SUHU DAN KALOR SUHU PEMUAIAN KALOR

Konsep SuhuPernahkah anda merasa kepanasan atau kedinginan ?

Apa yang terjadi ?

Suhu menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda yang kita sentuhInstrument Indra Perasa / KulitKulit Alat Ukur Standar - Kuantitas - Andal - Dapat diulangi

Kontak Termal :- Pertukaran energi antara dua benda karena beda suhuKesetimbangan Termal :- Tidak ada pertukaran energi saat kontak termal

Hukum ke-nol Termodinamika :

Jika benda A dan benda C secara terpisah berada dalam keseimbangan termal termal dengan benda B, maka benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal satu sama lain

Pengukuran SuhuSalah satu alat untuk mengukur suhu adalah termometer. Termometer ini memanfaatkan sifat termometrik zat untuk mengukur suhuPerubahan suhu dalam skala termometer sebanding dengan perubahan panjang kolom zat cair

Termometer ini memiliki standar suhu yang disebut dengan titik tetapTitik tetap yang ada pada termometer adalah : - Titik tetap bawah : Titik ketika es melebur, 0 oC - Titik tetap atas : Titik ketika air mendidih, 100 oCKalibrasi Termometer :- Menentukan titik tetap bawah- Menentukan titik tetap atas- Membagi jarak antara kedua titik tetap

Skala Kelvin dan Suhu Nol Mutlak Kelemahan Termometer Raksa dan Alkohol :- Raksa tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu dibawah titik beku raksa, yaitu 39 oC- Alkohol tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu di atas titik didihnya yaitu 85 oCLord Kelvin menggunakan termometer gas dalam percobaannya untuk rentang suhu yang lebih besarPerubahan fisis yang dimanfaatkan dalam termometer ini adalah perubahan tekanan pada volume gas yang konstan akibat perubahan suhu.

Hasil eksperimen yang dihasilkan, dimana pada setiap percobaan, tekanannya selalu nol pada suhu -273,15 oC. Suhu ini sering dikatakan sebagai suhu nol mutlak, dimana TC = T 273,15Pada saat suhu nol mutlak, energi kinetik dari molekul gas akan menjadi nol dan gerak molekulnya akan berhenti.

Perbandingan Skala SuhuSkala Celcius digunakan di banyak negara, skala Fahrenheit digunakan di AS, sedangkan skala Kelvin digunakan untuk perhitungan teknis

Contoh Soal :1. 122 oF = oC90 oC = oF = K300 K = ... oF2.Pada suhu berapa skala Celcius dan skala fahrenheit menunjukkan angka yang sama ?3.Pada sebuah termometer A, titik beku air adalah 40 oA dan titik didih airnya 150 oA. Jika sebuah benda diukur dengan termometer Celcius suhunya 30 oC, berapa suhu benda tersebut jika diukur dengan termometer A dan pada angka berapa kedua skala menunjukkan angka yang sama ?

Skala Suhu Lain

Hubungan Antar SkalaPerbandingan antara selisih suhu yang dicari dengan titik tetap bawah sama dengan perbandingan antara selisih titik tetap atas dengan titik tetap bawah Skala Fahrenheit dan Celcius :F : C = 180 : 100F : C = 9 : 5(tF 32) : tC = 9 : 5Skala Kelvin dan Celcius :T = Tc + 273

Pemuaian Termal Pada Zat Padat Jika suatu benda padat dipanaskan, benda tersebut akan memuai ke segala arah, baik panjang, luas maupun volumenya bertambah besar.Perbandingan antara pertambahan panjang (L) terhadap panjang awal benda Lo per kenaikan suhu (T) disebut dengan koefisien muai linier/panjang, dan secara matematis dinyatakan dengan : L = .Lo.T

Tabel koefisien muai linier rata-rata berbagai bahan

Mekanisme sederhana yang disebut dengan setrip bimetal dimanfaatkan pada peralatan seperti termostat, dimana dua buah plat tipis yang terbuat dari logam yang berbeda diikat bersama dan saat suhu keduanya meningkat, kedua logam akan memuai dengan panjang yang berbeda dan plat akan melengkung. Proses ini digunakan untuk memutus dan menghubungkan arus listrik.

