TERMOFISIKA

Tujuan Pembelajaran Umum :

Setelah mempelajari bab ini, diharapkan mahasiswa dapat memahami dan menguasai konsep-konsep suhu, kalor, dan teori kinetik gas, melalui penalaran, pengamatan serta latihan terbimbing; dan mampu menerapkan konsep-konsep tersebut pada permasalahan praktis.

Tujuan Pembelajaran Khusus

Setelah mempelajari bab ini dan mengerjakan soal perlatihannya, mahasiswa diharapkan mampu :

1. menyebutkan pengertian suhu dan kalor, beserta satuan-satuannya, dan prinsip kerja pengukuran suhu

2. menghitung konversi satuan suhu dari satu skala ke skala lainnya3. menyebutkan rumus pemuaian panjang dan volume, serta menerapkannya

pada masalah praktis4. menyebutkan prinsip Black, serta menerapkannya pada masalah praktis5. menyebutkan jenis-jenis perpindahan kalor, perumusannya, serta

menerapkannya pada masalah praktis6. menyebutkan syarat-syarat gas ideal7. menyebutkan persamaan-persamaan yang berlaku pada teori kinetik gas serta

contoh pemakaiannya pada keadaan sehari-hari

S U H U

Setiap benda terdiri atas partikel-partikel kecil yang disebut atom atau molekul. Partikel-partikel ini selalu bergerak, sehingga setap partikel memiliki energi kinetik. Besarnya rerata energi kinetik partikel ini berbanding lurus terhadap suhu. Makin tinggi suhu, gerakan partikel makin cepat, hingga energi kinetiknya makin besar. Total energi kinetik partikel untuk suatu benda disebut energi dalam. Jadi suhu merupakan ukuran dari energi dalam benda. Untuk mengukur suhu digunakan termometer. Termometer bekerja berdasarkan sifat termometrik zat, satu diantaranya adalah pemuaian zat.

Termometer air raksa dalam gelas merupakan termometer yang dibuat dari air raksa ( merkuri – Hg ) yang ditempatkan pada suatu tabung kaca. Tanda yang dikalibrasi pada tabung membuat temperatur dapat dibaca sesuai panjang air raksa di dalam gelas, yang bervariasi sesuai suhu atau temperature sekitar termometer. Untuk meningkatkan ketelitian, biasanya ada bohlam air raksa pada ujung termometer yang berisi sebagian besar air raksa; pemuaian dan penyempitan volume air raksa

1

kemudian dilanjutkan ke bagian tabung yang lebih sempit. Ruangan di antara air raksa dapat diisi atau dibiarkan kosong.

Sebagai pengganti air raksa, beberapa termometer keluarga menggunakan cairan lain seperti alkohol dengan tambahan pewarna merah. Termometer ini lebih aman dan mudah untuk dibaca.

Jenis khusus termometer air raksa, disebut termometer maksimum, bekerja dengan adanya katup pada leher tabung dekat bohlam. Saat suhu naik, air raksa didorong ke atas melalui katup oleh gaya pemuaian. Saat suhu turun air raksa tertahan pada katup dan tidak dapat kembali ke bohlam membuat air raksa tetap di dalam tabung. Pembaca kemudian dapat membaca temperatur maksimum selama waktu yang telah ditentukan. Untuk mengembalikan fungsinya, termometer harus diayunkan dengan keras. Termometer ini mirip desain termometer medis.

Air raksa akan membeku pada suhu -38.83 °C (-37.89 °F) dan hanya dapat digunakan pada suhu di atasnya. Air raksa, tidak seperti air, tidak mengembang saat membeku sehingga tidak memecahkan tabung kaca, membuatnya sulit diamati ketika membeku. Jika termometer mengandung nitrogen, gas mungkin mengalir turun ke dalam kolom dan terjebak di sana ketika temperatur naik. Jika ini terjadi termometer tidak dapat digunakan hingga kembali ke kondisi awal. Untuk menghindarinya, termometer air raksa sebaiknya dimasukkan ke dalam tempat yang hangat saat temperatur di bawah -37 °C (-34.6 °F). Pada area di mana suhu maksimum tidak diharapkan naik di atas - 38.83 ° C (-37.89 °F) termometer yang memakai campuran air raksa dan thallium mungkin bisa dipakai. Termometer ini mempunyai titik beku -61.1 °C (-78 °F).

Termometer air raksa umumnya menggunakan skala suhu Celsius dan Fahrenhait. Anders Celsius merumuskan skala Celsius, yang dipaparkan pada publikasinya ”the origin of the Celsius temperature scale” pada tahun 1742.

