SUHU, KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR

SUHU, KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR

A.    SUHU

Suhu adalah ukuran derajat panas dinginnya suatu benda .

Kalor atau panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan karena perbedaan suhu.

Sifat thermometrik zat adalah sifat – sifat suatu benda / zat yang berubah jika suhunya berubah.

Beberapa sifat thermometrik zat antara lain :

a.       Volume zat akan berubah jika suhunya berubah

b.      Panjang benda akan berubah jika suhunya berubah

c.       Hambatan listrik konduktor akan berubah jika suhunya berubah

d.      Tekanan gas pada volume tetap akan berubah jika suhunya berubah.

Thermometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu.

Zat cair yang digunakan adalah air raksa (Hg) atau alkohol.

Kelebihan air raksa antara lain :

a.       Mengkilat sehingga mudah dilihat

b.      Tidak membasahi dinding

c.       Pemuaian raksa teratur

d.      Raksa merupakan penghantar yang baik

e.       Mampu mengukur dari suhu -39^oC – 357 ^oC

Kelemahan alkohol :

a.       Alkohol membasahi dinding

b.      Alkohol tidak berwarna sehingga tidak mudah dilihat

c.       Daerah ukurnya rendah

d.      Pemuaiannya tidak teratur

Untuk menentukan nilai suhu suatu thermometer diperlukan batas suhu yang tepat, yaitu batas pengukuran suhu rendah dan batas pengukuran suhu tinggi.

Perbandingan skala Celcius, Reamur, Farenheit dan Kelvin adalah

TC : TR : (TF – 32) : (TK-273) = 100 : 80 : 180 : 100

                                                   =   5   :   4 :    9   :   5

Secara umum jika ada dua buah thermometer X dan Y masing – masing, berlaku :

T^oX = suhu thermometer X

T^oY = suhu thermometer Y

T_aX = batas atas thermometer X

T_bX = batas atas thermometer X

T_aY = batas atas thermometer Y

T_bY = batas atas thermometer Y

Contoh soal :

1. Sebuah thermometer X  memiliki titik beku air -40 ^oX dan titik didih air 160^oX. Pada     saat  termometer tersebut terbaca 15^oX, berapa suhu yang terbaca pada skala Celcius ?

Diket : Titik beku air = batas bawah = T_bX = -40^oX

            Titik didih air = batas atas = T_aX = 160^oX            

T_aC = 100 ^oC

T_bC = 0^oC

Ditanya : TC = ... ?

 

Hubungan skala Celcius dengan skala Reamur

 

      atau                    

Hubungan skala Celcius dengan skala Fahrenheit

                                     atau                                               

Hubungan skala Celcius dengan skala Kelvin

                              Atau                                                                  

Contoh soal :

Suhu suatu benda 40^oC. Nyatakan dalam skala Reamur, Fahrenheit dan Kelvin ?

40^oC = .... ^oR = ... ^oF = ... K

Latihan soal :

1. Pada suatu thermometer X, titik beku air 40^oX, titik didih air 240^oX. Apabila suatu benda diukur dengan thermometer Celcius 50^oC, berapa suhunya bila diukur dengan thermometer X ?
2. A. 60^oC = ... ^oR = ... ^oF = ... K

       B. 212 ^oF = ... ^oC = ... ^oR = ... K

       C. 50 ^oR = ... ^oC = ... ^oF = ... K

B.     KALOR

Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang menunjukkan panas suatu benda.

Satu kalori adalah jumlah kalor yang dibutuhkan 1 gram air untuk menaikkan suhu 1^oC.

Alat yang digunakan untuk mengukur panas jenis atau kalor jenis zat adalah kalorimeter.

Satuan kalor

•       kalori

   1 kalori = 4,18 Joule = 4,2 J

•       Joule

   1 joule = 0,24 kalori

1.      Kalor jenis (c)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dibebaskan (Q) untuk menaikkan atau menurunkan suhu satu gram zat sebesar 1^oC.

   atau     

Q  = kalor (J,kal)

m  = massa (kg, gram)

∆T = perubahan suhu (K,^oC)

c   = kalor jenis (J/kg.K atau kal/gram.^oC

2.      Kapasitas kalor (C)

Kapasitas kalor adalah kalor yang diperlukan atau dibebaskan untuk menaikkan atau menurunkan suhu sebesar satu 1^oC.

 atau

Q  = kalor (J,kal)

∆T = perubahan suhu (K^,oC)

C  = kapasitas kalor (J/K atau kal/^oC )

Hubungan antara kalor jenis dengan kapasitas kalor

 atau

 atau

Contoh soal :

1.      Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 0,5 kg suatu zat cair yang kalor jenisnya 400 J/kg.K dari suhu 28^oC menjadi 38^oC ?

