KALOR DAN PERUBAHAN WUJUD ZAT

Standar kompetensi :

Menerapkan konsep kalor dan prinsip konservasi energi pada berbagai

perubahan energi

Kompetensi Dasar :

Menganalisis pengaruh kalor terhadap suatu zat

Indikator :

Mendefinisikan pengertian suhu

Mendefinisikan pengertian kalor

Melakukan eksperimen kalorimeter

Menyebutkan peristiwa perubahan wujud zat

Mengidentifikasi perubahan wujud zat

Konsep Prasyarat :

Suhu

Konsep Esensial :

Kalor

Kalor jenis

Kapasitas kalor

Pemuaian

KALOR DAN PERUBAHAN WUJUD ZAT

A. SUHU DAN KALOR

1. SUHU

a) Pengertian Suhu

Suhu merupakan ukuran mengenai panas atau dinginnya suatu zat atau benda.

Misalkan kita mempunyai dua batang logam, logam A panas dan logam B dingin,

kemudian kita dekatkan kedua batang tersebut hingga bersentuhan. Logam A akan

sedikit menyusut, yang menyatakan bahwa logam tersebut mengalami pendinginan,

sedangkan logam B akan sedikit memuai, yang menyatakan bahwa logam B tersebut

mengalami pemanasan. Kondisi seperti ini dikatakan bahwa kedua batang tersebut

mengalami kontak termal. Pada akhirnya proses ini berhenti, artinya kedua batang

tersebut tidak mengalami lagi perubahan panjang. Kondisi yang dialami oleh kedua

batang ini dikatakan saling berada dalam kesetimbangan termal.

Didekatkan

Sedikit Sedikit

menyusut memanjang

Gambar Kesetimbangan termal

Dua benda yang berada dalam kesetimbangan termal terhadap satu sama lain akan

mempunyai suhu yang sama.

Logam A

PANAS

Logam B

DINGIN

Logam A

PANAS

Logam A Logam B

Logam B

DINGIN

Perubahan sifat fisis suatu benda (zat) pada saat temperaturnya berubah

dinamakan sifat termometrik zat. Sifat-sifat termometrik zat, diantaranya volume zat

cair dan gas, panjang logam, hambatan listrik logam, tekanan gas pada volume tetap,

dan sebagainya. Sifat-sifat termometrik ini dapat digunakan untuk menetapkan skala

suhu dan membentuk sebuah alat ukur suhu yaitu termometer.

b) Mengukur Suhu dengan Termometer

Derajat panas atau dinginnya suatu zat dapat diukur dengan termometer. Suhu zat

yang diukur dengan termometer ketika terjadi kesetimbangan termal sama besarnya

dengan skala yang ditunjukkan oleh termometer. Termometer dapat dikalibrasi

dengan menempatkannya dalam kontak termal dengan suhu lingkungan yang dijaga

konstan, dengan catatan :

Lingkungan bisa berupa campuran es dan air dalam kesetimbangan termal,

Lingkungan bisa berupa campuran air dan uap dalam kesetimbangan termal.

Pada saat dilakukan pengukuran suhu dengan termometer akan terjadi rambatan kalor

dari zat yang diukur suhunya ke dalam termometer, atau sebaliknya. Oleh sebab itu,

suhu zat yang diukur harus mempunyai volume relatif jauh lebih besar dari volume

termometernya, supaya tidak terjadi penurunan suhu dari zat karena ada kalor yang

diserap atau diberikan oleh termometer.

Untuk membuat sebuah termometer dapat digunakan sebuah labu kaca berskala, dan

di dalamnya diisi dengan cairan yang dapat memuai secara linier jika terjadi kenaikan

suhu. Pada umumnya, cairan yang digunakan raksa dan alkohol. Jika suhu naik,

cairan di dalam labu kaca akan memuai dan naik ke dalam pipa kaca sempit.

Pertambahan volume yang kecil saja akan memberikan kenaikan yang cukup besar

pada pipa kaca sempit sehingga mudah untuk mengamati terjadinya kenaikan suhu.

Untuk pengisian termometer cairan yang banyak digunakan adalah raksa dan alkohol.

Keunggulan raksa dari zat cair lain adalah :

1) Cepat terjadi keseimbangan termal antara zat yang diukur,

2) Raksa dapat dipakai untuk mengukur suhu yang rendah sampai yang tinggi karena

mempunyai titik beku pada -39 ºC dan titik didihnya 357 ºC,

3) Tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya menjadi lebih teliti,

4) Pemuaian raksa linear terhadap kenaikan suhu,

5) Mudah diamati karena raksa mengkilap.

Termometer yang menggunakan alkohol tidak dapat digunakan untuk

mengukur suhu yang tinggi karena titik didih alkohol 78 ºC. Akan tetapi, alkohol

mempunyai titik beku yang rendah, yaitu -115 ºC sehingga termometer yang berisi

alkohol hanya untuk mengukur suhu zat yang rendah saja. Jenis-jenis termometer dan

kegunaannya

1. Termometer Klinis, digunakan untuk mengukur suhu tubuh manusia.

Termometer ini banyak digunakan di tempat-tempat medis. Jika suhu naik,

raksa di dalam wadah akan naik melalui celah sempit. Jika suhu turun, maka

raksa akan tetap tertahan di dalam pipa sehingga memudahkan pembacaan.