Celsius memakai dua titik penting pada skalanya: suhu saat es mencair dan suhu penguapan air. Ini bukanlah ide baru, sejak dulu Isaac Newton bekerja dengan sesuatu yang mirip. Pengukuran suhu celsius menggunakan suhu pencairan dan bukan suhu pembekuan. Eksperimen untuk mendapat kalibrasi yang lebih baik pada termometer Celsius dilakukan selama 2 minggu setelah itu. Dengan melakukan eksperimen yang sama berulang-ulang, dia menemukan es mencair pada tanda kalibrasi yang sama pada termometer. Dia menemukan titik yang sama pada kalibrasi pada uap air yang mendidih (saat percobaan dilakukan dengan ketelitian tinggi, variasi terlihat dengan variasi tekanan atmosfir). Saat dia mengeluarkan termometer dari uap air, ketinggian air raksa turun perlahan. Ini berhubungan dengan kecepatan pendinginan (dan pemuaian kaca tabung).

Tekanan udara mempengaruhi titik didih air. Celsius mengklaim bahwa ketinggian air raksa saat penguapan air sebanding dengan ketinggian barometer.

Saat Celsius memutuskan untuk menggunakan skala temperaturnya sendiri, dia menentukan titik didih pada 0 °C (212 °F) dan titik beku pada 100 °C (32 °F). Satu

2

tahun kemudian Frenchman Jean Pierre Cristin mengusulkan versi kebalikan skala celsius dengan titik beku pada 0 °C (32 °F) dan titik didih pada 100 °C (212 °F). Dia menamakannya Centrigade.

Pada akhirnya, Celsius mengusulkan metode kalibrasi termometer sbb:

1. Tempatkan silinder termometer pada air murni meleleh dan tandai titik saat cairan di dalam termometer sudah stabil. ini adalah titik beku air.

2. Dengan cara yang sama tandai titik di mana cairan sudah stabil ketika termometer ditempatkan di dalam uap air mendidih.

3. Bagilah panjang di antara kedua titik dengan 100 bagian kecil yang sama.

Titik-titik ini ditambahkan pada kalibrasi rata-rata tetapi keduanya sangat tergantung tekanan udara. Saat ini, tiga titik air digunakan sebagai pengganti (titik ketiga terjadi pada 273.16 kelvins (K), 0.01 °C).

CATATAN: Semua perpindahan panas berhenti pada 0 K, Tetapi suhu ini masih mustahil dicapai karena secara fisika masih tidak mungkin menghentikan partikel.

Hari ini termometer air raksa masih banyak digunakan dalam bidang meteorologi, tetapi penggunaan pada bidang-bidang lain semakin berkurang, karena air raksa secara permanen sangat beracun pada sistem yang rapuh dan beberapa negara maju telah mengutuk penggunaannya untuk tujuan medis. Beberapa perusahaan menggunakan campuran gallium, indium, dan tin (galinstan) sebagai pengganti air raksa.

Ada 3 jenis termometer zat cair yang sudah dikenal, yaitu termometer Celcius, Fahrenheit dan Kelvin. Sebelum membuat skala masing-masing termometer terlebih dahulu harus menentukan suhu acuan yang sama, yaitu suhu terendah digunakan es yang sedang melebur pada tekanan 1 atmosfir dan air mendidih pada tekanan 1 atmosfir untuk suhu tinggi.Untuk menentukan konversi penunjukan suhu oleh masing-masing termometer dapat digambarkan sebagai berikut :

Perbandingan jangkauan tetap suhu tertinggi dan terendah

3

K

F

C

373o

212o

100o

r

q

to

273o

32o

0o

es melebur pada P = 1 atm

air mendidih pada P = 1 atm

C : F = 100: 180 =5 : 9

Jadi konversi satu skala thermometer terhadap skala lainnya adalah :

t oC = q oF q = …..q - 32t - 0

= 95

q = 95

t +32

t oC = T K r = …..T -273t-0

=55

T – 273 = 1.t T = t + 273

PEMUAIAN

Seperti telah disebutkan pada bagian awal, bahwa semakin tinggi suhu benda, maka gerak partikel didalamnyapun semakin cepat. Pada saat partikel bergerak makin cepat, mereka membutuhkan ruang gerak yang lebih besar, sehingga ukuran keseluruhan benda menjadi lebih besar. Hal inilah yang dikenal sebagai pemuaian. Jadi pada saat memuai, ukuran partikel ( atom atau molekul ) tidak menjadi lebih besar.

