1.1 Materi Pokok

2.3.1 Suhu dan kalor

A. Suhu Dan Termometer.

Suhu merupakan salah satu besaran pokok dalam fisika,pada saat SMP, suhu didefenisikan

sebagai ukuran atau derajat panas dinginya suatu benda atau sistem. Namun hakikatnya,suhu

adalah ukuran energi kinetik rata –rata yang dimiliki oleh molekul- molekul suatu benda.

Suhu pada suatu benda dapat mengalami perubahan. Perubahan suhu tersebut dapat

mengakibatkan berubahnya sift – sifat benda. Sifat –sifat benda yang dapat berubah akibat

adanya perubahan suhu yang disebut “ Sifat Termometrik’’. Sifat –sifat termometrik zat pada

berupa :

1. Pemuaian zat padat

2. Pemuaian zat cair

3. Pemuaian gas

4. Tekanan zat cair

5. Tekanan udara

6. Rengangan zat padat

7. Hambatan zat terhadap arus listrik

8. Intesistas cahaya (radiasi benda)

B. Termometer

Termometer adalah alat untuk mengukur suhu suatu benda. Berdasarkan pada sifat – sifat

termometrik zat, dapat di buat berbagai jenis termometer seperti yang terlihat di bawah ini :

Jenis

termometer

Jangkauan

Ukur suhu ( C)

Sifat termometrik zat

Air raksa

Dalam pipa

-39s/d.500 Volum zat cair bertambah (memuai) jika

dipanaskan dan berkurang (menyusut) jika

didinginkan.

Hambatan

Platina

-200s/d.1.200 Hambatan listrik pada seuntas kawat logam

akan bertambah jika dinaskan.

Termokopel -250s/d.1.500 Perbedaan pemuaian antara dua logam

berbeda yang ujungnya disentuhkan akan

menghasilkan gaya gerak listrik (ggl).

Gas volum

Konstan

-270s/d.1.500 Gas yang dipanaskan pada volum tetap

mengakibatkan bertambahnya tekanan.

pyrometer Diatas.1.000 Intesitas radiasi yang dipancarkan oleh

benda yang sangat panas.

Pembuatan skala pada termometer memerlukan dua titik referensi, yaitu titik tetap atas

atau yang disebut titik didih, dan titik tetap bawah atau yang disebut titik beku.

Terdapat empat macam skala yang bisa digunakan dalam pengukuran suhu yaitu : skala

Celsius, skala Reamur , skala Farhreheit, dan skala Kelvin. Dan perbandingan antara keempat

skala tersebut diperlihatakan dalam gambar berikut ini :

C0 0R F K

100-.... 80-.... 212-.... 373-.......titik tetap atas

90- 363-

80- 70- 192- 353-

70- 60- 172- 343-

60- 50- 152- 333-

50- 40- 132- 323-

40- 30- 112- 313-

30- 20- 92- 303-

20- 10- 72- 293-

10- 52- 283-

0- ... 0- .... 32- ... 273-.......titik tetap bawah

Skala kelvin disebut sebagai Skala suhu mutlak (absolut) atau skala termodinamik. Dan satuan

ini digunakan sebagai satuan SI untuk suhu.

Hubungan antara skala Celsius,Reamur, Farhrenhei, dan kelvin adalah sebagai berikut :

C =54 R =

59 ( F – 23 ) = K – 237

1.1.2 Kalor

Kalor adalah suatu bentuk energi yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda

bersuhu rendah. Benda yang menerima kalor, suhunya akan naik atau wujudnya berubah. Dan

benda yang melepas kalor , suhunya akan turun atau wujudnya akan berubah.

Besarnya kalor yang diserap atau di lepas oleh suatu benda berbanding lurus dengan :

a. Massa benda

b. Kalor jenis benda

c. Perubahan suhu.

Besarnya kalor tersebut dirumuskan sebagai :

Q = m c ∆T

Dengan m = massa benda ( kg,g )

∆T = T2 – T1 = Kenaikan Suhu (0C,K)

C = kalor jenis benda ( kal/g 0C, J/kg K )

Dalam sistem SI, satuan kalor adalah joul ( j ).