Cara untuk mengembalikan raksa ke tabungnya adalah dengan mengkibas-

kibaskannya.

2. Termometer dinding, digunakan untuk mengukur suhu ruangan. Raksa di

dalam pipa kapiler akan bergerak naik atau turun bergantung pada suhu

ruangan di mana temometer tersebut berada.

3. Termometer Six-Bellani, digunakan untuk mengukur suhu ruangan.

Termometer ini sering juga disebut sebagai termometer maksimum-minimum.

Penetapan skala suhu termometer menggunakan dua titik acuan, yaitu titik

tetap atas dan titik tetap bawah. Setiap titik acuan tersebut harus memenuhi

persyaratan tertentu, yaitu tidak berubah dan mudah didapatkan. Celsius dan

Fahrenheit menggunakan es pada saat mencair sebagai titik acuan bawah (titik beku)

dan air pada saat mendidih sebagai titik acuan atas ( titik didih ) pada tekanan udara 1

atm.

Kalibrasi termometer adalah penetapan tanda-tanda untuk pembagian skala pada

suatu termometer. Adapun langkah-langkah kalibrasi termometer adalah sebagai

berikut :

1. menentukan titik tetap bawah ( Tb ),

2. menentukan titik tetap atas ( Ta ),

3. menentukan jumlah skala di antara titik-titik tetap, dan

4. memperluas skala di luar titik tetap.

Ada beberapa macam skala termometer yang biasa digunakan dalam pengukuran

suhu, yaitu :

1. Termometer skala Celsius,

Pada skala Celsius digunakan titik lebur es murni sebagai titik tetap bawah dan

ditandai dengan angka nol. Sedangkan untuk menyatakan titik tetap atas digunakan

titik didih air pada tekanan 1 atmosfer dan ditandai dengan angka 100, sehingga ada

100 pembagian skala.

2. Termometer skala Kelvin

Pada skala Kelvin, penentuan suhu nol derajat digunakan suhu terendah yang

dimiliki oleh suatu partikel yang setara dengan -2730, yaitu keadaan di mana energi

kinetik partikel sama dengan nol, sehingga tidak ada panas yang terukur. Setiap satu

skala Kelvin sama dengan satu skala Celsius, sehingga titik tetap bawah dan titik

tetap atas skala Kelvin masing-masing adalah 273 K dan 373 K. Pada skala Kelvin

tidak ada suhu yang bernilai negatif sehingga disebut sebagai skala suhu mutlak atau

skala termodinamik, dan Kelvin ditetapkan sebagai satuan SI untuk suhu.

3. Termometer skala Fahrenheit

Dalam penggunaan sehari-hari, di Amerika Serikat masih digunakan termometer

dalam skala Fahrenheit. Pada skala Fahrenheit, titik lebur es diberi angka 32 dan titik

didih air diberi angka 212. Skala ini diberi nama skala Fahrenheit sesuai dengan nama

ilmuwan yang membuatnya pertama kali, yaitu ahli fisika berkebangsaan Jerman,

Gabriel Fahrenheit (1686 - 1736).

4. Termometer skala Reamur

Pada skala Reamur, penentuan skala titik tetap bawah dan titik tetap atas sama

halnya pada skala Celsius, namun dinyatakan dalam skala 0 dan 80, sehingga ada 80

pembagian skala.

5. Termometer skala Rankine

Pada skala Rankine, titik lebur es diberi angka 491 dan titik didih air diberi angka

671.

Hubungan antara skala Celcius, skala Fahrenheit, skala Kelvin skala Reamur

dan Rankine dapat kita nyatakan seperti pada tabel di bawah ini :

Tabel 1b.1. Perbandingan Skala Termometer Termometer Titik Beku Air Titik

Didih Air Pembagian Skala

TERMOMETERTITIK BEKU

AIR

TITIK DIDIH

AIR

PEMBAGIAN

SKALA

CELCIUS (ºC) 0 100 100

KELVIN 273 373 100

FAHRENHEIT

(ºF)32 212 180

REAMUR (ºR) 0 80 80

RANKINE 491 671 180

Kita juga dapat melakukan pengkonversian skala dari satu termometer ke termometer

lain. Sebagai contoh, suhu suatu benda menunjukkan skala X ketika diukur dengan

termometer X yang memiliki Tb = Xb dan Ta = Xa. Maka ketika suhu benda tersebut

diukur dengan menggunakan termometer Y yang memiliki Tb = Yb dan Ta = Ya,

skala Y akan menunjukkan angka yang dapat dihitung dengan persamaan 1 berikut:

X−XbXa−Xb

= Y −YbYa−Yb

Contoh : Kita mau mengkonversi suhu dari skala termometer Celsius ke skala

termometer Fahrenheit. Kita ketahui bahwa titik tetap bawah Celsius (Cb = 0) dan

titik tetap atasnya (Ca = 100), dan untuk titik tetap bawah Fahrenheit (Fb = 32) dan

titik tetap atasnya (Fa = 212), sehingga hasil konversinya adalah :

C−CbCa−Cb

= F−FbFa−Fb

C−0100−0

= F−32212−32

C=100180

(F−32)

C=59(F−32)

Berdasarkan persamaan di atas kita dapat melakukan pengkonversian di antara kelima

skala suhu diatas seperti contoh diatas.

c) Pemuaian

Pada umumnya suatu zat akan memuai ketika dipanaskan, dan menyusut

ketika didinginkan. Walaupun pemuaian ini biasanya cukup kecil untuk bisa diamati,

namun fenomena ini sangat penting karena gaya yang dihasilkan sangat besar dan

harus diperhitungkan untuk merancang bangunan-bangunan tertentu. Pada saat

sebuah benda dipanaskan, gerakan molekul-molekulnya semakin cepat, sehingga

pergeserannya semakin besar.

