Slide 1

BAB VII SUHU DAN KALOR

A. Suhu

Suhu adalah suatu besaran untuk menyatakan ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda.Suhu termasuk besaran pokok. Satuan suhu dalam SI adalah Kelvin (K). Untuk mengetahui besarsuhu suatu benda secara tepat, kita memerlukan alat ukur suhu yaitu termometer. Termometermemanfaatkan perubahan sifat fisik benda atau zat akibat adanya perubahan suhu. Sifat ini disebutsifat termometrik. Berbagai jenis termometer dibuat berdasarkan sifat- sifat termometrik zat.

Termometer zat cair dibuat dengan menggunakan pipa kapiler yang diisi dengan raksa ataualkohol. Jika pipa kapiler terkena panas maka raksa atau alkohol di dalam pipa akan memuai.Posisi raksa atau alkohol dalam pipa kapiler yang terbaca pada skala thermometer menunjukkansuhu suatu benda.

Perbandingan skala dari berbagai thermometer:

TK = Tc + 273C5=R4=F 329=K 2735Gambar 7.1 Perbandingan skala beberapa termometer

Dalam sistem Internasional ( SI) satuan suhu adalah Kelvin ( K).

Contoh. 50 oC = ..... K = ..... oR = ..... oFPenyelesaian:50 oC = 50 + 273 K = 323 K4

739

Contoh. 77 oF = ..... KPenyelesaian:5

B. Kalor

Kalor (Q) adalah energi yang merambat dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunyarendah. Satuan kalor dalam SI adalah Joule. 1 kalori (kal) = 4,2 J atau 1 J = 0,24 kalori. 1 kaloriadalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10C pada 1 gram air.

Kalor JenisKalor jenis adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan 1C dalam setiap 1 kgmassa. Kalor jenis dinyatakan dengan persamaan:C=QmTatau Q mcTDengan:c = kalor jenis (J/kgC atau J/kg K)m = massa zat (kg)T = perubahan suhu (C atau K)Q = jumlah kalor (J)

Kapasitas KalorKapasitas kalor adalah besar kalor yang diperlukan untuk meningkatkan suhu zat tanpamemperhatikan massa zat. Kapasitas kalor dilambangkan dengan C (perhatikan perbedaan simbolC dan c). Kapasitas kalor dinyatakan dengan persamaan:QTc atauQ C.TAsas blackPerpindahan kalor akan berhenti saat terjadi kesetimbangan kalor. Artinya aliran kalor akanterhenti sampai kalor benda yang melepas kalor sama dengan benda yang menerima kalor.Asas Black dinyatakan sebagai berikut:

Qlepas = Qditerima

C. Perubahan Wujud Zat

Dalam kehidupan sehari-hari kita mengenal tiga wujud zat, yakni padat, cair , dan gas. Zat-zattersebut dapat berubah wujud jika menyerap atau melepaskan kalor.Pada gambar 1 ditunjukkan diagram perubahan wujud zat.

74

CAIRGAS

menguap

mengembunmembeku

meleburPADAT

Gambar 7.2 Diagram perubahan wujud zat

Melebur adalah perubahan wujud dari padat menjadi cair, membeku adalah perubahan wujud daricair menjadi padat, menguap adalah perubahan wujud dari cair menjadi gas, menyublim adalahperubahan wujud dari padat langsung langsung menjadi gas (tanpa melalui wujud cair), deposisiadalah kebalikan dari menyublim yaitu perubahan langsung dari wujud gas ke wujud padat. Padagambar, panah ke bawah menyatakan dilepaskan kalor dan panah ke atas menyatakan diperlukankalor.1. Melebur dan MembekuMelebur adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Kalor yang diperlukan untukmengubah wujud 1 kg zat padat menjadi zat cair dinamakan kalor laten lebur atau kalor lebur.Kalor yang dilepaskan pada waktu zat membeku dinamakan kalor laten beku atau kalor beku.Untuk zat yang sama, kalor lebur = kalor beku. Kedua jenis kalor laten ini disebut kalor leburdan diberi simbol Lf. Jika banyak kalor yang diperlukan oleh zat yang massanya m kg untukmelebur adalah Q Joule, maka:Q = m.Lfdengan:m= massa (kg)Q = jumlah kalor (J)Lf = kalor lebur (J/kg)