1 kalor = 4,184 joul

1 joul = 0,24 kalor

Satu kalori adalah banyaknya kalor yang di perlukan untuk menaikkan suhu 10C air murni yang

massanya 1 gram.

Jika dua buah benda yang suhunya berbeda dicampurkan , lama – kelamaan suhu kedua benda

tersebut akan menjadi sama. Dalam hal ini, ada sesuatu yang berpindah dari benda yang lebih

panas ke benda yang lebih dingin sehingga terjadi pemerataan suhu.

Sesuatu yang berpindah dan menyebabkan pemerataan suhu disebut Kalor. Sebelum

mempelajari sifat kalor, kita mengetahui pengertian dari kalor. Untuk itu ada beberapa teori atau

pendapat mengenai kalor tersebut, diantaranya adalah sebagai berikut.

1. Rumford ( 1753-1814). Adalah seorang ahli fisika dari Amerika. Beliau mengemukakan

bahwa kalor adalah salah satu energi dan bukan sebuah zat.

2. Julius Mayer (1814-1878). Adalah seorang ahli fisika dari jerman. Beliau mengemukakan

bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi.

3. James joule (1818-1889). Adalah seorang ilmuwan berkebangsaan inggris

memperlihatkan hasil kegiatan bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi.

Dengan menggunakan alat kalori meter ,james joule berhasil memperoleh kesetaraan antara

kalori dan joule yaitu sebagai berikut:

1 kalor = 4,184 joul

1 joul = 0,24 kalor

Dari teori atau beberapa pendapat tersebut dapat kita ketahui bahwa “ kalor adalah salah satu

bentu energi,seperti halnya Usaha. Dengan demikian suatu kalor dapat dinyatakan dengan kalori

dan dalam sistem internasional satuan kalor adalah “joul.

1. Kalor jenis dan kapasitas kalor

Kalor jenis (C) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg zat

sebesar 1 k atau 10C. Zat yang paling tinggi kalor jenisnya adalah air, sehingga air merupakan zat

terbaik untuk menyimpan energi termal ( dimanfaatkan pada panel surya ) atau memindahkan

panas ( dimanfaatkan pada radiator mobil). Kalor jenis setiap jenis zat ditentukan dengan

persamaan:

C = Qm∆T

Kapasitas kalor ( C ) adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu benda

sebesar 1 K atau 1 0C dan dirumuskan sebagai berikut.

C = Q∆T

Satuan kapasitas kalor adalah J/K atau JK -1.

Hubungan kapasitas kalor ( c ) dengan kalor jenis (c) dapat dinyatakan dengan

persamaan:

C = m.c atau c = Qm

Hukum kekalan Energi Kalor ( Ajas Bleck).

“Pada pencampuran dua zat banyaknya kalor yang di lepas zat bersuhu lebih tinggi sama dengan

banyaknya kalor yang diterima zat bersuhu lebih rendah.” Atau dapat di tulis dengan persamaan:

Qlepas = Qterima

Hukum kekekalan energi kalor diatas hanya berlaku untuk sistem tertutup.kalorimeter

adalah alat yang digunakan untuk mengukur kalor. Adapun jenis-jenis kalorimeter adalah seperti

berukut:

1. Kalorimeter aluminium

2. Kalorimeter elektrik, di gunakan untuk mengukur kalor jenis zat cair.

3. Kalorimeter bom, di gunakan untuk menentukan kandungan energi dalam makan dan

lemak.

Perubahan wujud zat

Ada tiga jenis wujud zat, yaitu zat padat,zat cair, dan gas. Apabila sebuah zat diberikan

kalor, maka pada zat tersebut akan terjadi perubahan wujud zat, seperti terlihat pada gambar di

bawah ini.

gambar

Pada proses melebur, menguap, dan deposisi diperlukan kalor (panah yang terletak di dalam).

Sedangkan pada proses membeku, mengembun, dan menyublin dilepaskan kalor (panah yang

terletak di luar).