Besarnya pemuaian suatu benda ditentukan oleh beberapa faktor diantaranya: jenis

bendanya, ukuran benda mula-mula, dan lamanya pemanasan.

1. Pemuaian Zat Padat

Zat padat yang dipanaskan partikel-partikelnya akan bergerak lebih cepat dari

sebelumya sehingga jarak antar partikel satu dengan yang lainnya akan semakin

besar. Oleh karena itu, ukuran panjang, luas, maupun volumenya akan bertambah

besar.

a) Pemuaian Panjang

Jika suatu benda yang berbentuk panjang yang panjangnya Lo, dipanaskan

sehingga suhunya berubah sebesar Δt, maka benda tersebut akan bertambah panjang

sebesar ΔL.

Pertambahan panjang ΔL adalah sebanding dengan panjang mula-mula Lo, jenis

benda (yang dinyatakan dengan koefisien muai panjang α) dan perubahan suhu Δt.

Atau secara matematis dapat dirumuskan sebagai,

ΔL=Lo α Δt

Oleh karena itu, panjang akhir Lt setelah pemuaian dapat dirumuskan sebagai

Lt = L0 + ΔL

Lt = L0 + L0 α Δt

Jadi,

Lt = L0 ( 1 + α Δt)

Dengan, Lt : panjang akhir (m)

L0 : panjang mula-mula (m)

α : koefisien muai panjang (oC-1 atau K-1)

Δt : perubahan suhu (oC atau K)

b) Pemuaian Luas

Jika suatu benda berbentuk bujur sangkar (mempunyai luas) tipis dengan sisi

Lo dipanaskan sehingga suhunya berubah sebesar Δt, maka bujur sangkar akan

memuai pada kedua sisinya.

Karena setiap sisi memuai sebesar ΔL, maka akan membentuk bujur sangkar baru

denga sisi (Lo + ΔL), sehingga luas akhir benda adalah :

At = ( Lo + ΔL )2

At = 2L0 + 2L0 ΔL + (ΔL)2

Mengingat ΔL cukup kecil, maka nilai (ΔL)2 mendekati nol sehingga dapat diabaikan.

Dengan menggunakan anggapan ini kita memperoleh luas akhir benda menjadi,

At = L02+ 2L0 ΔL

Dengan memasukan ΔL = Lo α Δt, L02 = Ao, dan β = 2α, maka luas akhir benda

setelah pemuaian menjadi,

At = Ao ( 1 + β Δt)

Dengan,

At : Luas akhir (m2)

Ao : Luas mula-mula (m2)

β : Koefisien muai luas (0C-1 atau K-1)

Δt : Perubahan suhu (0C atau K)

Perubahan luas akibat pemuaian adalah :

ΔA = A - Ao

ΔA = Ao α Δt

c) Pemuaian Volume

Jika suatu benda berbentuk kubus dengan sisi Lo, dipanaskan sehingga

suhunya berubah sebesar Δt, maka kubus akan memuai pada ketiga sisinya.

Volume benda mula-mula adalah :

Vo = Lo3

Karena setiap sisi memuai sebesar ΔL, maka akan terbentuk kubus baru dengan sisi

(Lo + ΔL). Jadi, volume akhir benda adalah

Vt = (Lo + ΔL)3

Vt = Lo3 + 3Lo2 ΔL + 3Lo(ΔL)2 + (ΔL)3

Mengingat ΔL cukup kecil, maka nilai (ΔL)2 dan (ΔL)3 mendekati nol sehingga dapat

diabaikan. Dengan menggunakan anggapan ini kita peroleh volume akhir benda

menjadi,

Vt = Lo3 + 3Lo2 ΔL

Dengan memasukan ΔL = Lo α Δt, Vo = Lo3 dan γ = 3 α, maka volume akhir benda

setelah pemuaian menjadi,

Vt = Vo ( 1 + γ Δt )

Dengan,

Vt : volume akhir benda (m3)

Vo : volume mula-mula benda (m3)

γ : koefisien muai volume (0C-1 atau K-1)

Δt : Perubahan suhu (0C atau K)

Perubahan volume akibat pemuaian adalah

ΔV = Vt – Vo

ΔV = Vo γ Δt

2. Pemuaian Zat Cair

Berbeda dengan zat padat, pada zat cair kita hanya mengenal pemuaian

volume. Jadi, pada umumnya volume zat cair bertambah ketika suhunya dinaikan.