2. Menguap, Mendidih, dan Mengembun

75menyublimmenyublim

76Gambar 7.3 Penguapan airMenguap adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi uap. Pada waktu menguap zatmenyerap kalor. Peristiwa yang memperlihatkan bahwa pada waktu menguap memerlukankalor adalah mendidih. Pada waktu mendidih, suhu zat tetap sekalipun pemanasan terusdilakukan. Semua kalor yang diberikan pada zat cair digunakan untuk mengubah wujud daricair menjadi uap. Suhu tetap ini disebut titik didih yang besarnya sangat bergantung padatekanan di permukaan zat itu. Titik didih zat pada tekanan 1 atm disebut titik didih normalKalor yang diperlukan untuk mengubah wujud zat 1 kg zat cair menjadi uap pada titik didihnormalnya dinamakan kalor laten uap atau kalor uap. Kalor uap disebut juga kalor didih.Sedangkan kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud 1 kg uap menjadi cair pada titikdidih normalnya dinamakan kalor laten embun atau kalor embun. Kalor didih = kalor embun.Jika banyaknya kalor yang diperlukan untuk mendidihkan zat yang massanya m kg adalah QJoule, maka:Q = m.LVdengan:m = massa (kg)Q = jumlah kalor (J)LV = kalor uap (J/kg)3. MenyublimMenyublim adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi gas atau sebaliknya dari gaslangsung menjadi padat. Contoh menyublim adalah berubahnya wujud kapur barus menjadigas.Contoh. Berapa banyak kalor diperlukan untuk mengubah 10 g es pada 00C menjadi air pada500C?Penyelesaian:Dik:me = 10 g = 10 X 10-3 kgc = 4200 J/kg KTo = 00CLf = 3,3 X 105 J/kgT = 500CDit: Q?Penyelesaian:77Kalor yang diterima es 00C untuk melebur semua menjadi air 00CQ1 = me.Lf= (10 x 10-3 kg)(3,3 x 105J/kg)= 3,3 x 103 JKalor yang diterima air 00C untuk menjadi air pada suhu 500CQ2 = me.c.T= (10 x 10-3kg)(4200 J/kg K)(50K)= 2,1 x 103JMaka banyak kalor yang diperlukan,QT = Q1 + Q2= 3,3 x 103 J + 2,1 x 103 J= 5,4 x 103 JContoh. Berapa banyak kalor yang diperlukan untuk mengubah 50 g air pada 1000C menjadiuap pada 1000C?Penyelesaian:Dik: ma = 50 g = 50 x 10-3kgLv = 2256 x 103J/kgT = 1000CDit: Q?Jwb:Q = m.Lv= (50 x 10-3 kg)(2256 x 103 J/kg)= 112800 JD. Pemuaian Zat1. Pemuaian PanjangPemuaian panjang terjadi pada zat padat yang berbentuk batang atau silinder yanglebar penampangnya lebih kecil daripada panjangnya. Pada pemuaian panjang dikenal istilahkoefisien muai panjang (), yaitu perbandingan antara pertambahan panjang terhadap panjangawal benda per satuan kenaikan suhu.Pertambahan panjang suhu benda jika suhunya dinaikkan dapat ditulis dengan persamaan:l = l0 T atau lt = l0 (1 + T)Keterangan: l0 = panjang benda mula- mula (m)l = pertambahan panjang benda (m) = koefisien muai panjang (1/0C)T= kenaikan suhu (0C)Lt = panjang benda setelah kenaikkan suhu (m)2. Pemuaian LuasPemuaian luas terjadi pada zat padat yang berbentuk lempengan atau pelat tipis.Pertambahan luas bidang suatu benda jika suhu dinaikkan dapat ditulis sebagai:A = A0 T atau At = A0 (1 + T)Keterangan : A0 = luas bidang benda mula- mula (m2)A = pertambahan luas (m2) = koefisien muai luas (1/0C)T = kenaikkan suhu (0C)At = luas setelah kenaikkan suhu (m2)

3. Pemuaian VolumePemuaian volume juga disebut muai ruang. Muai volume terjadi pada zat padat, cair,dan gas. Pertambahan volume suatu benda jika suhunya dinaikkan dapat ditulis sebagaiberikut :V = V0 T atau Vt = V0 (1 + T)Keterangan : V0 = Volume benda mula- mula (m3)V= kenaikkan volume (m3)T= kenaikkan suhu (0C) = koefisien muai ruang (1/0C)Vt = volume setelah kenaikkan suhu (m3)

