Kalor dan perubahan wujud

SERI EBOOK GURUMUDA

Alexander San Lohat | http://www.gurumuda.com © 2008 ‐ 2009

1

Kalor dan Perubahan Wujud

Edisi Kedua

Untuk SMA kelas X

(Telah disesuaikan dengan KTSP)

Penulis

Alexander san lohat

(san)

Lisensi Dokumen : Copyright © 2008‐2009 GuruMuda.Com Seluruh dokumen di GuruMuda.Com dapat digunakan dan disebarkan secara bebas untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari GuruMuda.Com.

SERI EBOOK GURUMUDA


2

Contact Person

Anda bisa menghubungi saya melalui beberapa jalur di bawah :

Blog : http://www.gurumuda.com

Email : [email protected]

Testimonial dan Saran

Apapun pendapat anda mengenai tulisan saya, silahkan memberikan testimonial atau saran konstruktif demi pengembangan ebook ini menjadi lebih baik. Testimonial atau saran yang bersifat membangun

dari anda bisa dikirim ke email berikut :

[email protected]

Terima kasih atas partisipasi anda

SERI EBOOK GURUMUDA


3

Materi Pembelajaran :

Kalor dan Perubahan Wujud

Tujuan Pembelajaran :

Kompetensi Dasar :

Menganalisis pengaruh kalor terhadap suatu zat

Indikator :

a. Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan suhu benda

b. Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan wujud benda

Tujuan pembelajaran di atas merupakan tuntutan dari Depdiknas RI dalam KTSP. Jadi dirimu harus mencapai Kompetensi dasar dan Indikator tersebut. Kalau tidak bisa, ntar dapat nilai merah :) alias tidak lulus. Nah, kali ini Gurumuda membimbing dirimu untuk bisa mencapai tujuan pembelajaran di atas.

Selamat Belajar ☺

SERI EBOOK GURUMUDA


4

Pengetahuan Prasyarat

Sebelum mempelajari materi kalor dan perubahan wujud, terlebih dahulu kita pahami beberapa konsep dasar yang akan selalu digunakan. Ini merupakan pengetahuan prasyarat, maksudnya kalau konsep tersebut tidak dipahami dengan baik dan benar maka ketika mempelajari materi kalor dan perubahan wujud benda, dirimu akan kebingungan…

Konsep Suhu

Dirimu pernah menyentuh es‐kah ? wah, jangankan menyentuh, kalau lagi gerah, langsung disikat…. rasanya nikmat. Tubuh serasa sejuk. Tapi kalau pas lagi musim hujan, apalagi udaranya juga dingin, dirimu masih mau minum es tidak ? he2… kalau udaranya lagi sejuk, lebih asyik minum minuman yang hangat. Lebih nikmat, soalnya tubuh serasa lebih hangat. Kalau di rumah punya kulkas, coba buka kulkas… masukan tangan ke dalam kulkas alias lemari es. Rasanya bagaimanakah ? iihhh, tangan nyaris membeku. Hiks2… atau kalau mau iseng, coba sentuh air yang mendidih… awas tangannya melepuh. Ketika dirimu memasukkan tangan ke dalam kulkas, tangan terasa dingin. Ketika menyentuh air mendidih, tangan terasa panas. Panas, dingin, sejuk, hangat dkk tuh sebenarnya apa sich ?

Sejak dilahirkan, setiap kita sudah mempunyai indera peraba. Ketika menyentuh air mendidih, indera peraba memberitahu kita bahwa air yang disentuh itu panas. Demikian juga ketika menyentuh es, indera peraba memberitahu kita bahwa es itu dingin. Ukuran panas dan dingin ini sebenarnya berbeda2 untuk setiap orang. Bayi yang baru lahir bisa langsung menjerit kesakitan kalau diberi minum air hangat atau tangannya ditempelin es batu. Sebaliknya, orang dewasa merasa biasa saja. Ketika menyentuh bara api, mungkin tanganmu langsung kepanasan. Tapi kalau orang yang tangannya kasar menyentuh bara api, panas yang dirasakannya mungkin tidak sedasyat yang dirimu rasakan.

Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain. Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenal dengan julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas biasanya memiliki suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya.

Btw, ukuran panas atau dinginnya suatu benda yang hanya didasarkan pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Apa yang dirasakan oleh setiap orang bisa saja berbeda. Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas yang dirasakan oleh bagian tubuh yang berbeda

SERI EBOOK GURUMUDA


5

bisa saja berbeda. Dirimu bisa membuktikannya dengan melakukan percobaan kecil‐kecilan berikut ini. Siapkan 3 wadah, misalnya 3 gelas. Masukan air panas ke dalam gelas 1 (airnya jangan terlalu panas, nanti tanganmu bisa melepuh). Masukan juga air dingin ke dalam gelas 2. Campurkan air panas dan air dingin, lalu masukkan ke dalam gelas 3. Sekarang tarik napas pendek seratus kali ;) sesak napas tidak ? hiks2… Cuma canda. Silahkan masukkan tangan kananmu ke dalam gelas 1 dan tangan kirimu ke dalam gelas 2. Diamkan selama beberapa saat. Setelah itu, masukkan kedua tanganmu ke dalam gelas 3. Rasanya bagaimana‐kah ? gurumuda yakin, tangan kananmu akan merasa lebih dingin, sebaliknya tangan kirimu merasa lebih hangat. Aneh khan ? padahal airnya sama… si air bikin dirimu kebingungan… :) mau bilang air dalam gelas 3 panas, tangan kananmu bisa ngamuk2… menurut tangan kanan, air dalam gelas 3 dingin. Sebaliknya kalau mau bilang air dalam gelas 3 dingin, tangan kirimu ngamuk2… menurut tangan kiri, air dalam gelas 3 hangat. Hiks2…. Dunia dijungkirbalikkan. Itulah keterbatasan indera manusia….. Oya, percobaan seperti ini pertama kali dilakukan oleh almahrum John Locke pada tahun 1690. Wah, sudah kadaluarsa ;)

Berdasarkan penjelasan panjang pendek dan bertele‐tele di atas, bisa disimpulkan bahwa indera peraba kita memiliki keterbatasan dalam menentukan ukuran panas atau dinginnya suatu benda. Karena indera peraba dkk bisa membuat kita terkecoh, maka kita membutuhkan suatu alat yang bisa digunakan untuk mengukur suhu secara tepat. Alat pengukur suhu yang dimaksud adalah si termometer. Btw, sebelum jalan‐jalan bersama termometer, terlebih dahulu kita pahami konsep keseimbangan termal dan hukum ke‐nol termodinamika.