Karena molekul zat cair lebih bebas dibandingkan dengan molekul zat padat, maka

pemuaian pada zat cair lebih besar dibandingkan pada zat padat. Sifat pemuaian zat

cair inilah yang digunakan sebagai dasar pembuatan termometer. Rumus-rumus pada

pemuaian zat padat berlaku juga pada pemuaian zat cair.

Anomali Air

Pada umumnya zat cair akan memuai jika dipanaskan. Akan tetapi, tidak

demikian halnya untuk air ketika dipanaskan dari 0o hingga 4o, karena dalam keadaan

ini justru air menyusut. Pada saat kita memanaskan es pada suhu -5oC, maka es akan

memuai sama seperti zat padat sampai es mencapai suhu 0oC. Apabila es kita

panaskan lagi maka akan terjadi proses perubahan wujud hingga seluruh es mencair.

Air akan menyusut ketika dipanaskan dari suhu 0oC hingga mencapai volume

minimum pada suhu 4oC. Massa air tidak berubah selama penyusutan, massa jenis air

mencapai maksimum pada suhu 4oC (zat cair pada umumnya, mencapai massa jenis

maksimum pada titik bekunya). Pada suhu di atas 4oC, air akan memuai seperti

halnya zat cair lainnya. Jadi, pada suhu di antara 0oC dan 4oC air akan menyusut dan

di atas suhu 4oC air memuai jika dipanaskan. Sifat pemuaian air yang tidak teratur ini

disebut anomali air.

3. Pemuaian Gas

Sama halnya dengan zat cair, pemuain gas termasuk pemuaian volume atau

pemuaian ruang. Berdasarkan koefisien muai volume untuk semua jenis gas adalah

sama yaitu, γ = 1

273oC-1

Volume mula-mula suatu gas adalah Vo, kemudian gas itu dipanaskan pada tekanan

tetap hingga suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV, maka

secara matematis dapat ditulis sebagai berikut,

ΔV = Vo γ Δt ΔV = 1

273 V0Δt

Vt = Vo + ΔV Vt = V0 (1 + 1

273 Δt)

Dengan,

Vt : Volume akhir benda (m3)

Vo : Volume mula-mula benda (m3)

γ : Koefisien muai volume (℃-1 atau K-1)

Δt : Perubahan suhu (oC atau K)

ΔV : Perubahan volume (m3)

4. Prinsip Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari

Pemuaian zat padat ternyata membawa beberapa masalah, khususnya pada

konstruksi seperti jembatan, jalan raya, dan rel kereta api, di mana setiap hari secara

terus menerus mengalami perubahan suhu akibat panas sinar Matahari dan dinginnya

udara di malam hari. Untuk itu para perancang konstruksi harus memberikan ruang

lebih yang memungkinkan bahan-bahan konstruksi tersebut memuai. Ruang lebih

inilah yang harus benar-benar diperhitungkan oleh para perancang bangunan sehingga

nilainya tidak boleh kurang atau lebih.

Masalah-masalah yang dapat ditimbulkan pemuaian zat, antara lain :

a) Pemasangan kaca jendela.

b) Sambungan rel Kereta Api.

c) Celah pemuaian pada suatu jembatan.

d) Pemasangan kawat telepon atau kawat listrik.

2. KALOR

Kalor adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lain karena

perbedaan suhu kedua benda.

Pentransferan energi panas (termis) suatu sistem yang sering dinyatakan sebagai

energi ineternal akan terjadi bila suatu sistem yang panas dan sistem yang dingin

saling didekatkan dan disentuhkan satu sama lain, maka energi internal akan

ditransfer dari sistem yang panas ke sistem yang lebih dingin dalam bentuk kalor.

Satuan kalor adalah kalori (kal). Satu kalori didefiniskan sebagai jumlah energi panas

yang diperlukan untuk menaikan suhu satu gram air sebesar 1oC atau 1 K. Karena

kalor merupakan bentuk lain dari energi, maka satuan kalor secara SI sama dengan

satuan energi yaitu joule (J).

1 kal = 4,184 joule ≈ 4,2 joule

Di Amerika Serikat satuan kalor yang digunakan sehari-hari adalah Btu (British

thermal unit), yang didefinisikan sebagai jumlah energi yang dibutuhkan untuk

menaikan suhu satu pound air dari 63 derajat Fahrenheit hingga 64 derajat Fahrenheit

(sebesar satu derajat Fahrenheit).

Jika Btu dihubungkan dengan kalori dan joule maka kesetaraannya adalah,

1 Btu = 252 kal = 1.054 joule

B. PERBEDAAN SUHU DAN KALOR

Setelah kita membahas suhu dan kalor, marilah kita bahas mengenai

perbedaan antara suhu dan kalor.

Sampai dengan pertengahan abad kedelapan belasan istilah suhu dan kalor

masih memiliki arti yang sama, hal ini disebabkan kalor timbul sebagai akibat dari

adanya perbedaan suhu. Joseph Black pada tahun 1760 merupakan orang pertama

yang menyatakan perbedaan antara suhu dan kalor. Dari pengertian suhu dan kalor di

atas, kami menyimpulkan bahwa suhu sesungguhnya adalah ukuran energi kinetik

rata-rata partikel ( berkaitan dengan gerak partikel-partikel ) dalam suatu benda.

