Fisika kalor

29
TUGAS FISIKA Pokok Bahasan : Kalor Disusun oleh : Reny Rosida 14.05.0.047 FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN PROGRAM STUDI MATEMATIKA SEMESTER I TAHUN 2014/2015

Transcript of Fisika kalor

Page 1: Fisika kalor

TUGAS FISIKA

Pokok Bahasan : Kalor

Disusun oleh :

Reny Rosida 14.05.0.047

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN PROGRAM STUDI MATEMATIKA SEMESTER I TAHUN

2014/2015

Page 2: Fisika kalor

Konsep Suhu

Suhu merupakan derajat panas dari suatu benda. Darisentuhan telapak tangan, kita dapat menyusun urutan benda-benda berdasarkan derajat panasnya dari benda A, B, dan C, kitadapat memutuskan bahwa B lebih panas dari A, C lebih panasdari B. Kita dapat menyatakan bahwa suhu yang paling tinggiadalah C, dan yang paling rendah adalah A. Jadi, konsep suhuberasal dari perasaan kita.

Suhu secara umum dapat diukur dalam tiga skala yangberbeda yaitu Celcius, Fahrenhait dan Kelvin. Skala Celciusmempunyai titik didih air 100OC dan titik beku air 0OC. SkalaFahrenhait mempunyai titik didih air 212OF dan titik beku air32OF. Sedangkan untuk skala Kelvin didasari oleh skala Celcius.Untuk mengubah dari Celcius ke Kelvin dengan menambahkan273O pada skala Celcius yang terukur.

Page 3: Fisika kalor

• Kesetimbangan Termal

Pada dasarnya, dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termal, jika setelah bersentuhan, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Misalnya terdapat 2 benda, sebut saja benda A dan benda

B. Pada mulanya benda A memiliki suhu tinggi (benda A panas) sedangkan benda B memiliki suhu rendah (benda B dingin). Setelah bersentuhan cukup lama, kedua benda tersebut mencapai suhuyang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Page 4: Fisika kalor

Dari hal tersebut timbullah Hukum ke-0Termodinamika sebagai berikut:

“Apabila sistem A benda dalam keadaan setimbangtermal dengan sistem B dan a juga dalam keadaansetimbang dengan C; maka sistem B adalahsetimbang termal dengan sistem C.”

Oleh sebab itu dapat disimpulkan bahwa : Suhu suatusistem adalah sifat yang menentukan apakah sistemitu setimbang termal dengan sistem lain atau tidak.

Page 5: Fisika kalor

Sifat Termometrik Bahan Sifat Termometrik yaitu sifat dasar suatu zat yang apabila diubah-ubah

suhunya akan berubah pula secara teratur. Adapun sifat-sifat yang berubahantara lain:• Wujud/bentuknya• Volumenya• Panjang dan Luasnya• Hambatan Listriknya• Warnanya• Daya hantar listriknya.

Pada dasarnya, bahan yang digunakan untuk membuat termometermempunyai karakteristik linier, yaitu hubungan sifat termometrik bahandengan suhu dan mengikuti persamaan di bawah ini,

dengan: t = suhux = sifat termometrika,b = konstanta yang bergantung pada bahan

yang digunakan

t(x)=a(x)+b

Page 6: Fisika kalor

Thermometer

Thermometer adalah alat pengukursuhu berdasarkan sifat-sifat termometrikdinamakan thermometer. Zat cair yangmemiliki sifat termometrik yang baikadalah raksa dan alkohol, karena raksa danalkohol dapat memuai secara linear jikaterjadi kenaikan suhu.

Pada pengukuran denganthermometer, suhu suatu zat yang diukursama besar dengan skala yang ditunjukkanoleh thermometer saat terjadikesetimbangan termal antara zat danthermometer. Selain termometer zatcair, jenis-jenis termometer lainnya adalahtermometer bimetal, termometerhambatan, termometer gas, dan pirometer.