Keseimbangan Termal dan Hukum Ke‐nol Termodinamika

Dirimu pernah minum es teh‐kah ? atau mungkin es sirup, es susu dkk…. biasanya kalau kita mau minum es teh dkk, kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Jika diperhatikan secara saksama, es batu perlahan‐lahan mulai mencair. Pada saat es batu mencair, air panas yang ada di dalam gelas menjadi dingin. Setelah beberapa menit, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang begitu sejuk dan mengundang selera… apalagi pas lagi gerah atau kepanasan.

Mencampur es batu dengan air panas dalam gelas hanya merupakan salah satu contoh saja. Masih banyak contoh lain yang sering kita lakukan dalam kehidupan sehari‐hari. Kalau kita ingin mandi dengan air hangat, biasanya kita mencampur air mendidih dengan air yang lebih dingin. Ketika kita ingin mendinginkan benda padat, seperti besi panas, kita bisa mencelupkan besi ke dalam air. Apa yang kita lakukan ini kelihatannya sederhana dan sepele. Walaupun demikian, hal tersebut merupakan salah satu konsep yang penting dalam ilmu fisika.

SERI EBOOK GURUMUDA


6

Keseimbangan Termal

Sebagaimana yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, jika kita ingin memperoleh air hangat, kita bisa mencampur air panas dengan air dingin. Kita bisa mengatakan air panas memiliki suhu tinggi sedangkan air dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah dicampur, perlahan‐lahan air panas menjadi dingin (suhu air panas menurun), sebaliknya air dingin menjadi hangat (suhu air dingin meningkat). Beberapa saat kemudian, campuran air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat. Adanya air hangat menunjukkan bahwa suhu campuran air panas dan air dingin telah sama. Ketika campuran air panas dan air dingin mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Proses yang sama juga terjadi ketika kita memasukan es batu ke dalam gelas yang berisi teh hangat. Setelah dimasukan ke dalam gelas, es batu mulai mencair dan air teh yang pada mulanya hangat menjadi dingin. Setelah saling bersenggolan di dalam gelas, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera. Adanya es teh menujukan bahwa suhu campuran sama. Ketika es batu dan teh hangat mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Masih banyak contoh lain. Seandainya dirimu punya koleksi kulkas di rumah, silahkan buka pintu kulkas dan masukan tanganmu ke dalam kulkas tersebut. Tanganmu akan terasa dingin… Sebaiknya tarik tanganmu dari dalam kulkas sebelum terjadi keseimbangan termal dan darah akan membeku ;) hiks2…. Contoh lain dipikirkan sendiri ya….. masih sangat buanyak……

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 suhu yang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal. Untuk memperjelas, amati gambar di bawah….

Ini cuma ilustrasi saja. Gambar ini kayaknya lebih cocok untuk benda padat. Perlu diketahui bahwa benda yang bersentuhan bisa berupa benda padat, cair atau gas. Apabila yang saling bersentuhan adalah benda padat, maka kedua benda bisa ditempelin seperti gambar di atas. Sebaliknya, jika yang saling bersentuhan adalah benda padat dan cairan, maka benda padat dicelupkan ke dalam cairan (misalnya besi yang panas dimasukkan ke dalam air). Apabila yang saling bersentuhan adalah cairan,

SERI EBOOK GURUMUDA


7

maka kita bisa menuangkan salah satu cairan ke dalam cairan lainnya (misalnya mencampur air panas dengan air dingin).

Hukum Ke‐nol Termodinamika

Sejauh ini kita baru meninjau keseimbangan termal yang dialami oleh dua benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C. Amati gambar di bawah…

Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Btw, apakah benda A dan benda B yang tidak saling bersentuhan juga berada dalam keseimbangan termal ?

Kalau cuma main logika, kita bisa mengatakan bahwa benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda C. Benda B dan benda C juga berada dalam keseimbangan termal (suhu benda B = suhu benda C). Karena A = C dan B = C, maka A = B. hiks2….

Berhubung ini bukan permainan logika atau tebak2an, maka perlu dibuktikan melalui percobaan. Dirimu tidak perlu repot2 membuat percobaan karena om dan tante ilmuwan yang sudah pensiun di alam baka telah melakukan percobaan. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga ikut2an berada dalam keseimbangan termal. Hal ini disimpulkan dalam sebaris kalimat indah di bawah ini :

SERI EBOOK GURUMUDA


8

Jika dua benda berada dalam keseimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain.

Ini adalah hukum ke‐0 termodinamika. Kedengarannya agak aneh, jarang‐jarang hukum dimulai dari nol. Kisahnya begini… Setelah para ilmuwan menemukan hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, mereka baru sadar kalau hukum ini belum dinyatakan. Bagaimanapun, hukum ini merupakan dasar bagi hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, maka para ilmuwan harus menyatakannya terlebih dahulu. Munculnya belakangan, lagian ilmuwan juga bingung mau nempelin dimana, ya lebih bagus dan lebih tepat kalau diberi julukan hukum ke‐0 saja.

Oya, nyaris lupa… Hukum ke nol termodinamika sebenarnya mau menyatakan bahwa terdapat suatu kuantitas yang sangat penting dalam fisika, yakni Suhu alias Temperatur… Seandainya ketiga benda yang saling bersentuhan tidak berada dalam keseimbangan termal satu sama lain, maka suhu alias tempertur menjadi sesuatu yang tidak berguna. Bagaimanapun pengalaman kita menunjukkan bahwa keseimbangan termal dapat tercapai apabila benda yang saling bersentuhan mencapai suhu yang sama.

SERI EBOOK GURUMUDA


9

JENIS‐JENIS TERMOMETER DAN PRINSIP KERJA TERMOMETER

Alat yang dirancang untuk mengukur suhu adalah termometer. Terdapat banyak jenis termometer, tetapi prinsip kerjanya sebenarnya sama. Biasanya, kita memanfaatkan materi yang bersifat termometrik (sifat materi yang berubah terhadap temperatur). Maksudnya, kalau suhu materi tersebut berubah, bentuk dan ukuran materi tersebut juga ikut2an berubah. Kebanyakan termometer menggunakan materi yang bisa memuai ketika suhunya berubah.

Termometer yang sering digunakan saat ini terdiri dari tabung kaca, di mana terdapat alkohol atau air raksa pada bagian tengah tabung. Ketika suhu meningkat, alkohol atau air raksa yang berada di dalam wadah akan memuai sehingga panjang kolom alkohol atau air raksa akan bertambah. Sebaliknya, ketika suhu menurun, panjang kolom alkohol atau air raksa akan berkurang. Pada bagian luar tabung kaca terdapat angka‐angka yang merupakan skala termometer tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh ujung kolom alkohol atau air raksa merupakan nilai suhu yang diukur. Lihat gambar…..