Sedangkan kalor selalu mengacu pada energi yang berpindah dari satu benda ke

benda lainnya karena perbedaan suhu. Begitu proses perpindahan energi ini berhenti

maka kalor tidak lagi memiliki arti.

Perbedaan antara suhu dan kalor dapat kita lihat pada proses perubahan wujud zat.

Untuk mengubah es menjadi air diperlukan kalor. Pada peristiwa perubahan wujud

ini, es bersuhu 0oC berubah menjadi air bersuhu 0oC. Jadi, tidak ada perubahan suhu

pada saat es mencair, tetapi dibutuhkan kalor untuk mengubah wujud es tersebut.

C. PERCOBAAN KALORIMETER

1.1 Alat dan bahan

Neraca [Ohauss, triple beam, 311 gram, 0.01 gram] 1 buah

Kalorimeter [bejana pengaduk, tutup dan jaket] 1 buah

Termometer [-10 – 0 – 100]oC 2 buah

Becker glass 600 ml 1 buah

Pemanas bunsen 1 buah

Kasa 1 buah

Lup 1 buah

Statip dengan batangnya dan penjepit 1 set

Gelas staenless dengan penutup 1 buah

Zat padat, air, es

Lap meja

1.2 Prosedur

Percobaan 1: Menentukan Kapasitas Kalor Kalorimeter

1. Ukur dan catat masa kalorimeter beserta pengaduknya (m1). Perhatikan ketika

setiap akan melakukan pengukuran, teliti harga skala nol pada alat ukur yang

akan digunakan.

2. Isi 1/3 volume kalorimeter dengan air, ukur dan catat massa kalorimeter

dengan air (m2) serta suhu kalorimeter beserta air di dalamnya (td).

3. Isi gelas staenless dengan dengan air sekitar 1/3 volumenya, panaskan air

tersebut hingga suhu di atas 75oC, catat suhu air panas sebagai tp.

4. Masukan air panas ke dalam kalorimeter berisi air tadi dengan cepat dan hati-

hati.

5. Aduk pelan-pelan dan perhatikan kenaikan suhu pada kalorimeter, jika dalam

waktu yang lama tidak terjadi kenaikan suhu, catat suhu dalam keadaan ini

(ts).

6. Ukur dan catat masa kalorimeter beserta isisnya (m3).

7. Ulangi langkah 1-6 sebanyak 3 kali!

8. Bersihkan semua alat.

Percobaan 2: Menentukan Kalor Lebur Es

1. Ukur dan catat masa kalorimeter beserta pengaduknya (m1). Perhatikan ketika

setiap akan melakukan pengukuran, teliti harga skala nol pada alat ukur yang

akan digunakan.

2. Isi kalorimeter dengan air sekitar 150 ml, ukur dan catat masa kalorimeter

dengan air(m2) serta suhu kalorimeter dan air di dalamnya (ta).

3. Ambil potongan es, ukur suhunya dan masukan kedalam kalorimeter. Aduk

pelan-pelan sampai semua es melebur dan sistem mencapai suhu

kesetimbangannya, lalu catat suhunya (ts)

4. Ukur dan catat masa Kalorimeter itu beserta isinya (m3)

5. Ulangi langkah 1 – 4 sebanyak 3 kali.

6. Bersihkan semua alat.

D. KALOR JENIS

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepas suatu zat

untuk menaikkan atau menurunkan suhu 1 kg zat tersebut sebesar 10C atau 1 K.

Kalor jenis beberapa zat pada 20°C dan tekanan tetap 1 atm adalah sebagai berikut :

Tabel. Kalor Jenis beberapa zat pada 20 0C (1 atm) Zat Kalor jenis (J kg-1k-1)

ZAT KALOR JENIS (J kg-1 K-1)

Aluminium 900

Tembaga 390

Kaca 840

Besi atau baja 450

Timah hitam 130

Marmer 860

Perak 230

Kayu 1700

Alcohol 2400

Raksa 140

Air

Fase es (-5oC) 2100

Fase Cair (15oC) 4180

Fase Uap (110oC) 2010

Badan manusia 3470

Udara 1000

Air laut 390

Kuningan 367

Seng 388

Spirtus 240

Timbal 130

Apabila sejumlah kalor diberikan pada suatu benda, maka suhu benda itu akan naik.

Kemudian yang menjadi pertanyaan, seberapa besar kenaikan suhu suatu benda

tersebut? Pada abad ke-18, sejumlah ilmuwan melakukan percobaan dan menemukan

bahwa besar kalor Q yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu zat yang besarnya

ΔT sebanding dengan massa m zat tersebut.

E. KAPASITAS KALOR

Jika pada air dan alkohol dengan massa sama diberikan kalor yang sama

banyaknya maka kenaikkan suhu pada alkohol lebih besar daripada air. Dalam

peristiwa tersebut dikatakan alkohol memiliki kapasitas kalor yang lebih besar

daripada air.

Sehingga banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu yang sama dari

benda yang berbeda pada umumnya berbeda besarnya. Perbandingan banyaknya

kalor yang diberikan terhadap kenaikkan suhu benda dinamakan kapasitas kalor atau

kapasitas panas.