Page 7: Fisika kalor

Titik Tetap & Skala SuhuKalibrasi termometer adalah kegiatan menetapkan skala sebuah termometer

yang belum memiliki skala. Suhu termasuk besaran pokok dalam fisika. Oleh karena itu,seperti besaran-besaran pokok yang lain, suhu mempunyai standar.standar untuk suhudisebut titik tetap. ada dua titik tetap, yaitu titik tetap bawah dan titik tetap atas. Titiktetap bawah adalah titik lebur es murni dan ditandai dengan angka nol. Titik tetap atasadalah suhu uap diatas air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm dan di tandaidengan angka 100.

Skala Thermometer dibedakan menjadi :

1. Skala Celcius : titik tetap bawah (0° C) dan titik tetap atas (100°) dibagi menjadi 100skala yang sama jaraknya.

2. Skala Fahrenheit : titik lebur es pada angka 32 dan titik didih air diberi angka 212.Antara keduanya dibagi menjadi 180 skala.

3. Skala Reamur : titik lebur es pada angka 0°R dan titik didih air pada angka 80°R.Antara kedua angka titik tetap dibagi menjadi 80 skala.

4. Skala Kelvin : titik lebur es ditetapkan pada angka 273 K dan titik didih air padaangka 373 K. Antara kedua titik tetap dibagi 100 skala. Pada skala kelvin tidak adasuhu yang bernilai negatif, sehingga disebut suhu mutlak atau skala termodinamikdan sekaligus kelvin digunakan sebagai satuan SI untuk besaran suhu.

Page 8: Fisika kalor

Dimana skala adalah suhu titik didih air dikurangi suhu titik lebur es.Perbandingan skala = C : F : R : K : Rn

= 100 : 180 : 80 : 100 : 180= 5 : 9 : 4 : 5 : 9

Sehingga untuk perubahan skala dari Celcius menjadi Reamur atau menjadi skala thermometer lainnya sebagai berikut.

atau

Page 9: Fisika kalor

Kalor Jenis & Kalor Laten

• Kalor Jenis

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yangdiperlukan oleh 1 kg zat untuk menaikkan suhunyasebesar 1°C. Kalor yang dilepas atau diterima oleh zatketika berubah suhunya, tergantung pada: massa zat,jenis zat, dan perubahan suhu. Dapat dirumuskan:

Q = Kalor (joule)

m = massa zat (kg)

c = kalor jenis zat (j/kg°C)

∆t = perubahan suhu (°C) atau (K)

𝐐 = 𝐦 ∙ 𝐜 ∙ ∆𝐭

Page 10: Fisika kalor

• Kalor Laten

Kalor laten adalah kalor yang digunakan untukmengubah wujud, persamaan yang digunakan dalamkalor laten ada dua macam :

dan

Dengan: Q = Kalor (joule)

U = kalor uap (J/kg)

L = kalor lebur (J/kg)

𝐐 = 𝐦 ∙ 𝐔 𝐐 = 𝐦 ∙ 𝐋

Page 11: Fisika kalor

• Pengaruh kalor terhadap perubahan wujud zat

1. Benda Cair Menjadi Uap

Kalor untuk mengubah wujud benda dari cair menjadi uap tergantung pada: massa zat dan kalor uap zat.

Kalor didih atau kalor uap adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh1 kg zat untuk mengubah dari wujud cair menjadi wujud gas pada titikdidihnya.

2. Benda Padat Menjadi Cair

Kalor untuk mengubah wujud benda dari padat menjadi cair tergantung pada: massa zat dan kalor lebur zat.

Kalor lebur adalah banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untukmengubah dari wujud padat menjadi cair pada titik leburnya.

𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑈

𝑄 = 𝑚 ∙ 𝐿

Page 12: Fisika kalor

Gambar diatas menunjukkan grafik perubahan wujud air mulai dari fase espada suhu -40o Celcius hingga menjadi uap air pada suhu 120o Celcius.Garis merah menunjukkan air mengalami kenaikan suhu, garis hijaumenunjukkan fase air mengalami perubahan wujud.Q1, Q3, Q5 = kalor jenis Q2 & Q4 = kalor laten

Page 13: Fisika kalor

Pemuaian Zat Padat1. Pemuaian Panjang

Besarnya panjang logam setelah dipanaskan :

Hubungan antara panjang benda, suhu & koefesien muai panjang

L = Panjang akhir (m)L0 = Panjang mula-mula (m)ΔL = Pertambahan panjang (m)α = Koefisien muai panjang (/°C)Δt = kenaikan suhu (°C)

Page 14: Fisika kalor

2. Pemuaian Luas

Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah

A = Luas akhir (m²)Δ0 = Pertambahan luas (m²)A0 = Luas mula-mula (m²)β = Koefisien muai luas zat (/°C)Δt = Kenaikan suhu (°C)

Besarnya β dapat dinyatakan dalam persamaan berikut

Page 15: Fisika kalor

3. Pemuaian Volume

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P0, lebar L0,dan tinggi h0 dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt,maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luasdiperoleh harga volume balok tersebut sebesar

dimana

V = Volume akhir (m³)V0 = Volume mula-mula (m³)ΔV = Pertambahan volume (m³)γ = Koefisien muai volume (/°C)Δt = Kenaikan suhu (°C)

Page 16: Fisika kalor

Pemuaian Zat Cair

Pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi

hanya dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yangdiberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cairuntuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mulavolume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda.Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatansuhu. Titik pertemuan antara wujud cair, padat dan gas disebut titik tripel.

Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari0°C sampai 4°C volumenya tidak bertambah,akan tetapi justru menyusut. Pengecualian inidisebut dengan anomali air. Oleh karena itu,pada suhu 4°C air mempunyai volume terendah.

Page 17: Fisika kalor

Pemuaian Zat GasPemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai

dengan γ = 1/273°𝐶−1

Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu:

1. Pemuaian Gas pada Suhu Tetap (Isotermal)

Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku hukum Boyle, yaitu gas didalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kalitekanan dan volume gas adalah tetap. Dirumuskan sebagai:

P = tekanan gas (atm)V = volume gas (L)

Page 18: Fisika kalor

2. Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap (Isobar)

Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku hukum Gay Lussac, yaitugas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, makavolume gas sebanding dengan suhu mutlak gas.

V = volume (L)T = suhu (K)

3. Pemuaian Gas Pada Volume Tetap (Isokhorik)

Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-GayLussac, yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap,maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya.

penggabungan Hukum Boyle dan

Hukum Gay Lussac

Page 19: Fisika kalor

Perpindahan Kalor1. KonduksiProses perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa diikutiperpindahan bagian-bagian zat itu disebut konduksi atauhantaran. Misalnya, salah satu ujung batang besi kita panaskan.Akibatnya, ujung besi yang lain akan terasa panas.

Pada batang besi yang dipanaskan, kalorberpindah dari bagian yang panas ke bagianyang dingin. Jadi, syarat terjadinya konduksikalor pada suatu zat adalah adanyaperbedaan suhu. Berdasarkan kemampuanmenghantarkan kalor, zat dapatdikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu

konduktor dan isolator. Konduktor adalah zat yang mudahmenghantarkan kalor (penghantar yang baik). Isolator adalah zatyang sulit menghantarkan kalor (penghantar yang buruk).

Page 20: Fisika kalor

2. KonveksiProses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan bagian-bagian yang dilaluinya disebut konveksi atau aliran.a. Konveksi pada Zat CairSyarat terjadinya konveksi padaz at cair adalah adanya pemanasan. Hal ini disebabkan partikel-partikel zat cair ikut berpindah tempat.b. Konveksi pada GasKonveksi terjadi pula pada gas, misalnya udara. Seperti halnya pada air, rambatan (aliran) kalor dalam gas (udara) terjadi dengan cara konveksi. Beberapa peristiwa yang terjadi akibat adanya konveksi udara adalah sebagai berikut.1) Adanya angin laut. Angin laut terjadi pada siang hari. Pada siang hari,

daratan lebih cepat menjadi panas daripada lautan sehingga udara di daratan naik dan digantikan oleh udara dari lautan.

2) Adanya angin darat, Angin darat terjadi pada malam hari. Pada malam hari, daratan lebih cepat menjadi dingin daripada lautan. Dengan demikian, udara di atas lautan naik dan digantikan oleh udara dari daratan.