Jenis termometer lain yang biasa digunakan adalah termometer yang menggunakan lembaran bimetal (dua logam yang jenisnya berbeda dan kecepatan pemuaiannya juga berbeda). Pada saat suhu meningkat, salah satu logam mengalami pemuaian yang lebih besar dari logam lain. Akibatnya keping tersebut melengkung. Biasanya keping bimetal berbentuk spiral, di mana salah satu ujung keping tetap, sedangkan ujung lain dihubungkan ke penunjuk skala. Ketika suhu berubah, penunjuk akan berputar. Termometer yang menggunakan lembaran bimetal biasanya digunakan sebagai termometer udara biasa, termometer ruangan, termometer oven dll.

SERI EBOOK GURUMUDA


10

Termometer yang lebih akurat alias lebih tepat, biasanya menggunakan sifat elektris suatu materi. Misalnya termometer hambatan. Pada termometer hambatan, biasanya diukur perubahan hambatan listrik suatu kumparan kawat tipis atau silinder karbon atau kristal germanium. Karena hambatan listrik biasanya dapat diukur secara tepat, maka termometer hambatan bisa mengukur suhu secara lebih tepat daripada termometer biasa.

Skala Suhu

Agar termometer bisa digunakan untuk mengukur suhu maka perlu ditetapkan skala suhu. Terdapat 2 skala suhu yang sering digunakan, antara lain skala celcius dan skala Fahrenheit. Skala yang paling banyak digunakan saat ini adalah skala celcius (nama lain skala celcius adalah skala centigrade. Centigrade = seratus langkah). Skala Fahrenheit paling banyak digunakan di Amerika Serikat, mungkin pingin beda sendiri kali ;) Skala suhu yang cukup penting dalam bidang sains adalah skala mutlak alias skala Kelvin. Mengenai skala Kelvin akan kita bahas kemudian (tuh di bawah).

Titik tetap skala celcius dan skala Fahrenheit menggunakan titik beku dan titik didih air. Titik beku suatu zat merupakan temperatur di mana wujud padat dan wujud cair berada dalam keseimbangan (tidak ada perubahan wujud zat). Sebaliknya, titik didih suatu zat merupakan temperatur di mana wujud cair dan wujud gas berada dalam keseimbangan. Perlu diketahui bahwa titik beku dan titik didih selalu berubah terhadap tekanan udara., karenanya tekanan perlu ditetapkan terlebih dahulu. Biasanya kita menggunakan tekanan standar, yakni 1 atm (satu atmosfir)

Skala Celcius

Untuk skala celcius, temperatur titik beku normal air (disebut juga sebagai titik es) dipilih sebagai nol derajat celcius (0o C) dan temperatur titik didih normal air (disebut juga sebagai titik uap) dipilih sebagai seratus derajat celcius (100o C). Di antara titik es dan titik uap terdapat 100 derajat. Pada termometer yang menggunakan skala celcius, temperatur yang lebih rendah dari temperatur titik es biasanya ditandai dengan angka negatif.

Skala Fahrenheit

Om Fahrenheit menghendaki agar semua temperatur yang diukur bernilai positif. Karenanya, ia memilih 0 oF untuk temperatur campuran es dan air garam (temperatur terdingin yang bisa dicapai air). Ketika mengukur temperatur titik es dan titik uap, angka yang ditunjukkan pada skala Fahrenheit berupa bilangan pecahan. Akhirnya beliau mengoprek lagi skalanya sehingga temperatur titik es dan titik uap berupa bilangan bulat.

SERI EBOOK GURUMUDA


11

Untuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih sebagai 32 derajat Fahrenheit (32o F) dan temperatur titik titik didih normal air (titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212o F). Di antara titik es dan titik uap terdapat 180 derajat.

Normal tuh maksudnya di dalam air tidak ada unsur lain, tidak ada garam, tidak ada gula, tidak ada teh, tidak ada susu ;). Jadi murni H20

Konversi skala Suhu

Sekarang mari kita bermain oprek2an. Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan skala om Fahrenheit dan skala om Celcius. Karena kedua skala ini berbeda, maka alangkah baiknya jika kita belajar mengoprek skala celcius menjadi skala fahrenheit. Demikian juga sebaliknya, skala fahrenheit dioprek menjadi skala celcius.

Catatan :

Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu, maka kita menyebutnya derajat Celcius (oC) atau derajat Fahrenheit (oF). Contoh : Pada tekanan 1 atm, suhu air panas = 100 oC atau 180 oF. Suhu tubuh saya = 98 oF. Sebaliknya, jika kita mengatakan perubahan suhu atau selisih suhu, maka kita menyebutnya Celcius derajat (Co) atau Fahrenheit derajat (Fo). Contoh : suhu air mula‐mula 20 oC. Setelah dipanaskan, suhunya berubah menjadi 50 oC. Dengan demikian, air mengalami perubahan suhu sebesar 30 Celcius derajat (30 Co). lanjut ya….

Pada tekanan 1 atm, suhu titik es untuk termometer berskala celcius = 0 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 32 oF. Sebaliknya, pada tekanan 1 atm, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius = 100 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 212 oF. Amati gambar di bawah….

SERI EBOOK GURUMUDA


12

Untuk memudahkanmu mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit atau mengoprek skala Fahrenheit menjadi skala Celcius, ingat saja 0 oC = 32 oF dan 100 oC = 212 oF. Sambil lihat gambar di atas… Pada skala Celcius, antara 0 oC sampai 100 oC terdapat 100o. Sedangkan pada skala Fahrenheit, antara 32 oF sampai 212 oF terdapat 180o.

Mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit

TF = 100180

TC + 32o

TF = 59TC + 32

o

Untuk memperoleh suhu dalam skala Fahrenheit (TF), kalikan terlebih dahulu suhu dalam skala Celcius (TC) dengan 9/5. Setelah itu tambahkan dengan 32o

Contoh soal 1 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 60 oC. Berapakah suhu air panas dalam skala Fahrenheit ?

Panduan jawaban :

Guampang kok…. Kalikan terlebih dahulu 60 oC dengan 9/5. Setelah itu baru tambahkan dengan 32o. 60 x 9/5 = 108. 108 + 32 = 140 oF. kesimpulannya, 60 oC = 140 oF

Mengubah skala Fahrenheit menjadi skala Celcius

TC = 180100

(TF ‐ 32o )

TC = 95(TF ‐ 32

o)

Untuk memperoleh suhu dalam skala Celcius (TC), kurangi terlebih dahulu suhu dalam skala Fahrenheit (TF) dengan 32

o, setelah itu baru kalikan dengan 5/9. Jangan pake hafal tuh rumus, ntar dirimu bisa pusink seribu keliling……. Syukur kalau cuma pusink. Pas mau ujian rumusnya lupa ;) wah, jadi stress seribu keliling

Contoh soal 2 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 140 oF. Berapakah suhu air panas dalam skala Celcius ?