Kata ”kapasitas‟ dapat memberikan pengertian yang kurang tepat karena kata

tersebut menyatakan ‘banyaknya kalor yang dapat dimiliki oleh sebuah benda’ yang

dalam fisika tidak memiliki arti. Yang sebenarnya diartikan oleh kata tersebut adalah

‘banyak energi yang harus diberikan dalam bentuk kalor untuk menaikkan suhu suatu

benda sebesar 1 derajat.’

Jika kalor yang dibutuhkan sebesar Q untuk menaikkan suhu suatu benda sebesar t,

maka kapasitas kalor (C) benda tersebut dapat durumuskan :

C = Q/t atau Q = C.t

Dengan :

Q : kalor yang diserap atau dilepas (J atau kalori)

Δt : perubahan suhu (K atau 0C)

C : kapasitas kalor (J/K atau kal/0C)

Dari persaman di atas, kapasitas kalor didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang

diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan suhu benda sebesar 10C atau 1 K.

Terdapat perbedaan pengertian antara kapasitas kalor (C) dengan kalor jenis (c),

tetapi secara matematis keduanya mempunyai hubungan :

C = m.c

Dengan :

C : kapasitas kalor (J/K atau kal/0C)

c : kalor jenis (J/kg K)

m : massa benda (kg)

F. PERUBAHAN WUJUD ZAT

1. Pengertian Zat

Berdasarkan etimologi zat merupakan sebuah partikel yang memiliki sifat

yang sama diseluruh bagian dan massanya terdistribusi secara merata. Zat memilki

ciri-ciri sebagai berikut :

a. Berwujud

b. Kongkrit (nyata)

c. Benda yang tidak dapat dihitung (air, udara, minyak, logam, dsb)

d. Unsur pembentuk suatu benda.

Zat dapat berada dalam tiga wujud yaitu, wujud padat, cair, dan gas. Padat

adalah wujud zat yang memilki bentuk dan volume yang tetap selama tidak ada

pengaruh dari luar, cair adalah wujud zat yang memiliki volume yang tetap sedang

bentuknya selalu berubah disesuaikan dengan tempatnya, gas adalah wujud zat yang

memiliki volume dan bentuk yang tidak tetap, gas akan selalu mengisi seluruh

ruangan yang ditempatinya.

a. Padat; b. Cair; c. Gas; d. Partikel

2. Perubahan Wujud Benda Pengaruh Kalor Laten

Perubahan wujud benda “perubahan fasa” merupakan kondisi fisis suatu zat

dari satu bentuk menjadi bentuk yang lain. Dalam proses perubahan wujud diperlukan

kalor, kalor ini dinamakan kalor laten yaitu kalor yang digunakan untuk mengubah

suatu wujud zat dari padat menjadi cair, atau dari cair menjadi uap, kalor laten tidak

mempengaruhi kenaikkan suhu. Penerapan kalor laten dapat kita lihat pada saat es

mencair, suhunya tidak naik, meskipun terus dipanaskan. Demikian halnya pada

waktu air mendidih, kalor yang diberikan api tidak digunakan untuk menaikkan suhu.

Pada saat terjadi perubahan wujud dari padat menjadi cair, atau sebaliknya,

dari cair menjadi gas, atau sebaliknya, selalu disertai dengan pelepasan atau

penyerapan kalor. Setiap perubahan wujud suatu zat tidak selalu disertai dengan

perubahan suhu.

Ketika gas dipanaskan, molekul-molekulnya bergerak sangat cepat. Ketika

gas didinginkan, molekul-molekulnya bergerak lambat bersama-sama (tidak banyak

bergerak). Jika gas didinginkan lagi pada suhu yang sangat rendah, gas akan mencair.

3. Kalor Penguapan

Menguap merupakan perubahan wujud zat dari cair menjadi uap (gas), sedang

kalor uap adalah kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 kg x menjadi uap.

Menguap tidak sama dengan mendidih. Menguap dapat diamati pada saat memasak

air, jika tutup panci dibuka (misalnya, pada suhu 40oC, 50oC, dst). Ternyata pada

tutup panci sudah ada bintik-bintik air. Penguapan terjadi pada saat itu hanya pada

permukaan air saja, sedangkan pada peristiwa mendidih terjadi penguapan total dari

dasar sampai permukaan air. Pada waktu mendidih, suhu zat tetap sekalipun

pemanasan terus dilakukan. Semua kalor yang diberikan kepada zat digunakan untuk

mengubah wujud dari cair menjadi uap. Suhu tetap ini disebut titik didih yang

besarnya sangat bergantung pada tekanan dipermukaan zat tersebut. Titik didih zat

pada tekanan 1 atm disebut titik didih normal.

Penguapan zat penting artinya bagi kehidupan sehari-hari. Garam diperoleh dengan

jalan menguapkan air laut, hujan terjadi karena penguapan air, penerapan lain pada

saat proses penguapan keringat. Penguapan ini adalah cara tubuh kita mengatur suhu

badan. Pada saat suhu darah naik sedikit di atas suhu normal, kelenjar hypothalamus

mendeteksi kenaikan suhu ini, kemudian mengirim sinyal ke kelenjar keringat agar

meningkatkan produksi keringat. Keringat ini keluar dari pori-pori, kemudian

menguap. Kalor yang diperlukan untuk menguapkan keringat diambil dari tubuh kita

sendiri sehingga tubuh menjadi lebih dingin. Ketika tubuh kita berkeringat karena

berolahraga, janganlah berdiri di tempat yang aliran anginnya kuat. Aliran angin kuat

akan menyebabkan turunnya ketahanan tubuh kita terhadap infeksi. Akibatnya tubuh

mudah terserang penyakit.