Besarnya kalor yang di perlukan atau di lepaskan selama proses perubahan wujud zat

memenuhi persamaan:

Q = m.L

Dimana : Q = kalor yang di perlukan / dilepaskan (J,kal)

M = massa zat (g, kg)

L = kalor laten ( J/kg, kal/gr )

Kalor laten adalah kalor yang di perlukan oleh tiap satuan massa zat untuk mengubah wujudnya.

Adapun jenis-jenis kalor laten adalah sebagai berikut:

a. Kalor lebur (Lf) adalah banyaknya kalor yang di perlukan untuk mengubah wujud 1kg

zat padat menjadi zat cair.

b. Kalor beku (Lb) adalah banyaknya kalor yang di lepaskan untuk mengubah wujud 1kg

zat cair menjadi zat padat.

c. Kalor uap atau kalor didih (Lv) adalah banyaknya kalor yang di perlukan umtuk

mengubah wujud 1kg zat cair menjadi gas.

d. Kalor embun (Le) adalah banyaknya kalor yang di lepaskan untuk mengubah 1kg gas

menjadi zat cair

1.1.3 Pemuaian

pada umumnya,zat padat,zat cair,dan gas akan memuai ketikan dipanaskan dan

menyusut ketika didinginkan, kecuali air. Air memiliki suatu keistimewaan, yaitu jika di

panaskan dari suhu 00C sampe pada 40C maka air akan menyusut dan jika didinginkan dari suhu

40C maka air akan memuai.

1. Pemuaian Zat Padat.

Pemuaian zat padat terdiri atas pemuaian panjang,pemuaian luas,dan pemuaian

volum/ruang.

a. Pemuaian panjang

Pada pemuaian panjang untuk zat padat berlaku rumus:

∆L = α Lo ∆T

α = ∆ LLo∆T

L= Lo (1 + α ∆T )

Gambar

Dengan Lo = panjang benda mula – mula(cm)

L = panjang benda setelah pemuaian (cm)

∆L = L-Lo = pertambahan panjang benda akibat pemuaian (cm) α

= koefisien muai panjang (oC-1K-1)

∆T =T – To = kenaikan suhu( 0C atau K)

b. Pemuaian Luas

Pada pemuaian luas untuk zat padat berlaku rumus :

∆A = β AO ∆T

Β = ∆ AAo ∆T dan B = 2 α

A = Ao(1+β ∆T )

Dengan A = luas benda setelah pemuaian (cm2 )

Ao == luas benda mula-mula (cm2)

∆A = A – Ao = pertambahan luas benda akibat pemuaian (cm2 ) β = koefisien

muai laus (oC -1 atau K -1 )

∆T = T – To = kenaikan suhu (oC atau K)

c. Pemuaian volum/Ruang

Pada pemuaian volum untuk zat padat berlaku rumus:

∆V = γVo ∆T

γ = ∆VVo∆T dan γ = 3 α

V = Vo ( 1 + γ ∆T )

Dengan V = volom benda setelah pemuaian (cm3 )

Vo = volum benda mula – mula ( cm 3 )

∆V = V – Vo = pertambahan volum benda akibat pemuaian ( cm3 )

γ = koefisien muai volum ( oC atau K-1)

∆T = T – To = kenaikan suhu ( oC atau K )

Kerugian akibat pemuaian zat padat.

Pemuaian zat padat menimbulkan beberapa kerugian,adalah sebagai berikut:

a. Retaknya beton pembatas jalan

b. Bengkoknya Rel kereta Api

c. Runtuhnya jembatan

Cara mengatasi masalah akibat pemuaian zat padat adalah sebagai berikut:

a. Beton pembatas jalan dibuat terputus – putus

b. Pada sambungan dua buah rel kereta api di buat celah pemuaian atau model sambungan

rel kereta api dibuat runcing pada masing – masing ujungnya

c. Pada ujung jembatan dibuat celah pemuaian

2.Pemuaian Zat Padat

Pada zat cair hanya terjadi pemuaian volum/ruang saja, yang di rumuskan dengan:

V = Vo (1+ γ ∆T)

Pada zat cair, ketika suhunya naik, volumnya akan bertambah, sementara massanya tetap.