3) Adanya sirkulasi udara pada ruang kamar di rumah.4) Adanya cerobong asap pabrik.

Page 21: Fisika kalor

3. Radiasi

Proses perpindahan kalor tanpa zat perantara disebutradiasi atau pancaran. Kalor diradiasikan dalam bentukgelombang elektromagnetik, gelombang radio, ataugelombang cahaya. Misalnya radiasi panas dariapi unggun. Apabila kita berdiam di dekat api unggun, kitamerasa hangat. Alat yang digunakan untuk mengetahuiatau menyelidiki adanya radiasi disebut termoskop,seperti yang tampak pada gambar berikut:

Dari hasil penyelidikan denganmenggunakan termoskop, kita dapatmengetahui bahwa:• Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap

atau permancar radiasi kalor yang baik.

• Permukaan yang putih dan mengkilap adalahpenyerap atau pemancar radiasi yang buiruk.

Page 22: Fisika kalor

Persamaan Gas IdealSifat-sifat gas ideal dinyatakan sebagai berikut.

• Jumlah partikel gas sangat banyak, tetapi tidak ada gaya tarik menarik (interaksi) antarpartikel.

• Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarang atau acak.

• Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan tempat gas berada.

• Setiap tumbukan yang terjadi antarpartikel gas dan antara partikel gas dan dinding bersifat lenting sempurna.

• Partikel gas terdistribusi merata di dalam ruangan.

• Berlaku Hukum Newton tentang gerak.

Pada kenyataannya, tidak ditemukan gas yang memenuhi kriteria gas ideal. Akantetapi, sifat itu dapat didekati oleh gas pada temperatur tinggi dan tekananrendah. Andaikan kita memiliki satu tangki gas sembarang, kemudian tekanandalam tangki kita sebut P, volume tangki adalah V, dan suhu dalam tangki adalah T.Kita bisa mengatur atau mengubah tekanan, suhu maupun volumenya. Ternyataantara P,V dan T saling memiliki kaitan tertentu. Persamaan yang meghubungkanantara P, V dan T dinamakan sebagai persamaan keadaan gas.

Page 23: Fisika kalor

Hukum Boyle

”Jika suhu gas yang berada dalam bejana tertutup(tidak bocor) dijaga tetap, maka tekanan gasberbanding terbalik dengan volume”

atau

Hukum Gay Lussac

“Jika tekanan gas yang berada dalam bejana tertutup(tidak bocor) dijaga tetap, maka volume gassebanding dengan suhu mutlaknya”

atau

pV = tetap p1V1 = p2V2

𝑉

𝑇= 𝑡𝑒𝑡𝑎𝑝

𝑉1

𝑇1=𝑉2

𝑇2

Page 24: Fisika kalor

Persamaan gas ideal yang memenuhi Hukum Boyledan Charles Gay-Lussac

atau

Oleh karena setiap proses yang dilakukan pada gas berada dalam ruangtertutup, jumlah molekul gas yang terdapat di dalam ruang tersebutdapat ditentukan sebagai jumlah mol gas (n) yang jumlahnya selalutetap. Dengan demikian, persamaan keadaan gas ideal dapat dituliskanmenjadi :

atau

n = jumlah mol gas, V = volume (m3)

p = tekanan (N/m2), T = temperatur (K)

R = tetapan umum gas = 8,31 × 103 J/kmolK (SI) = 8,31 J/molK,

𝑝𝑉

𝑇= 𝑡𝑒𝑡𝑎𝑝

𝑝1𝑉1

𝑇1=𝑝2𝑉2

𝑇2

𝑝𝑉

𝑇= 𝑛𝑅 p𝑉 = 𝑛𝑅𝑇

Page 25: Fisika kalor

• Dari definisi mol zat yang menyatakan bahwa 𝑛 =𝑚

𝑚𝑟, maka

persamaan dapat dituliskan menjadi

• Massa jenis suatu zat adalah perbandingan antara massa denganvolume zat tersebut. Oleh karena itu, dari persamaan tersebut dapatdiperoleh persamaan massa jenis gas :