Empat cara untuk mempercepat penguapan, yaitu :

a. Memanaskan

Jika suatu zat cair dipanaskan, maka kecepatan molekul-molekul menjadi besar.

Lebih banyak molekul-molekul yang dapat meninggalkan zat cair dan menjadi uap.

Penguapan berjalan lebih cepat.

b. Memperluas permukaan zat cair

Kalau permukaan zat cair itu diperluas, maka lebih banyak kesempatan bagi molekul-

molekul zat cair untuk meninggalakan permukaaan zat cair itu. Penguapan dipercepat

dengan jalan memperluas permukaan zat cair. Hal ini kita ketahui juga dari

pengalaman. Pakaian yang kita jemur akan lebih lekas kering kalau pakaian itu

direntangkan pada tempat penjemuran. Air yang jatuh di lantai lebih lekas kering

kalau air itu disapu sehingga menjadi lebih luas.

c. Meniupkan udara di atas permukaan zat cair

Kalau permukaan zat cair ditiup, maka molekul-molekul zat yang ada di permukaan

tersingkirkan dari permukaan itu. Karena itu lebih banyak kemungkinan bagi

molekul-molekul dalam zat cair untuk meninggalkan zat cair dan masuk ke dalam

ruang di atas permukaan zat cair.

d. Mengurangi tekanan uap pada permukaan zat cair.

Bila tekanan uap di atas pemukaan suatu zat cair diperkecil, maka molekul-molekul

zat cair itu dapat lebih mudah meninggalkan permukaannya.

Mengembun merupakan perubahan wujud dari gas menjadi cair, sedang kalor embun

adalah kalor yang dilepas untuk mengubah y kg uap menjadi cair. Peristiwa

mengembun dapat diamati pada saat kita memanaskan air sampai mendidih. Jika di

atas ditangkap dengan tutup panci (misalnya) maka pada tutup itu akan terlihat bintik-

bintik air. Untuk tekanan yang sama ternyata titik embun sama dengan titik didih.

Penerapan proses pengembunan dalam kehidupan sehari-hari antara lain pada saat

kita memasukan es kedalam segelas air, dimana akan timbul titik-titik air diluar

permukaan gelas ini terjadi karena adanya perbedaan suhu antara es dengan air dan

keadaan lingkungan, selain itu pada saat kita berada dalam sebuah mobil dengan

keadaan cuaca hujan, akan timbul embun pada kaca mobil, ini disebabkan karena

suhu di ruangan mobil lebih panas dibanding suhu lingkungan. Untuk menghilangkan

embun pada kaca mobil dipasang AC ini dimaksudkan untuk menetralkan suhu di

luar dengan di dalam ruangan mobil tersebut.

Jika dikatakan bahwa kalor uap air 540 satuan, maka itu berarti bahwa untuk

menguapkan 1 kg air pada titik didihnya sampai seluruhnya menjadi uap, 540 satuan

kalor. Maka dapat dikatakan bahwa kalor yang diterima atau yang dilepaskan akan

sebanding dengan massa dan akan muncul konstanta yaitu kalor laten (L).

Q = m Lu

Q : kalor yang diterima atau dilepaskan (kkal)

m : massa zat (kg)

Lu : kalor laten penguapan atau pengembunan (kal/kg)

Tabel E.1.1 Titik didih dan kalor uap berbagai zat pada tekanan 1 atm

Zat Titik Didih Normal

(oC)

Kalor Didih

(J/kg)

Helium -268,93 209 x 103

Hydrogen -252,89 425 x 103

Nitrogen -195,81 201 x 103

Oksigen -182,97 213 x 103

Alkohol 78,00 853 x 103

Raksa 357,00 272 x 103

Air 100,00 2256 x 103

Sulfur 444,60 326 x 103

Timah hitam 1750,00 871 x 103

Antimony 1440,00 561 x 103

Perak 2193,00 2336 x 103

Emas 2660,00 1578 x 103

Tembaga 1187,00 5069 x 103

4. Kalor Peleburan dan Pembekuan

Melebur merupakan perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Kalor yang

diperlukan untuk mengubah wujud 1 kg zat padat menjadi zat cair dinamakan kalor

lebur (kalor laten beku), sedang suhu pada waktu zat melebur disebut titik lebur.

Membeku merupakan perubahan wujud zat dari cair menjadi padat, sedang

kalor beku adalah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud 1 kg zat cair menjadi

padat. Peristiwa pembekuan terjadi bila kita mendinginkan air, air itu kemudian akan

membeku, proses pembekuan air ini disertai pelepasan kalor.Suhu ketika air

membeku disebut titik beku. Banyaknya kalor yang dibutuhkan atau dilepaskan oleh

zat untuk mencair atau membeku sebanding dengan massa zat itu dan bergantung

pada kalor lebur (beku) zat tersebut. Kalor lebur suatu zat sama dengan kalor beku zat

tersebut.