SoalSuatu bahan yang panjangnya 1 m dipanaskan dari suhu awal 20 oC menjadi 100 oC sehingga bertambah panjangnya 5 mm. Berapakah pertambahan panjang bahan tersebut jika panjangnya 50 cm dan dipanaskan dari suhu awal hingga 120 oC?

Pemuaian Volume Zat CairUmumnya,volume zat cair akan meningkat ketika suhunya dinaikkan dan zat cair memiliki koefisien muai volume rata-rata sepuluh kali lebih besar dibandingkan koefisien muai zat padat.Untuk menghitung pemuaian volume zat cair, rumus yang digunakan sama dengan rumus untuk menghitung muai volume zat padat

Anomali AirAir dingin adalah pengecualian untuk aturan ini, saat suhu meningkat dari 0 oC menjadi 4 oC, air menyusut dan kerapatannya meningkat. Di atas suhu 4 oC, air memuai seiring meningkatnya suhu sehingga kerapatannya menurun. Jadi, kerapatan air mencapai maksimum 1,00 gr/cm3 pada suhu 4 oC.

Soal Sebuah bejana kaca terisi penuh dengan 100 mL air raksa pada suhu 0 oC. Jika bejana ini dipanaskan menjadi 20 oC, berapakah volume raksa yang tumpah ?

Pemuaian GasPada gas, kita perlu mengetahui berapa jumlah volume V, tekanan P, dan suhu T dari massa m gas tersebutPersamaan keadaan untuk gas idealPV = nRT Hukum Gas Ideal dengan :P = tekanan (Pa)V = volume (m3)n = jumlah mol gasR = konstanta gas universal = 8,314 J/mol.KT = suhu (K)

SoalSebuah tabung dirancang untuk menampung gas sebanyak 1000 L saat berada pada tekanan atmosfer pada suhu 27 oC. Ketika volume udara ini dimampatkan pada tekanan mutlak 3000 pon/inci2 dan disimpan pada tabung 10 L, udara tersebut menjadi sangat panas sehingga harus didinginkan sebelum dapat digunakan. Sebelum dingin, berapa suhu udara tersebut ?

KALORDefinisi Kalor

Kalor didefinisikan sebagai perpindahan energi yang melintasi batas sistem berdasarkan perubahan suhu antara sistem dengan lingkungannya. Pemanasan berarti memindahkan energi ke dalam suatu zat pada suhu yang lebih tinggi dan ketika pemanasan berhenti, maka tidak ada kalor yang dipindahkan

Teori KinetikZat tersusun atas partikel-partikel kecil yang terus bergerak.Benda panas memiliki energi yang besar karena partikel-partikelnya bergerak lebih cepat.Saat kontak termal, terjadi tabrakan antara partikel benda panas dan partikel benda dingin sehingga terjadi pemindahan energi ke benda dingin dan suhunya naik.Saat terjadi Keseimbangan Panas, kelajuan energi dari benda panas ke benda dingin sama dengan kelajuan energi benda dingin ke benda panas.

Satuan KalorSatuan Kalor sama dengan satuan energi, yaitu Joule menurut SISatuan Panas yang lain adalah kalori dan BTU1 kal = 4,186 J1 BTU = 252 kal = 1054 JDari konsep energi mekanik diperoleh bahwa bila gesekan terjadi pada sistem mekanis, ada energi mekanis yang hilang. Dan dari eksperimen diperoleh bahwa energi yang hilang tersebut berubah menjadi energi termal.Dari eksperimen yang dilakukan oleh Joule (aktif penelitian pada tahun 1837-1847) diperoleh kesetaraan mekanis dari kalor :1 kal = 4,186 joule