Diket : m = 0,5 kg

                    c  = 400 J/kg.K

                  T₁ = 28^oC

                 T₂ = 38^oC

                   ∆T = 38 – 28 = 10^oC

Ditanya : Q = ... ?

Jawab :

 

                                                                         

2.      Sebuah benda menyerap kalor sebanyak 100 Kkal sehingga suhunya berubah menjadi 200 ^oC. Hitunglah kapasitas kalor benda tersebut ?

Diket : Q = 100 Kkal = 100.000 kal

                  ∆T = 200 ^oC 

Ditanya : C = ... ?

3.      Hukum kekekalan energi kalor (Azas Black)

“Banyaknya kalor yang dilepaskan (diberikan) oleh benda yang bersuhu tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diserap (diterima) oleh benda yang bersuhu lebih rendah “.

Contoh soal :

1.      Dalam botol termos terdapat 250 gram kopi bersuhu 90^oC. Ditambahkan susu sebanyak 20 gram bersuhu 5^oC. Jika tidak ada kalor percampuran maupun kalor yang diserap oleh termos dan c_air = c_kopi = c_susu = 1 kal/g.^oC, berapa suhu akhir campuran ?

Diket : m_kopi = m_k = 230 g

             T_kopi = T_k = 90^oC (melepaskan kalor karena suhunya lebih tinggi)

             m_susu = m_s = 20 g

             T _susu = T_s = 5^oC (menyerap/menerima kalor karena suhunya lebih rendah)

             ca = ck = cs = 1 kal/g.^oC)

Ditanya : T _{akhir campuran} = T_c = .... ?

Latihan soal :

1.      Suatu kalorimeter berisi air sebanyak 36 gram pada suhu -6^oC, kapasitas kalor kalorimeter 27 kal/K. Kemudian ke dalam kalorimeter dituangkan alkohol pada suhu 50 ^oC yang menyebabkan suhu akhir campuran menjadi 8^oC. Berapa massa alkohol yang dituangkan jika diketahui kalor jenis es 0,5 kal/g.K dan kalor jenis alkohol 0,5 kal/g.K ?

2.      Untuk menaikkan suhu 1 kg benda dari 20^oC menjadi 50^oC diperlukan kalor 4,5 x 10⁴ kal. Berapa  kalor jenis zat tersebut ?

3.      Sepotong tembaga bermassa 200 gram suhunya 100^oC dimasukkan ke dalam 1000 gram air yang bersuhu 20^oC, kalor jenis tembaga 0,1 kal/g.^oC dan kalor jenis air 1 kal/g.^oC. Berapa suhu keseimbangan campuran tersebut ?

C.    PENGARUH KALOR TERHADAP ZAT

Bila kalor diberikan pada suatu zat maka dalam zat tersebut akan mengalami kenaikan suhu. Pemuaian terjadi jika ada perubahan suhu. Jika suhu dinaikkan maka atom – atom atau molekul – molekul zat penyusun akan bergetar semakin cepat, akibatnya gaya tarik antar partikel lemah dan jarak antar partikel semakin besar dan benda mengalami pemuaian.

1.      Pemuaian pada zat padat

a.      Pemuaian panjang

b.      Pemuaian luas

c.       Pemuaian volume

             

Contoh soal :

1.      Sebuah jendela kaca berukuran 1,5 m x 0,4 m pada suhu 27^oC, bila suhu naik menjadi 37^oC, koefisien muai panjang kaca 9 x 10^{-6 o}C^-1. Hitunglah :

a.       Perubahan luas jendela

b.      Luas jendela sekarang

Diket : p = 1,5 m

             l  = 0,4 m

            T₁ = 27^oC

            T₂ = 37^oC

            α  = 9 x 10^{-6 o}C^-1

Ditanya : a. ∆A = ... ?

          b. At = ... ?

Jawab :

a.        

Ao = p x l       = 1,5 x 0,4       = 0,6 m2 ∆T = T2 – T1       = 37 – 27       = 10 oC

b.     

                                                       

2.      Panjang batang rel kereta api masing – masing 10 meter dipasang berurutan pada suhu 20^oC. Diharapkan pada suhu 30^oC rel tersebut saling bersentuhan. Koefisien muai batang rel kereta api 12 x 10^-6 /^oC. Berapakah jarak antara kedua batang yang diperlukan pada suhu 20^oC?