Untuk meleburkan 1 kg es menjadi 1 kg air, pada titik leburnya diperlukan 80 satuan

kalor. Untuk meleburkan 2 kg diperlukan 2 x 80 satuan = 160 satuan. Untuk

meleburkan m kg diperlukan m x 80 satuan = 80 m satuan. Untuk meleburkan 1 kg

timbal padat menjadi 1 kg timbal cair, pada titik leburnya, diperlukan 327 satuan

kalor. Untuk meleburkan m kg timbal diperlukan 327 m satuan. Kalau kalor lebur

suatu zat kita sebut L maka untuk meleburkan m kg zat itu pada titik leburnya dari

padat menjadi air diperlukan mL satuan. Jika kalor yang diperlukan itu kita sebut Q

maka:

Q = m Lb

Q : kalor yang diterima tau dilepaskan (kkal)

m : massa zat (kg)

Lb : kalor laten peleburan atau pembekuan (kal/kg)

Contoh soal :

Diketahui kalor laten pembekuan air menjadi es sebesar 80 kal/g. Jika terjadi

pembekuan air sebanyak 500 gram sehingga seluruhnya menjadi es bersuhu 0oC,

tentukan jumlah kalor yang dilepaskan!

Jawab

Dik : Lpembekuan = 80 kal/g; mair = 500g; tair = 0oC

Q = m L = (500g)(80kal/g) = 40.000 kal = 40 kkal

Tabel E.2.1. Titik lebur dan kalor lebur berbagi zat pada tekanan 1 atm

Zat Titik Lebur

(oC)

Kalor Lebur

(J/kg)

Helium -269,65 5,23 x 103

Hydrogen -259,31 58,6 x 103

Nitrogen -209,97 25,5 x 103

Oksigen -218,79 13,28 x 103

Alkohol -114,00 104,2 x 103

Raksa -39,00 11,8 x 103

Air 0,00 334,0 x 103

Sulfur 119,00 38,1 x 103

Timah hitam 327,23 24,5 x 103

Antimony 630,50 165,0 x 103

Perak 960,80 88,3 x 103

Emas 1063,00 64,5 x 103

Tembaga 1187,00 134,0 x 103

Jika zat padat dipanaskan pada tekanan rendah, ada kemungkinan zat itu tidak

melebur, tetapi langsung menjadi gas, peristiwa itu disebut menyublim (melenyap).

Kalor yang diperlukan untuk menyublim tiap satuan massa disebut kalor sublimasi

dan suhunya disebut titik sublimasi.

1. Perubahan Wujud Es Menjadi Uap

Sejumlah massa es yang suhunya di bawah 0oC dipanaskan (diberi kalor) hingga

suhunya di atas 100oC maka sejumlah massa es tersebut berubah wujud seluruhnya

menjadi uap.

Grafik E.3.1. Pemanasan es pada tekanan 1 atmosfer

Keterangan :

A-B : Sejumlah energi kalor diberikan kepada es sehinnga suhu es naik dari –t oC

menjadi 0oC. Seluruh massa masih berbentuk zat padat yaitu es.

B-C : Sejumlah energi kalor diberikan untuk mengubah wujud zat sehingga es

menjadi air dengan suhu tetap yaitu 0oC.

C-D : Sejumlah energi kalor diberikan untuk menaikkan suhu dari 0oC hingga air

mendidih pada suhu 100oC. Seluruh massa masih berbentuk wujud zat cair

yaitu air.

D-E : Sejumlah energi kalor diberikan untuk mengubah wujud zat sehingga zat cair

yang mendidih berubah menjadi uap, pada suhu tetap yaitu 100oC.

E-F : Sejumlah energi kalor diberikan untuk menaikkan suhu uap dari 100oC menjadi

toC. Seluruh massa sudah berbentuk uap.

DAFTAR PUSTAKA

Wiladi, Hasan, S.Pd., M.Si., dan Kamajaya, M.Sc. 2002. Fisika Untuk SMU Kelas I

Jilid I B. Grafindo Media Pratama : Bandung

Tipler, Paul A .1998 . Fisika Untuk Sains dan Teknik ( Edisi Tiga ) Jilid 1.

Erlangga : Jakarta

Kaginan, Marthen. 2003. Seribu Pena Fisika SMU Kelas 1. Erlangga : Jakarta

Taranggono, Agus dan Subagyo, Hari. 2004. Sains Fisika untuk SMA kelas 1.

Erlangga : Jakarta

Sumarsono, Joko. 2008. Fisika Untuk SMA Kelas X. Pusat perbukuan Departemen

Pendidikan Nasional.

Peta Konsep

KALOR

ZAT

PEMUAIAN PERUBAHAN

WUJUD

PERUBAHAN SUHU

1. Zat padat

2. Zat cair

3. Gas

1. Padat

2. Cair

3. Gas

Suhu dan kalor

Suhu

Kalor

Pengertian suhu

Mengukur suhu

Pemuaian

Pemuaian zat padat

Pemuaian zat cair

Pemuaian gas

Muai panjang

Muai luas

Muai volume

Kalor jenis

Perubahan wujud zat

Kapasitas kalor

Pengertian zat

Pengaruh kalor laten

Kalor penguapan

Kalor peleburan

Bagan materi

Anomali air