Kapasitas Kalor dan Kalor JenisKetika energi ditambahkan pada sistem dan tidak ada perubahan energi kinetik atau energi potensial sistem, maka suhu sistem biasanya naik. Besar energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat berbeda-beda jika zatnya berbeda.Kapasitas kalor C didefinisikan sebagai jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 oCKalor jenis c adalah kapasitas kalor per massa zat. Dengan demikian, jika energi Q dipindahkan ke suatu zat yang memiliki massa m dan perubahan suhu sebesar T, maka kalor jenis zat adalah

Kalor jenis pada dasarnya merupakan suatu ukuran seberapa tidak sensitifnya zat secara termal terhadap penambahan energi. Semakin besar kalor jenis suatu bahan semakin besar pula energi yang harus ditambahkan kepada bahan tersebut untuk menyebabkan suatu perubahan suhuTabel berikut menunjukkan kalor jenis dari bermacam-macam bahan.

Dari definisi ini, hubungan antara energi Q yang berpindah dari sebuah bahan bermassa m dengan sekelilingnya yang menyebabkan perubahan suhu T sebagaiQ = m c T Ketika suhu naik, Q dan T dianggap positif, d energi dipindahkan ke dalam sistem. Ketika suhu berkurang, Q dan T dianggap negatif, dan energi berpindah keluar sistem.

Azas BlackHukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah energi yang meninggalkan sebuah sistem sama dengan jumlah energi yang masuk ke dalam sistem tersebut.QLEPAS = QTERIMA Jika kita ingin mendinginkan air panas, maka perlu ditambahkan air dingin ke dalam air panas tersebut sehingga didapat air hangat yang suhunya berada di antara suhu air panas dan suhu air dingin.

KalorimeterKalorimeter adalah alat yang digunakan untuk menentukan kalor jenis suatu zat.Kalorimeter menggunakan teknik pencampuran yang melibatkan pemanasan sebuah sampel yang telah diketahui suhunya Tx, dengan menempatkannya ke dalam sebuah bejana berisi air yang massa dan suhunya diketahui dimana Ta < Tx, kemudian mengukur suhu air setelah tercapai keseimbangan.

Hukum Kekekalan Energi dalam Kalorimeter : maca (Tf Ta) = mxcx (Tx Tf)sehingga :

TaTxTf

Soal1. Batang logam dengan massa 0,5 kg dipanaskan hingga suhu 200 oC lalu dimasukkan ke dalam gelas kimia berisi 0,4 kg air pada suhu 20 oC. Jika suhu keseimbangan akhir sistem adalah 22,4 oC, carilah kalor jenis logam tersebut.2. Sepotong aluminium yang massanya 200 gr dipanaskan sampai suhu 90 oC, kemudian dimasukkan ke dalam bejana berisi 100 gr air pada suhu 20 oC. Dengan mengabaikan pertukaran kalor dengan lingkungan sekitar, hitunglah suhu akhir campuran, jika :a. kalor yang diserap bejana diabaikanb. kalor diserap oleh bejana dengan massa 50 gr aluminiumKalor jenis air 4200 J/kg.K dan kalor jenis aluminium 900 J/kg.K

Kalor LatenKetika zat berubah dari wujud satu ke wujud yang lain, perpindahan energinya tidak menghasilkan perubahan suhu. Perubahan wujud ini sering disebut juga perubahan fase

Semua perubahan fase mengalami perubahan energi dalam, tetapi tidak mengalami perubahan suhu. Peningkatan energi dalam pada penguapan contohnya, direpresentasikan oleh pemutusan ikatan-ikatan antar molekul dalam keadaan cair; pemutusan ikatan ini menyebabkan molekul-molekul terpisah lebih jauh dalam keadaan gas, dan ini menghasilkan peningkatan energi potensial antar molekul.Energi yang dibutuhkan untuk mengubah fase suatu zat murni yang bermassa m, dirumuskan :Q = mL Tanda positif pada persamaan (8) digunakan ketika energi memasuki sistem, menyebabkan peleburan maupun penguapan. Tanda negatif berarti bahwa energi meninggalkan sistem, seperti pada pembekuan maupun kondensasi (pengembunan).