SERI EBOOK GURUMUDA


13

Panduan jawaban :

Ini mah anak sd juga bisa oprek ;) Kurangi dulu 140 oF dengan 32o. Setelah itu baru kalikan dengan 5/9. 140 – 32 = 108. 108 x 5/9 = 60 oC

Kalibrasi Termometer

Kalibrasi tuh proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut ini beberapa petunjuk dari gurumuda…

Langkah pertama, keluarkan duit dari dompet dan beli‐lah sebuah termometer air raksa tanpa skala. Syukur kalau di laboratorium sekolahmu sudah ada. Langkah kedua, keluarkan duit dari dompet dan beli‐lah es batu secukupnya. Langkah ketiga, curi air punya tetangga secukupnya. Langkah keempat, siapkan sebuah pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan si air hingga mendidih.

Masukan es batu dan air ke dalam sebuah wadah (usahakan air dan es batu sama banyak). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air dan es batu tersebut. Karena pada mulanya termometer lebih panas dari air es, maka setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom air raksa akan berkurang. Biarkan sampai panjang kolom air raksa tidak berubah (si air raksa tidak jalan‐jalan lagi). Ketika panjang kolom air raksa tidak berubah, campuran es batu dan air telah berada dalam keseimbangan termal. Tandai posisi kolom air raksa tersebut (tandai bagian ujung kolom air raksa). Ini adalah suhu titik es alias titik beku normal air. Amati gambar di bawah biar paham.

Air sudah dipanaskan belum ? kalau belum, silahkan memanaskan air. Masukkan si termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Tunggu sampai si air kepanasan dan berdisko ria dalam wadah (maksudnya si air mendidih). Jika panjang kolom air raksa sudah tidak berubah lagi, tandai ujung kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih normal air alias titik uap. Amati gambar di bawah.

SERI EBOOK GURUMUDA


14

Jika dirimu ingin membuat skala Celcius, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 100 garis/titik. Usahakan jarak antara setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 0o C, sedangkan tanda bagian atas = 100o C. Lihat gambar di bawah…

Jika dirimu ingin membuat skala Fahrenheit, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 180 garis/titik. Usahakan panjang setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 32 oF, sedangkan tanda bagian atas = 212 oF. 32 oF tuh baru suhu titik es. Karenanya dirimu bisa menambahkan garis atau titik sampai 0 oF. Tambahkan juga garis/titik di sebelah atas 212 oF. Panjang setiap garis/titik harus sama dengan sebelumnya.

Catatan :

SERI EBOOK GURUMUDA


15

Suhu titik es dan suhu titik uap tergantung pada tekanan udara. Karenanya termometer yang dikalibrasi di tempat yang tekanannya berbeda akan memberikan hasil berbeda. Termometer biasa seperti termometer air raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah atau suhu yang sangat tinggi.

Termometer Gas Volume‐Konstan dan Skala Kelvin

Sebelumnya kita sudah mempelajari cara mengkalibrasi suatu termometer. Termometer yang kita gunakan adalah termometer air raksa yang belum punya skala. Btw, seandainya kita mengkalibrasi 2 termometer yang jenisnya berbeda, misalnya termometer air raksa dan termometer alkohol, skala kedua termometer tersebut mungkin hanya cocok pada 0 oC (atau 32 oF) dan 100 oC (atau 212 oF). Apabila kita menggunakan kedua termometer tersebut untuk mengukur suhu ruangan, angka yang ditunjukkan belum tentu sama. Bisa saja termometer air raksa menujukkan angka 48 oC, sedangkan termometer alkohol menunjukkan angka 46 oC. Hal ini disebabkan karena kecepatan pemuaian setiap materi berbeda2. Demikian juga dengan jenis termometer yang lain, seperti termometer bimetal dkk. Skala suhu yang ditetapkan dengan cara ini sangat bergantung pada sifat materi yang digunakan. Materi yang gurumuda maksud adalah si air raksa, alkohol, keping bimetal dkk.

Karena skala suhu yang ditetapkan menggunakan termometer biasa mempunyai keterbatasan (skala suhu tergantung pada sifat materi yang digunakan), maka kita membutuhkan sebuah termometer standar. Adanya termometer standar membantu kita untuk menetapkan skala suhu secara lebih tepat, tanpa harus bergantung pada sifat suatu materi.

Termometer yang nyaris sempurna/ideal adalah termometer gas volume‐konstan. Prinsip kerja si termometer gas volume‐konstan adalah sebagai berikut. Volume gas dijaga agar selalu tetap alias tidak berubah. Nah, ketika suhu bertambah, tekanan gas juga ikut2an bertambah.

SERI EBOOK GURUMUDA


16

Ini cuma gambaran kasarnya saja. Termometer gas volume konstan sekarang canggih2... Dalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu konstan, dengan cara menaikan atau menurunkan pipa 2 sehingga permukaan air raksa dalam pipa 1 selalu berada pada tanda acuan. Jika suhu alias temperatur meningkat, tekanan gas dalam tabung juga ikut2an bertambah. Karenanya, pipa 2 harus diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan. Tekanan gas bisa diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2. Kalau pakai cara manual, ingat saja kolom air raksa setinggi 760 mm = tekanan 1 atm (1 atmosfir). Mengenai hal ini bisa dipelajari pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida. Materinya sudah ada di blog ini. Biasanya pada termometer gas volume konstan yang canggih sudah ada alat penghitung tekanan. Wadah yang berisi gas juga sudah dirancang agar gas selalu berada dalam volume yang tetap. Jadi yang diukur cuma perubahan tekanannya saja...

Untuk mengkalibrasi termometer gas volume konstan, kita bisa mengukur tekanan gas pada 2 suhu. Misalnya kita gunakan suhu titik es dan suhu titik uap. Suhu titik es dan suhu titik uap bergantung pada tekanan udara. Biasanya pada tekanan 1 atm, suhu titik es = 0 oC dan suhu titik uap = 100 oC. Anggap saja kita mengkalibrasi termometer gas volume konstan pada tempat yang mempunyai tekanan udara 1 atm.