Pada umumnya, secara makroskopik, benda bila mengalami kenaikan suhu akan memuai (pertambahan ukuran benda). Pemuaian panjang :

L = Lo. . T L = perubahan panjang L = Lo + T Lo = panjang awal L = Lo [1 + . T] = koefisien muai panjang

T = perubahan suhu Pemuaian luas :

A = Ao . . T A = perubahan luas A = Ao + A Ao = luas mula-mula A = Ao [1 + . T] = 2 = koefisien

T = perubahan suhu Pemuaian Volume

V = Vo . . T V = perubahan volume V = Vo + V Vo = Volume awal V = Vo [1 + . T] = 3 = koefisien muai ruang

T = perubahan suhu

KALOR

Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengalir apabila ada perbedaan suhu. Kalor akan mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah secara otomatis.

4

Kalor yang diperlukan/dilepas benda (Q) untuk mengubah suhu, dapat dirumuskan sebagai :

Q = m c T Keterangan : m= massa benda (kg)

c= kalor jenis (J/kg K) T= perubahan suhu (K)

Kalor yang diperlukan / di lepas pada perubahan wujud zat (Q)

Pada peristiwa perubahan wujud tidak terjadi perubahan suhu.

Azas BlackUntuk sistem yang tersekat ( tidak ada energi keluar atau masuk ), pada pencampuran dua benda atau lebih, berlaku kalor yang dilepaskan satu benda sama dengan kalor yang diterima benda lain:Qdilepas = Qditerima.

Asas Black merupakan suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black, yang mengemukakan :

Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang suhunya lebih tinggi akan memberikan kalor pada benda yang suhunya lebih rendah sehingga setelah seimbang termal suhu akhirnya akan sama

Jumlah kalor yang diserap benda penerima sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda pemberi

Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan

PERPINDAHAN KALOR

Kalor adalah energi yang berpindah karena adanya perbedaan suhu. Dalam proses perpindahannya, kalor dapat mengalir dengan tiga cara, yaitu :

1. Konduksi

Konduksi merupakan proses perpindahan atau hantaran kalor yang tidak disertai perpindahan materi secara makro, dan pembawa kalornya adalah elektron-elektron bebas atau partikel yang disebut fonon. Contoh konduksi yang umum terjadi adalah perpindahan kalor pada batang logam jika satu ujung dipanaskan. Jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu secara konduksi, memenuhi Hukum Fourier :

Secara umum berlaku H = k A

dTdX

dTdX merupakan gradien temperatur.

Jika panjang bahan diketahui dengan perubahan rata-rata temperatur ΔT , maka

5

Q = m L m = massa yang berubah wujud (gk)L = kalor laten (J/kg)

Keterangan :

H = kalor yang mengalir tiap sekon ( watt).k = konduktivitas termal zat (watt/mK)A = luas penampang batang (m2)L = panjang batang (m)T=beda suhu antara ujung-ujung batang (K)

2. Konveksi

Konveksi terjadi karena kalor berpindah dibawa oleh partikel medium yang bergerak disebabkan oleh terjadinya perbedaan kerapatan ( massa jenis, berat jenis ) jika suhu benda tidak homogen; karenanya konveksi umumnya terjadi pada zat cair atau gas. Contoh aplikasi konveksi pada kehidupan sehari-hari adalah penempatan freezer ( di atas ) pada mesin pendingin ( kulkas ), pemasangan lubang angin ( ventilasi ) di bagian atas dinding ruangan, pemanasan cairan pada bejana di atas kompor, dan lain sebagainya. Perumusannya agak rumit, namun dapat disederhanakan sebagai :

H = h A T h = koefisien konveksi (watt/m2 oC)

3. Radiasi

Radiasi merupakan proses perpindahan kalor dengan pembawanya berupa gelombang elektromagnetik. Karena gelombang elektromagnetik dapat merambat melalui ruang hampa ( vakum ), maka kalorpun dapat diradiasikan melalui ruang hampa ( misalnya energi matahari merambat dari matahari ke bumi melalui angkasa luar yang hampa udara ). Jumlah kalor yang dipindahkan melalui radiasi dirumuskan oleh Stefan sebagai :

Q = e T4 A . t

Keterangan :Q = kalor yang diradiasikan ( J )e = emisivitas ( daya pancar ) benda, jika benda memancarkan kalor

( =a, absorbsivitas, daya serap, jika benda menyerap kalor ) = tetapan Stefan - BoltzmannA = luas permukaan benda (m2)t = waktu (s)

Karena pembawa kalor berupa gelombang elektromagnetik, maka berlaku persamaan:

E=hf atau E=h

cλ

6

H = k . A ΔTL

E = energi panas ( joule )

h = konstanta plank 6,62 X 10-34 Js

C = cepat rambat gel elektromagnet ( 3 x 10 8 m/s )

λ = panjang gelombang elektromagnetik ( m )

7