Diketahui : Lo = 10 m

                   ∆T = T₂ – T₁ = 10^oC

                     α = 12 x 10^-6 /^oC

 Ditanya    : d = .... ?

 Jawab :

Misalkan ketika memuai dari suhu 20^oC ke suhu 30^oC masng – masing batang rel kereta api bertambah panjang ∆L, maka supaya pada suhu 30^oC batang tersebut bersentuhan, jarak antara kedua batang pada suhu 20^oC adalah 2.∆L

d = 2 x ΔL d = 2 x 1,2 x 10-3 d = 2,4 x 10-3 m

2.      Pemuaian Pada zat cair

Pada zat cair hanya mengalami pemuaian volume saja, sehingga yang berlaku :

 

atau

3.      Pemuaian Pada zat gas

Pada gas hanya mengalami pemuaian volume saja. Khusus pada gas jika pemuaian terjadi pada tekanan tetap maka besarnya koefisien muai ruang sudah ditetapkan yaitu :

Sehingga persamaan menjadi :

 

                                                                 

Contoh soal :

Berapakah banyaknya air yang tumpah jika sebuah bejana yang berisi penuh 1 L (1000 cm³) air pada suhu  20 ^oC dipanaskan sampai mencapai 90 ^oC ? Koefisien muai panjang bejana adalah 3 x 10^{-6 o}C^-1 dan koefisien muai volume air adalah 2 x 10^{-4 o}C^-1.

Diket : Vo = 1 L = 1000 cm³     

             ∆T = T₂ – T₁ = 90 – 20 = 70 ^oC

             α_bejana = 3 x 10^{-6 o}C^-1

             γ_air = 2 x 10^{-4 o}C^-1

Ditanya : V air yang tumpah = ... ?

Jawab :

Dicari pertambahan volume untuk bejana (∆V_bejana)  dan pertambahan volume untuk air(∆V_air )

Volume air yang tumpah = ∆V_air - ∆V_bejana

                                             = 14 – 0,63

                                             = 13,37 cm³  

           

4.      Perubahan Wujud Zat

Diagram perubahan wujud zat

Grafik perubahan zat

A – B = benda berwujud padat (es)

Ada perubahan suhu misal dari -10^oc – 0^oc sehingga banyaknya kalor (Q) yang diperlukan untuk menaikkan suhu adalah

                                      Q = m . c . ∆T

B – C = perubahan wujud dari padat menjadi cair

Suhu benda tetap yaitu 0^oC, sehingga banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud zat adalah

                                      Q = m . L

C – D = benda berwujud cair

Ada perubahan suhu dari 0^oc – 100^oC, sehingga banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu adalah

                                      Q = m . C . ∆T

D – E = perubahan wujud dari cair menjadi gas (uap)

Suhu benda tetap yaitu 100^oC, sehingga banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud zat adalah

                                       Q = m . L

E – F = benda berwujud gas (uap)

Ada perubahan suhu dari 100^oc – 120^oC, sehingga banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu adalah

                                      Q = m . C . ∆T

Kalor laten (L)

Kalor laten (L) adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk mengubah wujud dari satu wujud ke wujud yang lain.

                           Atau    

Selama terjadi perubahan wujud suhu benda adalah tetap (lihat grafik perubahan wujud)

Contoh soal :

1.      Berapa kalor yang diperlukan untuk melebur es dari -10^oc menjadi air 20^oC, jika massa es  setelah berubah menjadi air tetap 100 gram, kalor lebur es 80 kal/g, kalor jenis es 0,5 kal/g.^oC dan kalor jenis air 1 kal/g.^oC ?

Diket : m_es = 100 g                                          L_es = 80 kal/g

                  T_es  = -10^oC                                         c_es  = 0,5 kal/g^oC

                  T_air = 20^oC                                           c_air =  1 kal/g^oC

                                           

Ditanya : Q_total = .... ?

Q1 = m . ces . ∆T      =  100 . 0,5 . (0 – (-10)      = 100 . 0,5 . 10      = 500 kal

Q2 = m . Les        = 100 . 80      = 8000 kal

Q3  = m . cair . ∆T                = 100 . 1 . (20 – 0)       = 100 . 20       = 2000 kal

Qtotal = Q1 + Q2 + Q3             = 500 + 8000 + 2000             = 10500 kal

2.      Berapa kalor yang diperlukan untuk melebur 1 kg es jika diketahui kalor lebur es 80 kal/g ?

Diket : m  = 1 kg        = 1000 g

             L_es = 80 kal/g

Ditanya : Q

Jawab :

D.    PERPINDAHAN KALOR

CARA PERPINDAHAN KALOR

Kalor dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

Ada 3 cara perpindahan kalor :

1)      Konduksi ( hantaran)

Konduksi adalah suatu perpindahan kalor melalui suatu medium tanpa disertai  perpindahan partikel – partikel medium tersebut. Terjadi pada zat padat, cair dan gas.