• Menurut prinsip Avogadro, satu mol gas mengandung jumlah molekulgas yang sama. Jumlah molekul gas ini dinyatakan dengan bilanganAvogadro (NA) yang besarnya sama dengan 6,02 × 1023 molekul/mol.Dengan demikian, Persamaan diatas dapat dinyatakan menjadi :

atau

N = Banyak partikel gas,

NA = Bilangan Avogadro (6,02𝑥1023molekul/mol)

p𝑉 =𝑚

𝑀𝑟𝑅𝑇

𝜌 =𝑚

𝑉= 𝑝 ∙

𝑀𝑟

𝑅𝑇

p𝑉 =𝑁

𝑁𝐴∙ 𝑅 ∙ 𝑇 p𝑉 = 𝑁 ∙

𝑅

𝑁𝐴∙ 𝑇

Page 26: Fisika kalor

Oleh karena nilai pada Persamaan merupakan suatu nilaitetapan yang disebut konstanta Boltzmann ( k ) di mana k= 1,38 × 10-23 J/K maka persamaan keadaan gas idealdapat juga dituliskan menjadi persamaan berikut :

p = Tekanan (N/m²) N = Banyak partikel gas

V = Volume (m³) T = Temperatur (K)

Catatan:

Dalam keadaan standar (STP), yaitu tekanan p = 1 atm = 1× 105 Pa, dan suhu gas t = 0° C atau T = 273 K, maka setiapn = 1 mol (gas apa saja) memiliki volume 22,4 liter.

p𝑉 = 𝑁𝑘𝑇

Page 27: Fisika kalor

Teori Kinetik Gas

• Teori kinetik merupakan suatu teori yang secara garis besaradalah hasil kerja dari Count Rumford (1753-1814), JamesJoule (1818-1889), dan James Clerk Maxwell (1831-1875),yang menjelaskan sifat-sifat zat berdasarkan gerak acak terusmenerus dari molekul-molekulnya. Dalam gas misalnya,tekanan gas adalah berkaitan dengan tumbukan yang takhenti-hentinya dari molekul-molekul gas terhadap dinding-dinding wadahnya.

• Gas yang di pelajari adalah gas ideal, yaitu gas yang secaratepat memenuhi hukum-hukum gas. Dalam keadaan nyata,tidak ada gas yang termasuk gas ideal, tetapi gas-gas nyatapada tekanan rendah dan suhunya tidak dekat dengan titikcair gas, cukup akurat memenuhi hukum-hukum gas ideal.

Page 28: Fisika kalor

• Hubungan antara Tekanan, Suhu, dan Energi Kinetik Gas

Jika suhu gas berubah, maka kecepatan partikel gasberubah. Jika kecepatan partikel gas berubah, makaenergi kinetik tiap partikel gas dan tekanan gas jugaberubah. Hubungan ketiga faktor tersebut secarakuantitatif membentuk persamaan :

Persamaan 𝑃 =𝑁𝑚𝑣2

3𝑉dapat disubstitusi dengan

persamaan energi kinetik, yaitu Ek = ½ mv2 , sehinggaterbentuk persamaan :

𝑷 =𝑵𝒎𝒗𝟐

𝟑𝑽karena 𝒎𝒗𝟐 = 𝟐𝑬𝒌 jadi,

𝑷 =𝑵∙𝟐𝑬𝒌

𝟑𝑽=

𝟐

𝟑∙𝑵∙𝑬𝒌

𝑽dengan Ek = Energi kinetik pertikel gas (J)

Page 29: Fisika kalor

• Dengan mensubstitusikan persamaan umum gasideal pada persamaan tersebut, maka akandiperoleh hubungan energi kinetik dengan suhu gassebagai berikut:

𝑷𝑽 = 𝑵𝒌𝑻

𝑷 =𝑵𝒌𝑻

𝑽=𝟐

𝟑∙𝑵

𝑽∙ 𝑬𝒌

Jadi :

Dengan T = suhu (K)

𝑬𝒌 = 𝟑 𝟐𝒌𝑻