1

FISIKA

(untuk SMK)Bahan Ajar

Semester 3

tunjungprianto@yahoo.com

2

BAB 2

SUHU DAN

KALOR

3

SUHU atau TEMPERATURSUHU dapat diartikan sebagai tingkat

panas-dingin.Satuannya derajad.Alat pengukur suhu adalah

Termometer.Termometer dibuat dalam berbagai

jenis, bentuk dan ukuran, disesuaikan dengan kebutuhan.

Termometer juga dibuat dari berbagai bahan, yang disesuaikan dengan tujuan penggunaannya.

4

SKALA TERMOMETERAda 3 macam skala termometer yang umum digunakan di seluruh dunia, yaitu skala Celcius, Reamur dan Fahrenheit.

Dalam bidang ilmiah, lebih lazim digunakan skala Kelvin, yang disebut juga skala absolut.

5

Konversi Skala Termometer

Perbandingan antara skala Celcius dan Fahrenheit

6

• Perubahan 5 derajad pada skala Celcius (5C0) sama dengan perubahan 9 derajad pada skala Fahrenheit (9F0).

• Ambil satu titik suhu sebagai acuan, misalnya suhu titik beku air:

• Selanjutnya penambahan atau pengurangan dapat dilakukan terhadap suhu acuan dengan angka perbandingan 5 untuk Celcius dan 9 untuk Fahrenheit.

• Dengan ringkas hubungan ini dapat dituliskan sebagai:

atau

41

14

23

50

40

20

30

10

9

8

7

6

5

4

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

0 32

FC

59

68

77

86

80

70

60

50

30

25

20

15

10

FC

9:5: FC

FC 00 320

FtCt 0590 32

CtFt 0

950 32

7

Perbandingan antara skala Celcius dengan Reaumur

• Perubahan 5 derajad pada skala Celcius (5C0) sama dengan perubahan 4 derajad pada skala Reaumur(4R0).

• Dengan acuan suhu titik beku air, kedua skala ini sama-sama menunjuk angka nol derajad.

• Jadi, hubungan antara kedua skala ini adalah:

atau

8

7

6

1

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

-8

5

4

2

3

10

9

8

7

6

5

4

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

1

2

3

0

RC

24

16

20

15

10

9

8

30

25

20

15

10

RC

RtCt 0540

4:5: RC

RC 00 00

CtRt 0450

8

Perbandingan antara skala Reaumur dengan Fahrenheit

• Perubahan 4 derajad pada skala Reaumur (4R0) sama dengan perubahan 9 derajad pada skala Fahrenheit (9F0).

• Dengan acuan suhu titik beku air:

• Jadi, hubungan antara kedua skala ini adalah:

atau

9:4: FR

FR 00 320

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

14

23

50

40

20

30

32

FR

9

8

10

15

16

20

24

68

77

86

80

70

60

50

FR

FtRt 0490 32

RtFt 0

940 32

9

Disebut juga skala absolut, sebab suhu benda yang dinyatakan dalam skala Kelvin melukiskan jumlah energi (kalor) yang tersimpan di dalamnya.

Skala Kelvin mempunyai angka perbandingan yang sama dengan skala Celcius.

Kesamaan suhu antara Celcius dengan Kelvin adalah:

Jadi hubungan antara skala Celcius dengan Kelvin dapat dituliskan sebagai:

atau

Skala KELVIN

KC 27300

KtCt 00 273 CtKt 00 273

10

Carilah:

Penyelesaian:

Contohsoal 1FC 0020

CF 0050 FR 0020

FFFC 000590 683236322020

CCCF 00

950

950 1018325050

FFFR 000490 773245322020

RC 0060

RRC 00540 486060

11

Contohsoal 2(contoh 2.1. no. 1. hal. 31)Andaikan ada, suatu termometer X yang mengukur suhu titik beku air – 500X dan suhu titik didih air 1500X, tentukanlah:a) 100X = ... 0Cb) 200X = ... 0Cc) 50 0C = ... 0X

12

PenyelesaianKita tentukan dahulu hubungan antara skala 0C dan 0X. Untuk skala 0C telah kita ketahui terdapat 100 skala antara suhu titik beku dan suhu titik didih air, sedangkan untuk skala 0X terdapat 150 – (–50) = 200 skala. Kita dapatkan perbandingan:

C : X = 100 : 200 = 1 : 2.

dan

Jadi hubungan antara kedua skala ini adalah:

atau

a) b) c)

XtCt 00 502 CtXt 0

210 50

CCCX 00

210

210 3060501010

CCCX 00

210

210 3570502020

XXXC 0000 50501005050250

XC 00 500

13

1. 30 0C = ... 0R = ... 0F.2. Pada suhu berapakah skala

Fahrenheit sama dengan dua kali skala Celcius.