Akibatnya,massa jenis zat berkurang. Massa jenis zat cair setelah pemuaian dirumuskan dengan.

Ƿ = ρo

(1+γ ∆T )

Dengan ρo = massa jenis zat mula – mula (g/cm-3)

Telah disebutkan sebelumnya bahwa pada pemuaian, air memiliki suatu keistimewaan. Dan

keistimewaan itu disebut anomali air, anomali air dapat dinyatakan dengan grafik berikut ini :

V(cm3) ρ(g/cm)

0 4 T (0C) 0 4 T(0C)

Perubahan volum perubahan massa

Terhadap suhu jenis terhadap suhu

3.Pemuaian Gas

Seperti halnya pada zat cair, pada gas juga hanya terjadi pemuaian volum/ruang saja. Besar

koefisien muai volum untuk semua jenis gas adalah sama yaitu:

γgas = 1

273C

1.1.4 Perpindahan Kalor

Kalor berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Ada 3 cara

perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, radiasi.

1. Perpindahan Kalor Secara Konduksi.

Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel. Setiap zat dapat

menghantar kalor secara konduksi baik zat yang tergolong konduktor, maupun isolator. Laju

konduksi kalor yang melalui sebuah dinding bergantung pada 4 besaran yaitu:

a. Suhu , jika perbedaan suhu ∆T = T1 – T2 diantara kedua permukaan makin besar, maka

perpindahan kalor makin cepat.

b. Ketebalan dinding (d),makin tebal dinding, maka perpindahan kalor makin lambat.

c. Luas permukaan (A) makin luas permukaan, maka perpindahan kalor makin cepat.

d. Konduktivitas termal zat (k) merupakan ukuran kemampuan zat menghantarkan

kalor,makin besar nilai k, maka perpindahan kalor makin besar.

Dengan demikian, banyaknya kalor (Q) yang mulai dingin selama waktu t, dinyatakan sebagai

berikut.

Qt

= k . A . ∆T

d

Apabila terdapat 2 batang logam berbeda jenis yang di sambungkan maka berlaku bahwa laju

aliran kalor dalam kedua batang adalah sama besar atau di tulis:

Q1t

=Q 2t

≈ k 1 A .∆T 1

L1 = k 2 A .∆T 2

L2

2. Perpindahan Kalor Secara Konveksi.

Konveksi adalah proses perpindahan kalor yang di lakukan oleh pergerak fluida akibat

perbedaan massa jenis. Ada 2 jenis konveksi, yaitu konveksi alamia, dan konveksi buatan.

Laju kalor (Qt

) ketika sebuah benda panas memundahkan kalor kefluida sekitarnya secara

konveksi adalah sebanding dengan luas permukaan benda (A) yang bersentuhan dengan fluida

dan beda suhu (∆T) diantara benda dan fluida, atau ditulis:

Qt

= h . A . ∆T

Dengan h = koefisien konveksi yang nilainya bergantung pada bentuk dan kedudukan

permukaan.

3. Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Radiasi atau pancara adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Sebagai contoh, perpindahan kalor dari matahari kepermukaan bumi.

“Hukum Stefan – Boltzmann”

“Energi yang di pancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan

waktu( Qt

) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu

mutlak permukaan itu (T4)”.

Secara Matematis Ditulis:

Qt = e . ᵟ A T4

Dengan e : emisitas

Emisitas adalah suatu ukuran seberapa besar pemancar radiasi kalor suatu benda dibanding

dengan benda hitam sempurna. Emisitas tidak memiliki satuan,nilai mulia dari 0 sampai dengan

1 (0 ≤ e ≤ 1).

Permukaan mengkilat memiliki nilai e yang lebih kecil dari pada permukaan kasar.

Pemantulan sempurna (penyerap paling buruk ) memiliki e = 0, sedangkan penyerap sempurna

sekaligus pemancar sempurna (benda hitam sempurna) memilki e =1.