Besarnya kalor yang merambat pada batang tiap satuan waktu ( laju konduksi) dirumuskan :

 

Dimana :

Q  = kalor yang merambat (J, kal)

t   = waktu (s)

H  = kalor yang merambat tiap satuan waktu (J/s)

     = laju konduksi

K   = koefisien konduksi termal (J/s.m.K)

A   = luas penampang (m²)

∆T = perubahan suhu (K,^oC)

L    = panjang medium (m)

Makin besar nilai k suatu bahan, maka makin mudah zat itu menghantarkan kalor. Bahan konduktor mempunyai nilai k besar sedang bahan isolator mempunyai nilai k kecil.

Contoh soal :

Dua batang logam P dan Q berukuran yang sama tetapi terbuat dari logam yang berbeda. Ujung kiri P bersuhu 90 ^oC dan ujung kanan Q bersuhu 0 ^oC. Apabila koefisien konduksi termal P = dua kali koefisien konduksi termal Q, berapa suhu pada sambungan P dan Q ?

Diket : berukuran sama berarti (L_P = L_Q  dan A_P = A_Q )

            T_P = 90 oC

            T_Q = 0 ^oC

            K_P = 2 x K_Q 

Ditanya : T_s = ... ?

Jawab : Syarat mengerjakan soal ini laju konduksi kedua logam sama

 

2)      konveksi ( aliran)

Konveksi (aliran) adalah suatu perpindahan kalor melalui suatu nedium yang disertai dengan perpindahan partikel – partikel medium tersebut. Terjadi pada zat cair dan gas.

Ada dua jenis konveksi :

a)      Konveksi alami

Perpindahan fluida terjadi akibat perbedaan massa jenis.

Contoh : 1. cerobong asap pabrik

               2. sistem ventilasi rumah

               3. terjadinya angin darat dan angin laut                

b)      Konveksi paksa

Fluida yang telah dipanasi langsung diarahkan ke tujuannya dengan bantuan alat tertentu misalnya kipas angin, pompa dsb.

Contoh : 1. sistem pendingin mesin mobil

               2. alat pengering rambut

               3. reaktor nuklir

Besarnya kalor yang merambat tiap detik atau laju konveksi dirumuskan :

 

                                                           

H            = koefisien konveksi (J/m².s.K atau kal/cm².s.^oC

A            = luas permukaan (m² atau cm²)

∆T          = perubahan suhu (k atau ^oC)

Q/t = H = kalor yang merambat tiap detik (J/s)

Nilai h bergantunng pada bentuk dan kedudukan permukaan yang bersentuhan dengan fluida.

Contoh soal :

Permukaan dalam suatu dinding rumah dijaga bersuhu tetap 20 oC saat udara luar 30 oC, berapa banyak kalor yang masuk ke dalam rumah akibat konveksi alami udara melalui dinding rumah berukuran 10 m x 5 m selama 1 menit ? Anggap koefisien konveksi rata – rata 4,00 W m-1 K-1.

Diket : T1 = 20 ^oC

             T2 = 30 ^oC

             ∆T = T₂ – T₁ = 30 – 20 = 10 ^oC

             A = 10 x 5 = 50 m²

             t = 1 menit = 60 detik

             h = 4,00 W m^-1 K^-1

Ditanya : Q = ... ?

Jawab :

 

3)      Radiasi  (pancaran)

Radiasi adalah suatu perpindahan kalor tanpa melalui medium, dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Contoh :

1.      sinar matahari

2.      api unggun

3.      pendiangan rumah ( khususnya di negara – negara yang memiliki musim dingin)

4.      Termos

5.      Rumah kaca atau efek rumah kaca

Makin baik suatu benda menyerap radiasi kalor, makin baik benda tersebut memancarkan kalor.  Penyerapan radiasi sempurna disebut benda hitam. Permukaan yang hitam kusam adalah penyerap dan pemancar kalor radiasi yang sangat baik, sedang permukaan putih mengkilap adalah penyerap dan pemancar kalor yang sangat buruk.