Ketika gas didinginkan, gas tersebut terkondensasi dan energi yang dilepaskan per satuan massa disebut kalor laten pengembunan dan secara numerik sama dengan kalor laten penguapan. Demikian juga ketika cairan didinginkan, ia akan membeku, dan kalor laten pembekuan secara numerik sama dengan kalor laten peleburan.Kalor laten penguapan suatu zat biasanya sedikit lebih besar daripada kalor laten peleburan.

Untuk memahami kalor laten dalam proses perubahan fase, perhatikan energi yang dibutuhkan untuk mengubah 1 gr es balok pada suhu -10 oC menjadi uap pada suhu 120 oC.

Soal1. Berapa massa uap air yang suhu awalnya 130 oC dibutuhkan untuk memanaskan 200 gr air dalam wadah gelas bermassa 100 gr dari 20 oC menjadi 50 oC ?2. Sepotong es yang massanya 0,05 kg dan suhunya -20 oC dimasukkan ke dalam cangkir berisi 0,2 kg air yang suhunya 15 oC. Berapa suhu akhir campuran jika kalor jenis air = 4200 J/kg.K, kalor jenis es 2100 J/kg.K, dan kalor lebur es = 3,3 x 105 J/kg. Abaikan pertukaran kalor terhadap cangkir dan udara sekitarnya.

Perpindahan Kalor Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal.Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi

Perpindahan Kalor Konduksi Mekanisme perpindahan kalor dari ujung logam yang dekat dengan api menuju ujung logam yang dipegang oleh tangan dinamakan perpindahan panas secara konduksi.Konduksi kalor dapat dipandang sebagai akibat perpindahan energi kinetik dari satu partikel ke partikel yang lain melalui tumbukan.

Perpindahan Kalor KonduksiKondisi normal : partikel-partikel dalam logam bergetar di posisi seimbangnya.Saat api memanaskan logam : getaran partikel-partikel di dekat api lebih cepat sehingga Ek juga bertambah besarPartikel-partikel ini, bertumbukan dengan partikel-partikel di sekitarnya dan memindahkan sejumlah energi kinetik pada saat tumbukan sampai akhirnya getaran partikel-partikel logam yang dipegang oleh tangan juga bergetar dengan cepatKenaikan getaran ini dideteksi dengan naiknya suhu logam dan tangan akan segera terasa panas.

Perpindahan Kalor KonduksiPerpindahan kalor secara konduksi terjadi dimana kalor merambat melalui batang logam tanpa ada bagian logam yang pindah bersama kalor.Logam mengandung banyak elektron yang bebas bergerak dan di tempat yang dipanaskan, energi elektron-elektron tersebut bertambah besar.Pertambahan energi ini dengan cepat dapat diberikan ke elektron-elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan, sehingga dengan cara ini kalor dapat berpindah lebih cepatDengan demikian, dalam konduktor yang baik seperti tembaga, konduksi terjadi melalui getaran atom dan gerakan elektron-elektron bebasnya.

Perpindahan Kalor KonduksiSuatu lempengan dari bahan dengan ketebalan x dan luas penampang A. Satu sisi lempengan berada pada suhu T1 dan sisi lainnya bersuhu T2, dimana T1 > T2Laju perpindahan energi H = Q/t, sebanding dengan luas penampang A dan beda suhu T = T1 T2 dan berbanding terbalik dengan ketebalannya x :

Perpindahan Kalor KonduksiBahan-bahan yang merupakan konduktor termal yang baik mempunyai nilai konduktivitas termal yang besar, sedangkan isolator termal mempunyai nilai konduktivitas termal yang kecil.

Perpindahan Kalor KonduksiMisalkan suatu batang homogen dengan panjang L diinsulasi secara termal sehingga energi tidak dapat keluar masuk dalam bentuk kalor dari permukaannya, kecuali pada ujung-ujungnya. Salah satu ujungnya terhubung dengan reservoir energi pada suhu Tc, dan ujung lainnya berada dalam kontak termal dengan reservoir pada suhu Th, dimana Th > Tc.Ketika keadaan tunak telah tercapai, suhu pada setiap titik pada batang adalah konstan terhadap waktu. Dengan demikian, laju perpindahan energi oleh konduksi dalam batang tersebut adalah :

SoalSebuah kotak dengan luas permukaan total 1,20 m2 dan ketebalan dinding 4 cm dibuat dari bahan insulator. Pemanas elektrik 10 W dalam kotak menjaga suhu di dalam kotak 15 oC lebih tinggi daripada suhu di luar. Hitung konduktivitas termal k dari bahan insulator tersebut.