1.1.5 Teori Kinetika Gas

1. Pengertian Gas Ideal

Dalam pembahasan teori kinetik gas, gas yang akan ditinjau adalah gas ideal. Gas ideal

memiliki asumsi – asumsi sebagai berikut:

a. Gas ideal terdiri atas partikel – partikel (atom – atom maupun molekul – molekul )

dalam jumlah yang banyak sekali.

b. Ukuran partikel gas dapat di abaikan terhadap ukuran wadah.

c. Setiap pertikel gas selalu bergerak dengan arah sembarang (acak ).

d. Partikel gas paling terbesar merata pada seluruh ruangan dalam wadah.

e. Gaya tarik- menarik antara partikel diabaikan.

f. Partikel gas memenuhi hukum newton tentang gerak.

g. Setiap tumbukan yang terjadi bersifat lenting sempurna.

2. Tekana Gas Ideal.

Persamaan tekanan gas ideal dirumuskan sebagai berikut:

P = 13 N mv 2v

Dengan N : banyak partikel gas = 6,02x1023

M : massa partikel gas (kg)

v : kevepatan partikel gas (m/s)

V : vomem gas (m3)

P : tekanan gas ideal (N/m2)

Oleh karena Ek = ½ mv2, maka persamaan diatas dapat di ubah menjadi:

P = 23

N . EkV

Ek = energi kinetik gas (J).

3. Persamaan gas Ideal.

Gas ideal memenuhi persamaan:

pV = nRT atau pV = NkT

dengan N = jumlah partikel gas

n = jumlah mol gas

R = tetapan gas umum

= 8,31x103M/mol K = 0,0821 Lt. Atm/mol K

Jumlah mol gas (n) dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:

N = NN 0 atau n =

mMr

Dengan N0 = bilangan afugadro, 6,02x1023

Mr = massa molekul relatif gas

m = massa partikel gas

4. Energi Alam Gas Ideal.

Setiap partikel gas ideal selalu bergerak dengan energi kinetik.

Ek = 3/2 kT

Besarnya energi kinetik untuk N buah partikel dinyatakan dengan rumus:

Ek = 3/2 NkT atau Ek = 3/2 nRT

Dalam gas ideal hanya terdapat energi kinetik, yidak ada energi lain, sehingga energi kinetik

disebut juga energi dalam (U). Besarnya energi dalam untuk monoatomik ditentukan oleh:

U = 3/2 NkT atau U = 3/2 nRT

Untuk gas diatomok, besar energi dalam bergantung pada besarnya suhu, yaitu:

a. Pada suhu rendah (± 300K), U = 3/2 NkT

b. Pada suhu sedang (± 500K), U = 5/2 NkT

c. Pada suhu tinggi (± 1.000K), U = 7/2 NkT

5. Kecepatan Partikel Gas Ideal.

Telah kita ketahui bahwa energi untuk setiap partikel gas ideal sebesar: Ek = 3/2 kT atau Ek = 3/2

nRT.

Ek = 3/2 kT

½ mv2 = 3/2 kT

V2 = 3kTm

V = √3 kTm

Dengan demikian, kecepatan partikel gas ideal dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:

V = √3 km

atau V = √3nkTm

atau V = √3 RTmr

Rumus kecepatan partikel gas ideal dapat ditentukan dari rumus tekanan yaitu:

P= 13

N mv2V

V2 = 3 pVNm

Oleh karena VNm

= 1P

maka V = √3 PP

, P = massa jenis gas ideal (kg/m3)

Termonidamika

dalam termodinamika dikenal dua istilah yang saling berkaitan, yaitu sistem dan lingkungan.

Sistem merupakan sejumlah gas dalam benda bervolume tertutup, sedangkan lingkungan

merupakan benda-benda di luar sistem.

1. Kesetaraan kalor dan energi

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari suatu bentuk ke

bentuk lainnya. Kalor merupakan salah satu bentuk energi. Kesetaraan kalor dan energi

dinyatakan sebagai berikut.