Pertama, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 harus diturunkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan. Btw, kalau pakai termometer gas yang canggih, tabung yang berisi gas langsung dicelup saja ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Sudah ada alat pengukur tekanan, tinggal dibaca saja tekanan gas berapa... Catat besar tekanan gas tersebut (anggap saja ini tekanan 1 = P1)

SERI EBOOK GURUMUDA


17

Kedua, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi air yang lagi dipanaskan. Seperti biasa, volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 dinaikkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan gas.... (anggap saja ini tekanan 2 = P2)

Ketiga, buat grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan suhu... lihat contoh di bawah.

P1 adalah tekanan gas untuk suhu titik es (0 oC) dan P2 adalah tekanan gas untuk suhu titik uap (100

oC). Gambarkan sebuah garis yang menghubungkan titik temu P1 dan 0

oC dan titik temu P2 dan 100 oC.

Dengan berpedoman pada grafik, walaupun kita hanya mengetahui besar tekanan gas, besar suhu juga bisa diketahui dengan mudah bahkan bisa diramalkan.

Skala Kelvin

Sekarang tataplah grafik di atas dengan penuh kelembutan..... Jika garis miring ditarik ke kiri sampai memotong sumbu T oC, kita akan menemukan bahwa ketika tekanan gas = 0, besar suhu = ‐273,15 oC. Mungkin kita berpikir bahwa besar suhu tersebut berbeda‐beda, tergantung pada jenis gas yang dikurung dalam tabung termometer gas volume konstan. Btw, berdasarkan hasil percobaan, walaupun jenis gas berbeda, ketika tekanan gas menjadi nol, besar suhu tetap bernilai ‐273,15 oC. Dengan demikian, kita bisa menggunakan besar suhu ini sebagai patokan skala suhu (disebut juga sebagai suhu alias temperatur nol mutlak).

Temperatur nol mutlak ini dikenal dengan julukan skala mutlak alias skala suhu Kelvin. Kirain skala suhu gurumuda ;) Kelvin adalah nama almahrum Lord Kelvin (1824‐1907), mantan fisikawan Inggris. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka, karenanya gurumuda menyebutnya mantan fisikawan. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K). Selang antara derajat sama sperti pada skala celcius, tetapi harga nol digeser hingga 0 K. Jadi 0 K = ‐273,15 oC dan 273,15 K = 0 oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis, bisa ditulis sebagai berikut :

T (K) = T (oC) + 273,15

SERI EBOOK GURUMUDA


18

T (oC) = T (K) ‐ 273,15

Contoh soal 1 :

20 oC = .... K ?

Panduan juawaban....

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Contoh soal 2 :

293,15 K = .... oC ?

Panduan juawaban....

T = 293,15 ‐ 273,15

T = 20 oC

Contoh soal 3 :

100 oF = ..... K ?

Yang ini buat PR di rumah ;) ubah dulu si Fahrenheit ke Celcius. Setelah itu baru ubah si celcius ke Kelvin. Guampang kok.....

SERI EBOOK GURUMUDA


19

KALOR DAN PERUBAHAN WUJUD

Katanya kalau orang yang gemuk ingin mengurangi lemak, maka ia harus banyak berolahraga, misalnya lari‐lari di malam hari ;) atau berenang di kolam renang. Pokoknya olahraga‐lah…. Kenapa ya, si gemuk di suruh harus banyak olahraga. Semuanya kok mau jadi atlet..…

Btw, dirimu suka makan khan ? ya, iyalah… paling hobi kalau soal makan. Pagi ngemil, sore pun ngemil… Kalau beli biskuit, dirimu biasa baca2 tulisan yang ada di bungkusan tidak ? Protein 30 kkal. lemak 20 kkal. karbohidrat 40 kkal. besi 10 kkal. batu 15 kkal. pasir 90 kkal… tuh maksudnya apa ya ? Bingung‐kah ? hiks2.… Met belajar ya….

Catatan :

Lebih baik gurumuda pakai istilah kalor saja. Memang nama lain dari kalor adalah panas, tapi nanti dirimu bisa bingung… Masalahnya kata panas (dalam hal ini panas = kalor), mirip dengan kata panas dalam kalimat : tubuh yang panas, air panas dkk. Jadi biar lebih aman, gurumuda pakai kata kalor saja. Btw, dirimu jangan lupa ya, nama lain dari kalor tuh panas…

Konsep Kalor

Pernah minum es teh, es susu, es sirup dkk ? Nah, ketika membuat es teh, biasanya kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Air panas atau air hangat memiliki suhu yang lebih tinggi, sebaliknya es batu memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah bersenggolan beberapa saat, campuran es batu dan teh panas pun berubah menjadi es teh (campuran es batu dan teh hangat telah mencapai suhu yang sama). Proses yang sama terjadi ketika kita mencampur air panas dengan air dingin. Setelah bersentuhan, air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat… (Campuran air panas dan air dingin telah mencapai suhu yang sama). Btw, mengapa bisa terjadi seperti itu ? maksudnya, mengapa setelah bersentuhan benda‐benda tersebut bisa mencapai suhu yang sama ? bingun, sebel, pusink… huft. he2…

Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor mengalir dari besi menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu (misalnya kalau dirimu lagi demam), kalor mengalir dari tubuhmu menuju termometer. Kalor akan

SERI EBOOK GURUMUDA


20

berhenti mengalir kalau tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Kalau termometernya pakai air raksa, maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, air raksa tidak jalan‐jalan lagi. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu. Kalau termometer yang dipakai berupa termometer digital, angka pada bagian tengah termometer akan terhenti setelah tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama. Angka yang ditunjukkan termometer adalah suhu tubuhmu.

Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan. Jangan tanya gurumuda mengapa demikian… dari sononya memang sudah begitu. Mirip seperti kalau dirimu lihat cewek atau cowok cakep, dirimu penasaran. Lagi kangen berat sama pacar, malamnya cuma bolak balik di tempat tidur. Mengapa bisa demikian ? dari sononya sudah begitu :) mengapa laki2 harus kawin dengan perempuan ? dari sononya sudah begitu… mengapa tikus tidak pacaran dengan kucing ? dari sononya sudah begitu…

Pada abad ke‐18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.

Pada abad ke‐19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818‐1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka

SERI EBOOK GURUMUDA


21

kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.

Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).

Dirimu jangan pake bingung dengan konsep usaha dan energi ini… Mirip seperti ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok. Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi dalam tubuhmu berkurang, di mana sebagian energi dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa motor, v = kecepatan motor). Energi sepeda motor ini sebenarnya berasal dari energi tubuhmu. Kesimpulan : kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha/kerja pada motor, energi dari tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor. Kasus ini mirip dengan percobaan om Jimi di atas. Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari pengaduk ini yang membuat si air kepanasan (suhu air meningkat).

Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena adanya aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat).

Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakan pemindahan energi. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu). Kalor adalah energi yang berpindah. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi‐lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda2 yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.

SERI EBOOK GURUMUDA


22

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 Co (Tepatnya dari 14,5 oC menjadi 15,5 oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda2 untuk suhu air yang berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 oC hanya terjadi antara suhu 14,5 oC sampai 15,5 oC. Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).

Satuan kalor untuk sistem Bristish adalah Btu (British thermal unit = satuan termal Inggris). 1 Btu = jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pound air sebesar 1 Fo (Tepatnya dari 63 oF menjadi 64 oF) .

Kalor memiliki keterkaitan dengan energi (Dalam hal ini, kalor merupakan “energi yang berpindah”), karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh om Jimi dan percobaan2 sejenis lainnya, diketahui bahwa usaha alias kerja sebesar 4,186 Joule setara dengan 1 kalori kalor.

1 kalori = 4,186 Joule

1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule

(1 kalori = 4,186 Joule dan 1 kkal = 4186 dikenal dengan julukan tara kalor mekanik)

Lambang kalor adalah Q

Catatan :

Pertama, kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule. Gunakan tara kalor mekanik di atas untuk mengoprek Joule ke kal dan kkal, atau sebaliknya kal dan kkal dioprek menjadi Joule.

Contoh soal 1 :

Pada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ?

Panduan Jawaban :

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

SERI EBOOK GURUMUDA


23

10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule

Catatan :

Tubuh kita tidak mengubah semua karbohidrat menjadi energi. Sebagian energi pasti terbuang selama berlangsungnya proses pencernaan….. Efisiensinya sebesar 20 %. Jadi hanya 20 % yang dipakai tubuh, 80 % energi terbuang.

Contoh soal 2 :

Setelah menghabiskan banyak cemilan, seorang gadis yang sangat cantik baru sadar kalau ia telah kelebihan makan 200 Kalori (huruf K besar). Si gadis ingin mengurangi kelebihan energi yang diperolehnya dari cemilan. Karenanya ia memutuskan untuk mengangkat batu dari permukaan tanah hingga ketinggian 1 meter. Jika massa batu = 10 kg, berapa kalikah si gadis harus mengangkat batu tersebut ?

Panduan Jawaban :

1 Kalori = 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

200 kkal = (200)(4186 Joule) = 837.200 Joule

Ketika mengangkat batu, si gadis melakukan usaha alias kerja pada batu. Besarnya usaha yang dilakukan adalah :

Usaha (W) = Gaya (F) x Perpindahan (s) = Gaya berat (w) x ketinggian (h) = massa (m) x percepatan gravitasi (g) x Ketinggian (h)

Usaha (W) = (10 kg)(10 m/s2)(1 m)

Usaha (W) = 100 N.m = 100 Joule

Untuk mengangkat batu setinggi 1 meter, besarnya usaha yang dilakukan = 100 Joule. Pertanyaannya, berapa kali si gadis harus mengangkat batu…

837.200 Joule / 100 Joule = 8372.

Hahaha….. si gadis harus mengangkat batu 8372 kali ;) sampai teler

Catatan :

Pertama, tidak semua makanan diubah menjadi energi. Selama proses pencernaan, pasti ada energi yang terbuang. Kedua, jika gadis tersebut mengangkat batu bermassa 10 kg hingga ketinggian 1 meter

SERI EBOOK GURUMUDA


24

maka ia harus mengangkat batu tersebut sebanyak 8372 kali. Jika gadis tersebut tidak ingin mengangkat batu sebanyak 8372 kali, ia bisa menambah massa batu atau menambah ketinggian.

Persamaan Kalor

Jika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, dengan sendirinya kalor mengalir dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang memiliki suhu rendah. Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda mencapai suhu yang sama. Kita bisa mengatakan bahwa aliran kalor menyebabkan perubahan suhu pada benda yang bersentuhan. Berdasarkan penjelasan singkat ini, bisa disimpulkan bahwa kalor (Q) memiliki keterkaitan dengan suatu benda dan perubahan suhu (delta T) yang dialami benda tersebut. Ingat ya, setiap benda pasti mempunyai massa (m) dan jenis benda juga berbeda‐beda.

Pada kesempatan ini, kita mencoba menyelidiki bagaimana hubungan antara jumlah kalor (Q) dengan besarnya perubahan suhu (delta T), massa benda dan jenis benda. Untuk membantu menurunkan hubungan ini, alangkah baiknya jika kita tinjau 2 benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Misalnya kita memanaskan air menggunakan nyala api kompor.

Catatan :

Perlu diketahui bahwa gurumuda hanya membuat penalaran saja dan contoh yang gurumuda pakai juga dekat dengan kehidupanmu, karenanya mudah2an dirimu cepat paham. Kalau bingung dengan penjelasan gurumuda, dirimu bisa melakukan percobaan (di rumah atau di sekolah).

Hubungan antara Kalor (Q) dan Perubahan suhu (delta T)

Misalnya kita ingin memanaskan segelas air. Setelah dipanaskan, suhu air pasti bertambah (air mengalami perubahan suhu). Apabila nyala api kecil, perubahan suhu yang dialami air juga kecil. Sebaliknya jika ketika memanaskan air, nyala api lebih besar, perubahan suhu yang dialami air pasti lebih besar (air lebih cepat panas)

Untuk membantu memahami persoalan ini, coba lakukan percobaan kecil2an berikut ini. Sediakan dua gelas air, termometer dan pemanas air (gunakan pemanas yang bisa dikontrol, misalnya kompor dll). Percobaan 1 : Masukan segelas air dalam sebuah wadah dan panaskan air tersebut selama 5 menit. Gunakan termometer untuk mengukur suhu akhir (suhu air setelah dipanaskan selama 5 menit). Catat suhu air tersebut… Percobaan 2 : Kalau wadahnya masih panas, dinginkan terlebih dahulu. Buang saja air yang sudah kepanasan tadi dan ganti dengan segelas air yang masih dingin. Kali ini nyala api diperbesar 2 kali… Silahkan panaskan air tersebut selama 5 menit. Setelah itu ukur suhu akhir air… Bandingkan suhu akhir air yang diperoleh pada percobaan 2 dengan percobaan 1. Manakah yang mengalami perubahan suhu yang lebih besar ? Kalau percobaan dilakukan dengan baik dan benar,

SERI EBOOK GURUMUDA


25

dirimu pasti setuju kalau gurumuda mengatakan bahwa perubahan suhu air dalam percobaan 2 lebih besar daripada perubahan suhu air pada percobaan 1.