Misalkan dua batang logam berbeda jenis dengan luas penampang sama, salah satunya dihubungkan. Suhu ujung bebas batang pertama T1, sedang suhu ujung bebas batang kedua T2, dimana T1 > T2, Dalam masalah ini, laju aliran kalor dalam kedua batang adalah sama besarnya, dan secara matematis dinyatakan :karena kedua logam memiliki luas penampang yang sama, maka persamaan di atas menjadi :

Soal :Sebuah batang silinder dengan luas penampang 5 cm2 dibuat dengan menyambungkan 0,3 m batang tembaga dengan 0,12 m batang aluminium. Ujung bebas tembaga dijaga pada suhu tetap 70 oC dan ujung bebas aluminium dijaga pada suhu tetap 10 oC. Jika konduktivitas termal tembaga dan aluminium masing-masing 397 W/m.K dan 238 W/m.K, hitung :a. suhu pada titik sambunganb. laju konduksi kalor sepanjang batang

Perpindahan Kalor KonveksiPada keadaan ini, udara di atas api dipanasi dan mengembang sehingga massa jenisnya turun. Udara hangat yang massa jenisnya lebih kecil akan naik menghangatkan tangan yang berada di atas nyala api tersebut, dan tempatnya digantikan oleh udara dingin yang massa jenisnya lebih besar.Proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi. Perpindahan kalor konveksi merupakan perpindahan kalor karena berpindahnya partikel-partikel atau materi zat itu sendiri.

Pada konveksi alamiah pergerakan fluida terjadi karena perbedaan massa jenis, sedangkan pada konveksi paksa terjadinya pergerakan fluida karena ada paksaan dari luar

Perpindahan Kalor RadiasiRadiasi adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, sama seperti gelombang radio atau gelombang cahaya. Pada radiasi, energi berpindah dengan cara merambat tanpa memerlukan medium (zat antara) seperti halnya konduksi dan konveksi.Radiasi dapat terjadi di ruang hampa sehingga memungkinkan energi matahari sampai ke bumi melalui ruang hampa sejauh lebih dari seratus juta kilometer.

Perpindahan Kalor RadiasiBesarnya laju kalor radiasi tergantung pada luas permukaan benda dan suhu mutlak benda seperti dinyatakan dalam hukum Stefan-Boltzman :Energi yang dipancarkan suatu permukaan benda hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan luas permukaan benda (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan benda ituQ/t = . e . A . T4 Q/t = laju aliran kalor secara radiasi, Watts (sigma) = tetapan Stefan -Boltzman = 5,67 x 108 W/m2.K4A = luas permukaan benda, m2T = suhu permukaan benda, K4 e = koefisien emisivitas benda

Emisivitas adalah suatu ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Emisivitas tidak memiliki satuan, nilainya terletak di antara 0 dan 1 (0 e 1) dan bergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan.Permukaan mengkilat memiliki nilai e yang lebih kecil daripada permukaan kasar. Pemantul sempurna (penyerap paling jelek) merupakan reflektor ideal memiliki e = 0, sedangkan penyerap sempurna sekaligus pemancar sempurna yaitu benda hitam sempurna memiliki e = 1.

SoalKawat lampu pijar memiliki luas penampang 50 mm2, dan suhu 1127 oC. Jika kawat pijar dianggap sebagai benda hitam (e = 1), tentukan :a. Berapa kalor yang diradiasikan oleh kawat tersebutb. Berapa kuat arus yang mengalir melalui kawat jika dihubungkan dengan sakelar bertegangan 220 V dan seluruh energi listrik diubah menjadi kalor radiasi.