P) dan temperatur (T) ditunjukkan oleh diagram P – T

Berdasarka diagram P – T disimpulkan bahwa:

~ dengan menambah P maka titik didih & titik beku akan naik

~ di atas titik tripel tidak mungkin terjadi perubahan dari wujud padat langsung ke gas

~ di atas titik kritis gas tidak dapat diembunkan tanpa menurunkan T

Contoh soal : sebongkah es suhunya -10 ⁰C disiram dengan 100 g air mendidih. Jika massa es 20 g, hitung suhu akhir! Kalor lebur es = 80 kal/g, panas jenis es = 0,5 kal/g ⁰C

Penyelesaian:

Peristiwa yang dialami es : suhu naik dari -10 ⁰C à 0 ⁰C; melebur menjadi air; suhu air naik dari 0 ⁰C à t ⁰C

Q_serap = Q_lepas                                                                                       

 20.0,5 (0-(-10)) + 80.20 + 20.1(t-0) = 100.1(100-t)

Q_es + Q_{1 es} + Q_air = Q_{air panas}                                                                                              

100 + 1600 + 20t = 10000-100t

(m.c.∆t)_air + (m.L)_es + (m.c.∆t)_air = (m.c.∆t)_{air panas}                                                                                                        120t = 10000-1700

                                                                         = 8300 

                                                                       t = 69,17 ⁰C