3. Andaikan ada suatu termometer P, dimana suhu titik beku air 40 0P dan suhu titik didih air 60 0P, maka 20 0C = ... 0P.

Soal-soal Latihan

14

Pemuaian Zat

Pada hakekatnya, pemuaian adalah pertambahan volum suatu zat akibat kenaikan suhu. Namun seringkali kita menemukan benda-benda dengan bentuk tertentu yang lebih mudah jika ditinjau pemuaian pada aspek tertentu saja. Benda berbentuk kawat lebih mudah ditinjau muai panjangnya, sedangkan benda berbentuk piringan atau pelat lebih mudah ditinjau pemuaian luas permukaannya. Karena itu ada 3 macam pemuaian, yaitu muai panjang, muai luas dan muai volum (muai ruang).

Karena bentuknya yang tidak tetap, pemuaian pada zat cair hanya ditinjau muai volumnya saja.

Pemuaian pada gas sama seperti zat cair (muai volum), namun pada bagian ini belum akan dibahas.

15

Untuk benda-benda berbentuk kawat atau batang, biasanya ditinjau muai panjangnya.

Misalkan sepotong kawat logam yang panjangnya L0 pada suhu t dan bertambah panjangnya sebesar L jika suhunya dinaikkan sebesar t, maka secara matematis dapat dituliskan hubungan:

disebut koefisien muai panjang, satuannya /0C atau /0K.

Berikut ini daftar koefisien muai panjang berbagai macam bahan.

tLL 0

tL

L

0

0L

L

Muai Panjang

16

Koefisien muai panjang () beberapa bahan padat.

Koefisien muai ruang () beberapa bahan cair.

Bahan Koefisien muai panjang ()

Alumunium

Kuningan

Karbon (Intan)

Karbon (Grafit)

Tembaga

Baja

Kaca Biasa

Kaca Pyrex

Es

Bahan Koefisien muai ruang ()

Air

Etil Alkohol

Raksa

Minyak tanah

61024 61019

6102,3

6109,7 61017 61011

6102,1

6109

6101,5

4101,2

41011

4108,1

4108,9

17

Contohsoal

Batang kuningan yang

panjangnya 1 meter

pada suhu 100C

dipanaskan sampai 40

0C. Berapakah

pertambahan

panjangnya?

Penyelesaian

tLL 0

cm057,0

3011019 6610570

m000570,0

18

Muai Luas Untuk benda-benda yang berbentuk luasan (piringan,

pelat, lempengan) biasanya ditinjau muai luasnya. Misalkan selembar pelat logam berbentuk persegi

panjang dengan luas A0 pada suhu t dan bertambah

luasnya sebesar A jika suhunya dinaikkan sebesar t, kita dapat menuliskan hubungan:

disebut koefisien muai luas, satuannya juga /0C atau /0K.

Pada umumnya (untuk semua jenis bahan) berlaku:

tAA 0

tA

A

0

2

19

ContohsoalSelembar pelat baja berbentuk persegi panjang berukuran 40cm x 60cm (pada suhu 20 0C) dipanaskan sampai suhunya menjadi 100 0C. Hitunglah pertambahan luas pelat tersebut.Penyelesaian:Luas pelat mula-mula (sebelum

dipanaskan)

Pertambahan luasnya setelah dipanaskan adalah:

20 24006040 cmcmcmA

20100240020 tAA

66 10422400080240010112 2224,4 cm

20

Muai Volum (muai ruang)

Untuk benda-benda yang berbentuk tiga dimensi (balok, kubus, bola, dsb.) dapat ditinjau muai volumnya.

Misalkan sebuah balok dengan volum V0 pada suhu t

dan bertambah volumnya sebesar V jika suhunya dinaikkan sebesar t, kita dapat menuliskan hubungan:

disebut koefisien muai ruang, satuannya juga /0C atau /0K.