Nyala api dalam percobaan mewakili jumlah kalor (Q). Pada percobaan 1, nyala api kecil (Q kecil). Sebaliknya pada percobaan 2, nyala api besar (Q besar). Apabila Q kecil, perubahan suhu juga kecil. Sebaliknya jika Q besar, perubahan suhu juga besar. Semakin besar Q, semakin besar perubahan suhu benda. Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan perubahan suhu yang dialami benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

→Δ∝ TQ Persamaan 1

Keterangan :

∝ = Sebanding

Q = Kalor

TΔ = T2 – T1 = Perubahan suhu

T1 = suhu awal

T2 = suhu akhir

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m)

Sekarang mari kita tinjau hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m). Mula‐mula kita memanaskan segelas air, setelah itu kita memanaskan 2 gelas air. Jika nyala api sama dan suhu air mula2 juga sama, manakah yang lebih cepat panas : segelas air atau 2 gelas air ? Jika dirimu pernah memanaskan air, dirimu akan setuju kalau gurumuda mengatakan segelas air akan lebih cepat panas daripada 2 gelas air. Dengan kata lain, untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air membutuhkan selang waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan 2 gelas air. Jika kita ingin agar selang waktu kenaikan suhu segelas air dan 2 gelas air sama, maka ketika memanaskan 2 gelas air, nyala api harus diperbesar 2 kali.

Besarnya nyala api mewakili jumlah kalor (Q) sedangkan segelas air dan 2 gelas air mewakili massa air tersebut. Segelas air mempunyai massa (m) yang lebih kecil, sedangkan 2 gelas air mempunyai massa (m) yang lebih besar. Untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air (m kecil) membutuhkan nyala api yang lebih kecil (Q kecil) sedangkan 2 gelas air (m besar) membutuhkan nyala api yang lebih besar (Q besar). Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa air. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa (m) dapat ditulis sebagai berikut :

→∝ mQ Persamaan 2

SERI EBOOK GURUMUDA


26

Keterangan :

∝ = Sebanding

Q = Kalor

m = Perubahan suhu

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan Jenis benda (m)

Untuk membantu menurunkan hubungan antara kalor (Q) dan jenis benda, lakukan percobaan berikut ini. Siapkan sepotong besi dan sepotong kayu (usahakan panjangnya harus sama). Panaskan besi dan kayu tersebut dengan nyala lilin. Walaupun nyala lilin sama, biasanya besi akan lebih cepat panas daripada kayu (malah kayu bisa kebakar ;) ). Pada dasarnya, jika jenis benda berbeda maka perubahan suhu yang dialami benda juga berbeda‐beda. Hal ini disebabkan karena sifat setiap benda berbeda. Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :

→∝ cQ Persamaan 3

Keterangan :

∝ = Sebanding

Q = Kalor

c = kalor jenis (kharakteristik/sifat/ciri khas suatu benda)

Persamaan 1, persamaan 2 dan persamaan 3 bisa ditulis kembali sebagai berikut :

TmcQ Δ∝

→Δ= TmcQ Persamaan Kalor (Q)

Persamaan ini menyatakan hubungan antara Kalor (Q) dengan massa benda (m), kalor jenis (c) dan perubahan suhu (delta T).

Keterangan :

Q = Kalor

m = Massa benda

SERI EBOOK GURUMUDA


27

c = Kalor jenis

TΔ = T2 – T1 = Perubahan suhu

T2 = Suhu akhir

T1 = Suhu awal

Kalor Jenis (c – huruf c kecil)

Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :

TmQcΔ

=

Keterangan :

c = kalor jenis

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T2) – suhu awal (T1). Satuannya K

(J = Joule, K = Kelvin)

Satuan kalor jenis (c)

Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :

TmQcΔ

=

))(( SatuanSuhuaSatuanMassrSatuanKaloc =

SERI EBOOK GURUMUDA


28

KKgJc.

=

Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K

Kapasitas Kalor (C – huruf C besar)

Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

Satuan kapasitas kalor (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

mcC =

( )( )rJenisSatuanKaloaSatuanMassC =

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

KKgJKgC.

KJC =

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

SERI EBOOK GURUMUDA


29

Tabel Kalor Jenis benda (Pada tekanan 1 atm dan suhu 20 oC)

Catatan :

Kalor jenis benda biasanya bergantung pada suhu. Btw, apabila perubahan suhu tidak terlalu besar maka besar kalor jenis bisa dianggap tetap

Jenis Benda Kalor Jenis (c)

J/kg Co kkal/kg Co

Air 4180 1,00

Alkohol (ethyl) 2400 0,57

Es 2100 0,50

Kayu 1700 0,40

Aluminium 900 0,22

Marmer 860 0,20

Kaca 840 0,20

Besi / baja 450 0,11

Tembaga 390 0,093

Perak 230 0,056

Raksa 140 0,034

Timah hitam 130 0,031

Emas 126 0,030

Contoh soal 1 :

Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebuah kawat tembaga yang bermassa 2 kg, dari 20 oC sampai 80 oC ?

Panduan Jawaban :

SERI EBOOK GURUMUDA


30

m tembaga = 2 kg

c tembaga = 390 J/kg oC

T1 = 20 oC

T2 = 80 oC

TΔ = 80 oC – 20 oC = 60 Co

TmcQ Δ=

)60)(./390)(2( CCKgJKgQ oo=

=Q 46800 J = 46,8 kJ (Kilo Joule)

Contoh soal 2 :

Berapakah kalor yang harus dilepaskan untuk menurunkan suhu lempeng besi yang bermassa 20 kg, dari 80 oC menjadi 20 oC ?