Besarnya laju kalor radiasi yang dipancarkan suatu benda dirumuskan :

 

                            dan                           

                                                 

Dimana :

W     = energi yang dipancarkan tiap satuan luas tiap satuan waktu (watt/m2)

Q/t    = laju kalor radiasi (J/s = watt)

P       = daya radiasi (watt =W)

e       = emisifitas benda ( 0 < e > 1)

 σ      = tetapan Stefan-Boltzmann

         = 5,67 x 10^-8 Wm^-2K^-4

A     = luas permukaan (m²)

∆T   = perubahan suhu (K)

Contoh soal :

Sebuah bola tembaga jari – jari 3,5 cm dipanaskan dalam sebuah tungku perapian bersuhu 427 ^oC. Jika emisifitas bola 0,3 berapa laju kalor radiasi yang dipancarkan ?

Diket : r = 3,5 cm = 3,5 x 10^-2 m

            T = 427 ^oC = 427 + 273 =700 K

            e = 0,3

Ditanya : Q/t = P = ... ?

Jawab :

 

                                                  A = π . R² = 22/7 . (3,5 x 10^-2)² =38,5 x 10^-4 m²

 

                                 

Latihan soal :

1.      Suatu thermometer X memiliki titik beku air 20^oX dan titik didih air 220^oX. Bila suhu suatu benda 40^oC berapa suhu benda tersebut jika diukur dengan thermometer X ?

2. Selembar aluminium yang massanya 75 gram dipanaskan dari suhu 10°C menjadi suhu 70°C. Jika kalor jenis aluminium adalah 0,9 Joule/gram°C, berapakah kalor yang diterima aluminium tersebut?
3. Untuk menaikkan suhu 150 gram mentega dari suhu 10°C menjadi suhu 40°C dibutuhkan kalor sebanyak 22,5 kilojoule. Berapakah kalor jenis mentega tersebut? (5 J/g^oC
4. Sepotong besi yang mempunyai kalor jenis 0,11 kalori/gram°C dipanaskan dari suhu 15°C menjadi 55°C dan diberikan kalor sebanyak 2.200 kalori. Berapakah massa besi tersebut? (500 gram)
5. Untuk menaikkan suhu aluminium dari suhu 7,5°C menjadi suhu 37,5°C dibutuhkan kalor sebanyak 36 kilojoule. Berapakah kapasitas kalor aluminium tersebut?

6.      Berapa kalor yang diperlukan untuk memanaskan 200 gram air bersuhu 20^oC hingga menjadi uap air bersuhu 100^oC ? (kalor jenis air 1 kal/g^oC dan kalor didih air 540 kal/g)

7. Berapakah kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan 2 kg es dengan kalor lebur es = 334 Joule/gram.
8. Untuk meleburkan 2 kg emas, diperlukan kalor sebanyak 14,2 megajoule. Berapakah kalor lebur emas tersebut?

9.      Sebatang baja pada suhu 20^oC panjangnya 100 cm, bila panjang baja sekarang 100,1 cm dan koefisien muai panjang baja 10^-5/^oC. Berapa suhu baja sekarang ?

10.  Sebatang logam berukuran panjang 20 cm. Setelah dipanaskan hingga suhunya bertambah sebesar 20^oC panjangnya menjadi 20,04 cm. Berapa koefisien muai panjang logam tersebut ?

11.  75 gram air yang suhunya 0^oC dicampur dengan 50 gram air bersuhu 100^oC, berapa suhu akhir campurannya ?

12. Sebanyak 140 gram mentega bersuhu 50°C dimasukkan ke dalam wadah berisi 70 gram es batu bersuhu 30°C. Berapakah suhu akhir campuran tersebut? Kalor jenis mentega = 0,6 Joule/gram°C dan kalor jenis es batu = 2,1 Joule/gram°C.
13. Sebuah germanium bermassa 1,1 kg dan bersuhu 97°C dimasukkan ke wadah tembaga bermassa 1,4 kg bersuhu 9°C. Jika kalor jenis germanium = 0,61 kalori/gram°C dan kalor jenis tembaga = 0,09 kalori/gram°C, berapakah suhu akhir campuran tersebut?

Berapakah kalor yang diperlukan untuk melebur 200 gram es dari suhu -10^oC menjadi 100^oC uap air ? (jika kalor jenis es 0,5 kal/g^oC, kalor lebur es 80 kal/g, kalor jenis air 1 kal/g^oC, kalor didih air 540 kal/g)

Sebuah plat baja dengan panjang 2 m dan lebar 0,5 m suhunya 227^oC. Bila tetapan Boltzman = 5,67 10^–8 Wm^–2 K^–4 dan plat baja dianggap hitam sempurna (e = 1), maka energi total yang dipancarkan setiap detik …