Pada umumnya (untuk semua jenis bahan) berlaku:

tVV 0

tV

V

0

3

21

Pemuaian pada zat cair

Sebagaimana disebutkan di depan, untuk zat cair hanya ditinjau muai volum saja.

Selanjutnya semua rumus yang telah diuraikan untuk muai volum pada zat padat berlaku juga untuk zat cair. Sebagaimana:

tVV 0

tV

V

0

Contohsoal

Balok tembaga

yang mula-mula

volumnya 3000

cm3 (pada suhu

400C) dipanaskan

sampai suhunya

menjadi 1000C.

Hitunglah pertambahan

volum balok

tersebut.

Penyelesaian:

22

tVV 0

60300010173 6

318,9 cm

4010030003

6109180000

23

Soal-soal Latihan

1. Sepotong kawat logam, panjangnya tepat 1,00 meter pada suhu 00C. Panjang kawat bertambah 1 mm jika dipanaskan sampai 800C. Hitunglah koefisien muai panjangnya ().

2. Plat yang terbuat dari bahan sejenis dengan kawat logam pada soal no.1, mempunyai luas permukaan 500 cm2 pada suhu 200C. Berapa pertambahan luas permukaan plat jika dipanaskan sampai 800C.

3. Karena suhunya dinaikkan dari 00C sampai 1000C, sebatang logam yang panjangnya 1 m bertambah panjangnya sebesar 1 mm. Sebatang logam jenis ini yang panjangnya 60 cm dipanaskan dari 00C sampai 1250C. Hitunglah pertambahan panjangnya.

4. Latihan 2.2. (hal.43)

24

KALORKalor adalah salah satu bentuk energi, disebut

juga energi panas.Satuannya joule atau kalori.

1 joule ≈ 0,24 kalori

atau

1 kalori ≈ 4,19 jouleJika suatu benda menerima kalor suhunya naik,

sebaliknya jika benda melepaskan (membuang) kalor suhunya turun.

Besar-kecilnya perubahan suhu tergantung massa dan karakteristik (jenis) benda.

25

Air dalam kolam renang memiliki SUHU lebih rendah daripada kopi panas dalam gelas,

tetapi kolam renang menyimpan lebih banyak KALOR, sebab di dalamnya terdapat

lebih banyak air.

26

Air dalam bejana kecil lebih cepat mendidih saat dipanaskan, sebab bejana besar memuat lebih banyak air, sehingga membutuhkan lebih banyak KALOR untuk mencapai SUHU 1000C (mendidih)

27

Secara umum, jika sejumlah kalor Q diberikan kepada benda yang massanya m, maka suhu benda akan naik sebesar:

c disebut kalorjenis.Kalorjenis didefinisikan sebagai:

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1C0 dari satu satuan massa zat/bahan.

cm

Qt

28

Daftar kalorjenis (c) dari beberapa bahan

BahanKalorjenis (c)

( J/kg.0C ) (kal/gr.0C )

Alumunium ( Al ) 900 0,21Tembaga ( Cu ) 385 0,09Emas ( Au ) 130 0,03Besi / Baja ( Fe ) 450 0,11Timbal ( Pb ) 130 0,03Raksa ( Hg ) 140 0,03Air 4190 1,00Es (pada suhu –100C) 2100 0,50

29

Contohsoal (1)(contoh 2.2. no.1, hal. 33)

5 kilogram tembaga, suhunya 150C. Berapa banyak kalor dibutuhkan untuk menaikkan suhunya menjadi 250C?Penyelesaian:

cm

Qt

tcmQ

103855

joule19250

kal4620

30

Contohsoal (2)

Hitung kembali soal pada contoh (1), tetapi untuk bahan air, kemudian bandingkan bahan mana yang lebih mudah dipanaskan, air atau tembaga?

Penyelesaian:

Untuk memanaskan air, ternyata dibutuhkan kalor yang lebih banyak. Jadi tembaga lebih mudah dipanaskan daripada air.

cm

Qt

tcmQ

1041905 joule209500

31

Asas BLACK

Jika dua benda (zat) yang berbeda suhunya dicampurkan, maka akan terjadi pemberian kalor oleh benda yang suhunya lebih tinggi kepada benda yang suhunya lebih rendah, sampai suhu kedua benda itu mencapai kesetimbangan (sama).

Benda yang suhunya lebih tinggi melepaskan kalor, sedangkan benda yang suhunya lebih rendah menerima kalor.

Kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diserap (diterima).

terimalepas QQ

32

ContohsoalSepotong besi panas (1200C) yang massanya 500 gram dimasukkan ke dalam 2 liter air dingin (200C). Jika massajenis air 1 kg/ltr, tentukan suhu akhirnya.Penyelesaian:

kgmair 2kggrmbesi 5,0500

Ctair020

Ctbesi0120

CkgJcair0./4190

CkgJcbesi0./450

Air

Besi

33

Andaikan suhu akhirnya adalah ta, berarti suhu air berubah (naik) dari 200C menjadi ta dan suhu besi turun dari 1200C menjadi ta.

Dalam hal ini besi yang lebih panas, memberikan (melepas) kalor kepada air sebesar:

Sedangkan air menerima kalor yang diberikan oleh besi sebesar:

besibesibesilepas tcmQ

208380

41902

a

aira

airairairterima

t

tt

tcmQ

abesi tt 4505,0

at 120225

34

Berdasarkan Asas Black:

Jadi, suhu akhir besi dan air setelah setimbang adalah 22,60C.

terimalepas QQ 208380120225 aa tt

167600838022527000 aa tt

aa tt 838022516760027000

at8605194600

Cta06,22

8605

194600

35

Soal-soal Latihan

1. Latihan 2.1 (no. 3) hal 36.2. Hitunglah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan 500 gram Air dari 300C sampai 500C, jika diketahui kalorjenis Air = 4190 J/kg.0C.3. Kerjakan seperti soal no.2, untuk tembaga. Kalorjenis tembaga adalah 385 J/kg.0C.4. Sebatang logam yang massanya 100 gram dan suhunya 1000C dimasukkan ke dalam bejana berisi 200 gram air yang suhunya 200C. Ternyata suhu akhirnya 400C. Jika kalorjenis air 4200 J/kg.0C dan pertukaran kalor hanya terjadi antara air dan batang logam, hitunglah kalorjenis logam tersebut.

36

PERUBAHAN WUJUDBerbagai macam zat mungkin kita

jumpai dalam wujud yang berbeda.Air misalnya, dapat kita jumpai

dalam wujud padat (Es) atau wujud gas (Uap air).

Besi, baja dan logam pada umumnya, mungkin kita jumpai dalam wujud cair, misalnya di pabrik-pabrik peleburan (pengolahan) logam.

Proses perubahan wujud terjadi pada suhu tertentu yang berbeda untuk setiap zat.

Berikut ini dilukiskan tahapan perubahan suhu dan perubahan wujud untuk air.

37

Tahapan Perubahan Wujud pada Air

1000C1000C

00C00C

FASE UAP (GAS)

FASE CAIR

FASE PADAT(BEKU)

MELEBUR

MENGUAP

MEMBEKU

MENGEMBUN

Proses Perubahan Suhu

Proses Melebur/Membeku

Kalor Lebur Proses Menguap/Mendidih

Kalor Uap

tcmQ

LmQ :L

LmQ :L

38

Contohsoal100 gram Es yang suhunya -100C diberi sejumlah kalor sehingga berubah seluruhnya menjadi Air yang suhunya 200C. Kalorjenis Es = 0,5 kal/gr.0C dan kalor lebur Es = 80 kal/gr. Berapa banyak kalor yang telah diberikan?

39

Penyelesaian

Es-100C

Air200C

Air00C

Es00C

Tahap IKenaikan

Suhu

Tahap IIIKenaikan

Suhu

Tahap IIPerubah

an Wujud

40

Penyelesaian

Kalor yang diberikan pada Es digunakan untuk 3 tahapan proses:1.Menaikkan suhu Es (dari -100C menjadi 00C), yaitu:2.Mengubah wujud Es menjadi Air (padat ke cair) pada suhu 00C, yaitu:3.Menaikkan suhu Air (dari 00C menjadi 200C), yaitu:Jadi kalor total yang telah diberikan adalah:

kaltcmQ eseses 500105,01001

kalLmQ eses 8000801002

kaltcmQ airairair 20002011003

kalQQQQtotal 1050020008000500321

41

Soal-soal Latihan1. 500 gr. Es yang suhunya -150C diberi kalor sebanyak 60 kilokalori. Berapa suhu akhirnya.2. 50 gram Es yang suhunya 00C dimasukkan ke dalam Air yang massanya 200 gram dan suhunya 400C. Tentukan suhu campuran.