1 kalori = 4,186 joule = 4,2 joule

1 joule = 0,24 kalori

2. Gas dapat menerima usaha dari lingkungannya

Gaya sebesar F yang diperlukan oleh pistol yang mempunnyai luas penampang A, untuk

menekan gas didalam ruang tertutup sebesar p, dirumuskan:

F = pA

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah :

W = pA (H2 – H1)

Oleh karena Ah = V, maka :

W = p (V2 – V1) atau W = p ∆ V

Dengan : V1 = volum mula-mula (m3)

V2 = volum akhir (m3)

∆ V = perubahan volum (m3)

W = usaha luar yang dilakukan gas (J)

P = tekanan gas (N/m2)

Bila W > 0 gas (sistem) melakukan usaha (V2 > V1)

W < 0 gas (sistem) menerima usaha dari lingkungan (V2 < V1)

Usaha luar gas untuk beberapa proses yang dialami gas ideal adalah sebagai berikut:

a. Proses Isotemis (suhu knstan)

Usaha luar gas (W) sebanding dengan luas dearah di bawah kurva

W = ∫ dW = ∫v1 p dV

W = ∫v2 nRTV

dV = n RT ∫v2 dVV

W = n RT n v2 V 2V 1

b. Proses isokkhorik (Volum Konstan)

W = p ∆ V = P . 0 = 0

c. Proses isobarik (tekanan konstan)

W = p ∆ V =p (V2 – V1)

d. Proses adiabatik

Proses adiabatik adalah proses perubahan sistem tanpa ada kalor yagn masuk atau keluar

dari sistem.

Pada proses adiabatik berlaku persamaan :

P V y = tetap ; y = CpCv

Dengan: y = konstanta laplace

Cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap

Cv = kalor jenis gas pada volum tetap

Sistem tidak melepas atau menerima kalor, maka usaha yagn dilakukan oleh sistem

hanya untuk merubah energi dalam, yagn besarnya adalah :

W = = = 1y−1

(P1 V1 – P1 V2 )

Menentukan usaha luar secara grafik

Usaha luar yang dilakukan oleh gas pada tekanan tidak tetap dapat dinyatakan p – V, yang

besarnya sebanding dengan luas daerah di bawah kurva

a. Proses ke arah kanan

V2 > V1 berarti W positif

W = p (V2 – V1)

b. Proses ke arah kiri

V2 < V1 berarti W negatif

W = -p (V2 – V1)

c. Proses berbentuk siklus

Proses 1 ke 2 W = 0

Proses 2 ke 3 W = positif

Proses 3 ke 4 W = 0

Proses 4 ke 1 W = negatif

Wtotal = ∆p x ∆v = (P2 – P1) x (V2 – V1)

3. Hukum I Termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa sejumlah kallor (Q) yang diterima dan usaha (W)

yang dilakukan suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi dalam (∆U)

Q – W = ∆U atau Q = ∆U + W

Dengan : Q = kalor yagn diterima/dilepas oleh sistem (j)

W = usaha luar yang dilakukan sistem (j)

∆U = perubahan energi dalam (j)

Catatan : Q positif, sistem menerima kalor

Q negatif sistem nelepas kalor

W positif sistem melakukan usaha

∆U positif, terjaddi penambahan energi dalam pada sistem

∆U negatif, terjadi paenuurnan energi dalam pada sistem

Penerapan hukum termodinamika I

1. Proses isotermis

∆T = 0 ∆U = 0

Q = W

2. Proses isokhorik

∆V = 0 W = 0

Q = ∆U

3. Proses isobarik

∆Q = 0 W = p ∆ V

Q = ∆U + W

4. Proses adiabatik

∆ Q = 0 ∆ U = W

T1 V1 y = T2 V2y

Kapasitas kalor gas

Kapasiatas kalor adalah jumlah kalor yagn diperlukan Q untuk menaikkan suhu gas.

C = = Q∆T

Dengan : Q = jumlah kalor yang diterima (j)

∆T = Perubahan suhu gas (k)

C = kapasitas kalor gas (j/k)

Kapasitas kalor untuk gas ada dua macam yaitu :

a. Kapasitas kalor pada volum tetap (C)

Cy = 32

n R

b. Kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cy)

Cy =52

n R

Dari kedua persamaan di atas, diperroleh hubungan Cy, dengan Cp yaitu

Cp – Cy = n R