Panduan Jawaban :

m besi = 20 kg

c besi = 450 J/kg oC

T1 = 80 oC

T2 = 20 oC

TΔ = 20 oC – 80 oC = ‐60 Co

TmcQ Δ=

)60)(./450)(20( CCKgJKgQ oo −=

=Q ‐540.000 J = ‐540 kJ

Tanda negatif menunjukkan bahwa kalor tersebut dilepas

SERI EBOOK GURUMUDA


31

Kalor Laten

Apabila kita memanaskan suatu benda, air misalnya, semakin lama si air bersentuhan dengan sumber panas (misalnya nyala api), suhu air semakin bertambah. Dalam hal ini air mengalami perubahan suhu akibat adanya tambahan kalor dari nyala api. Perlu diketahui bahwa adanya tambahan kalor tidak selamanya menyebabkan perubahan suhu. Hal ini biasanya terjadi selama proses perubahan wujud suatu benda. Untuk membuktikan hal ini, dirimu bisa melakukan percobaan kecil2an berikut ini…

Siapkan es batu secukupnya, termometer dan pemanas (gunakan saja pemanas listrik kalau ada). Masukan termometer ke dalam wadah yang berisi es batu dan tunggu sampai permukaan air raksa berhenti bergerak. Selanjutnya, nyalakan pemanas listrik. Karena mendapat tambahan kalor dari pemanas listrik maka es batu perlahan‐lahan mencair. Seiring dengan mencairnya es batu, permukaan air raksa dalam termometer akan bergerak naik. Meskipun es batu selalu mendapat tambahan kalor, pada suatu titik tertentu, permukaan air raksa akan berhenti bergerak selama beberapa saat. Es batu memang tetap mencair, tapi suhunya tidak berubah. Biasanya hal ini terjadi pada titik es alias titik beku normal air. Pada tekanan atm, titik es berada pada 0 oC. Ingat ya, titik es berubah terhadap tekanan, karenanya termometer yang dirimu pakai belum tentu menunjuk angka 0 oC.

Setelah parkir sebentar di titik es, permukaan air raksa akan jalan‐jalan lagi. Semakin banyak kalor yang diserap air, semakin panas air tersebut. Bertambahnya suhu air ditunjukkan oleh kenaikan permukaan air raksa dalam termometer. Walaupun tetap mendapat tambahan kalor, ketika suhu air mencapai titik uap alias titik didih normal air, permukaan air raksa akan berhenti jalan‐jalan (suhu air tetap). Pada tekanan atm, titik uap berada pada 100 oC. Tambahan kalor yang diperoleh air dari pemanas listrik tidak membuat suhu air berubah. Tambahan kalor tersebut hanya mengubah air menjadi uap. Amati grafik di bawah….

SERI EBOOK GURUMUDA


32

Grafik ini menunjukkan proses perubahan suhu dan perubahan wujud air setelah pendapat tambahan kalor (pada tekanan 1 atm). Penambahan kalor dari b – c tidak menyebabkan perubahan suhu, tetapi hanya meleburkan es menjadi air. Demikian juga penambahan kalor dari d – e hanya mengubah air menjadi uap. Air hanya salah satu contoh saja. Pada dasarnya semua benda akan mengalami proses yang sama jika benda tersebut dipanaskan.

Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud padat menjadi cair disebut kalor peleburan. Kalor peleburan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari cair menjadi padat. Lambang kalor lebur = LF (F = fusion). Perlu diketahui bahwa kalor yang terlibat dalam perubahan wujud benda tidak hanya bergantung pada kalor peleburan saja, tetapi juga massa benda tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Q = m LF

Keterangan :

Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses pencairan atau pembekuan

m = massa benda

LF = Kalor peleburan

SERI EBOOK GURUMUDA


33

Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud cair ke gas dinamakan kalor penguapan. Kalor penguapan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari gas menjadi cair. Lambang kalor penguapan = LV (v = vaporization). Secara matematis, kalor yang diperlukan atau kalor yang dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan bisa ditulis sebagai berikut :

Q = m LV

Keterangan :

Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan

m = massa benda

LF = Kalor penguapan

Kalor Peleburan dan Kalor Penguapan dikenal juga dengan julukan Kalor Laten. Lambang kalor Laten = L

Catatan :

Setiap benda mempunyai titik lebur dan titik didih yang berbeda‐beda. Kalor peleburan dan kalor penguapan setiap benda juga berbeda2. Lihat tabel di bawah.

Benda Titik lebur Kalor lebur (LF) Titik didih Kalor penguapan (LV)

K oC J/Kg Kkal/Kg = Kal/g

K oC J/Kg Kkal/Kg = Kal/g

Helium ‐ ‐ ‐ ‐ 4,126 ‐268,93 20,9 x 103 5

Hidrogen 13,84 ‐259,31 58,6 x 103 14,1 20,26 ‐252,89 452 x 103 108,5

Nitrogen 63,18 ‐210 26 x 103 6,2 77,38 ‐195,8 200 x 103 48

Oksigen 54,36 ‐218,79 14 x 103 3,3 90,15 ‐183 210 x 103 51

Etanol 159 ‐114 104,2 x 103 239,75 351,15 78 850 x 103 204

Amonia 195,35 ‐77,8 33 x 103 8,0 239,75 ‐33,4 137 x 103 33

Raksa 234 ‐39 11,8 x 103 2,8 630 357 272 x 103 65,3

SERI EBOOK GURUMUDA


34

Air 273,15 0 334 x 103 79,5 373,15 100 2256 x 103 539

Sulfur 392 119 38,1 x 103 9,1 717,75 444,60 326 x 103 78,2

Timbal 600,5 327,3 24,5 x 103 5,9 2023 1750 871 x 103 209

Perak 1233,95 960,80 88,3 x 103 21,2 2466 2193 2336 x 103 560,6

Besi 2081,15 1808 289 x 103 69,1 3296,15 3023 6340 x 103 1520

Tembaga 1356 1083 134 x 103 32,2 1460 1187 5069 x 103 1216,6

Emas 1336,15 1063,00 64,5 x 103 15,5 2933 2660 1578 x 103 378,7

Contoh soal 1 :

Berapakah tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air ?

Panduan Jawaban :

Q = mLF ‐‐‐‐ LF air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)

Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)

Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)


397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

Untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air, diperlukan tambahan kalor sebesar 397 kkal atau tambahan energi sebesar 1,66 Joule

Contoh soal 2 :

Berapakah jumlah kalor yang harus dilepaskan untuk mengubah 5 kg air menjadi es ?

Panduan Jawaban :

Q = mLF ‐‐‐‐ LF air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)

Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)

SERI EBOOK GURUMUDA


35

Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)


397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

Untuk mengubah 5 kg air menjadi es, kalor yang harus dilepaskan = 397 kkal atau pengurangan energi sebesar 1,66 Joule

Contoh soal 3 :

Berapakah energi yang diperlukan untuk mencairkan 2 kg emas ?

Panduan jawaban :

Q = mLF ‐‐‐‐ LF emas = 64,5 x 103 J/kg (lihat tabel)

Q = (2 kg) (64,5 x 103 J/kg)

Q = 129 x 103 Joule

Catatan :

Perubahan wujud suatu benda dapat dijelaskan secara lengkap dalam pokok bahasan Teori Kinetik Gas (materi Kelas XI).

SERI EBOOK GURUMUDA


36

Referensi :

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik–Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Kalor dan perubahan wujud

Documents

Transcript of Kalor dan perubahan wujud