42

PERPINDAHAN KALOR

Secara alamiah, perpindahan kalor akan berlangsung dari tempat yang suhunya lebih tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah.

Proses perpindahan kalor dapat terjadi dengan 3 cara; Konduksi, Konveksi dan Radiasi.

43

KONDUKSI (Hantaran) Yaitu perpindahan kalor melalui suatu penghantar,

tanpa perpindahan materi penghantar. Sepotong kawat logam yang dipanaskan (dibakar)

salah satu ujungnya, maka beberapa saat kemudian ujung yang lain juga akan terasa panas.

Laju perpindahan (aliran) kalor dalam suatu penghantar adalah:

k : koefisien konduksi (konduktivitas) termal

A : luas penampang penghantar

L : panjang penghantar

t : selisih suhu antara kedua ujung penghantar

L

tAkH

A

L

t1 t2

44

Konduktivitas termal berbagai bahan

BahanKonduktivitas termal (k)

kal/s.cm.C0 J/s.m.C0

Alumunium ( Al ) 0,49 205Tembaga ( Cu ) 0,92 385Perak ( Ag ) 0,99 415Besi / Baja ( Fe ) 0,11 46Kuningan 0,26 109Batu bata 0,0071 2,97Kaca 0,0080 3,35Air 0,0057 2,39

45

KONVEKSI (Aliran)Konveksi adalah aliran kalor yang umumnya

terjadi pada fluida, dari tempat yang bersuhu tinggi ke tempat yang bersuhu rendah, disertai oleh gerakan (aliran) partikel fluida itu sendiri.

Meskipun pembahasan tentang konveksi cukup rumit, namun untuk perhitungan praktis dapat digunakan rumusan:

h : koefisien konveksi

A : luas permukaan konveksi

t : selisih suhu antara kedua permukaan konveksi

tAhH

46

RADIASI (Pancaran) Radiasi adalah pelepasan kalor dari suatu

permukaan benda yang suhunya lebih tinggi dari ruang di sekitarnya.

Radiasi berlangsung tanpa memerlukan medium (zat perantara).

Besarnya kalor yang dipancarkan dari suatu permukaan tiap sekon per-satuan luas adalah:

e : emisivitas permukaan bendaT1 : suhu absolut permukaan bendaT2 : suhu absolut ruang di sekitarnya : konstanta Stefan

NB. Untuk benda hitam sempurna:

42

41 TTeW

42 .

81067,5Km

watt

10 e

1e

47

Contohsoal (1)Batang baja dan kuningan yang sama panjang dan sama penampangnya disambungkan seperti gambar. Suhu ujung batang baja yang bebas 2500C, dan suhu ujung kuningan yang bebas 1000C. Tentukan suhu pada titik sambungan.Baja Kuninga

n

2500C 1000C

48

Penyelesaian

Untuk Baja

k = 0,11 kal/cm.s. 0C (lihat tabel) Untuk Kuningan

k = 0,26 kal/cm.s. 0C (lihat tabel)L

tAkH

1

Baja Kuningan

2500C 1000Cts

L

tA s

25011,0

L

tAkH

2

L

tA s 10026,0

49

21 HH

Cts06,144

37,0

5,53

L

tA

L

tA ss 10026,025011,0

10026,025011,0 ss tt

2626,011,05,27 ss tt

st37,05,53

ss tt 11,026,0265,27

50

Contohsoal (2)Bola besi berjari-jari 10cm, suhunya 127 0C dan emisivitas permukaannya 0,65. Hitunglah banyaknya energi kalor yang dipancarkan oleh seluruh permukaan bola tiap sekon, jika suhu udara di sekitarnya 27 0C.

Luas permukaan bola:

Penyelesaian

Diketahui: T1 = 127+273 = 400K

T2 = 27+273 = 300K

e = 0,65

Ditanya: P (kalor per-satuan waktu)

Jawab:

42

41 TTeW

448 3004001067,565,0

888 108110256106855,3

88 10175106855,3

2/645 mwatt

AWP

1256,0645

watt81

24 RA

21,014,3421256,0 m

Soal-soal Latihan1. Latihan 2.3 (hal. 49)2. Uji Kompetensi 2 (hal. 51) nomor 13 dan 14.

Hidup yang cuma

sekali, kenapa

tidak kita jadikan berarti