4. Pemuaian GasSejumlah gas bermassa m, bertekanan P, bertemperatur T, dan berada dalam ruang tertutupyang bervolume V. Proses yang dapat dilakukan terhadap gas tersebut adalah:a. IsobarikBila sejumlah gas bermassa tertentu, pada tekanan tetap, ternyata volumenya sebandingdengan temperatur mutlaknya, dikenal dengan hukum Gay-Lussac. Proses ini disebutproses isobarik.== Jadi pada tekanan tetap berlaku:11=22b. IsotermikSejumlah gas bermassa tertentu pada temperatur konstan, ternyata tekanan gasberbanding terbalik dengan volumenya atau dikenal dengan Hukum Boyle. Proses inidisebut dengan proses isotermik. = = Jadi pada temperatur tetap berlaku:1 1 = 2 2c. IsokhorikGas dapat diekspansikan pada volume tetap dan prosesnya disebut dengan prosesisokhorik. Pada proses ini tekanan gas sebanding dengan temperatur mutlaknya.== Jadi pada volume tetap berlaku:11=22Kesimpulan dari kenyataan-kenyataan di atas, makan untuk gas bermassa tertentu dapatdituliskan dalam bentuk:

78

= = 1 . 1 2 . 2=1 2Persamaan ini disebut persamaan Boyle-Gay Lussac.

E. Perpindahan Kalor

Terdapat tiga mekanisme perpindahan kalor:1. Perpindahan Kalor Secara KonduksiKonduksi adalah perpindahan kalor dengan zat perantara tanpa disertai aliran zat perantara. Contoh konduksiKalor dari dalam elemenke permukaan luar setrikamerambat melalui konduksiKalor dari ujung batang yang satuke ujung yang lain merambatmelalui konduksiGambar 7.4 Perpindahan kalor secara konduksi

Laju kalor dalam peristiwa konduksi:TLH kADengan:HKATL= arus kalor (J/s)= konduktivitas termal (W/moC)= Luas penampang aliran (m2)= temperatur tinggi (oC)= panjang penghantar (m)2. Perpindahan Kalor Secara KonveksiKonveksi adalah perpindahan kalor melalui aliran massa suatu medium perantara. Misalnya,pada radiator pendingin mesin menggunakan air sebagai medium alir penghantar kalor.

79

80panasPemanasan di bawah menyebabkanmassa jenis zat cair di bawah mengecilakibat pemuaianGambar 7.5 Perpindahan panas dengan konveksi-----Massa jenis yang kecil akan ke atas dan massa jenis yang besar akan ke bawahMolekul-molekul zat cair yang berada di bawah (bergerak lebih kencang) bergerak naikMolekul-molekul zat cair yang berada di atas (bergerak lebih lambat) bergerak naikAkibatnya, bagian atas zat cair menjadi panasKita katakan kalor telah berpindah dari bagian bawah ke bagian atasLaju kalor dalam peristiwa konveksi:Keterangan:H = laju kalor (watt atau J/s)H = koefisien konveksi bahan (Wm-2K-1)A = luas penampang yang bersentuhan dengan fluida (m2)T = beda suhu antara benda dan fluida (K atau oC)

3. Perpindahan Kalor Secara RadiasiRadiasi adalah perpindahan kalor tanpa zat perantara, melalui pancaran radiasielektromagnetik. Misalnya, sinar matahari yang sampai ke bumi tanpa medium apa pun diruang hampa udara.Kalor merambat tanpa perantara.Sebagian besar ruang antar bintangdan planet adalah hampaDari api unggun kalor merambatmelalui radiasi dan konveksi(melalui udara)Gambar 7.6 perpindahan panas dengan radiasi

Laju kalor dalam peristiwa radiasi, kemudian diberi nama Hukum Stefan Boltzmann:W = e T4Keterangan:W= daya/laju kalor (W/m2) hATQTH eT= emisivitas (daya pancaran) permukaan benda= suhu mutlak benda (K)= tetapan Stefan = 5,672 x 10-8 Wm-2K4SOAL LATIHAN

Kerjakan soal-soal di bawah ini dengan benar!

1. Apakah yang dimaksud dengan:a. Suhub. Kalorc. Sifat termometrik2. Apakah nama alat yang digunakan untuk mengukur suhu secara tepat?3. Jelaskan dan beri contoh 3 macam perpindahan kalor berikut ini!d. Konduksie. Konveksif. Radiasi4. Konversikan satuan suhu berikut:a. 45 oC = ....... Kb. 303 K = ....... oFc. 20 oR = ....... oF5. Panjang batang rel masing-masing 10 meter, dipasang pada suhu 20oC. Diharapkan pada suhu30oC rel tersebut saling menempel. Koefisien muai batang rel kereta api 12 10-6/oC.Hitunglah jarak antara kedua batang rel pada saat dipasang!6. Sejumlah gas bermassa m, bertekanan P, bertemperatur T, berada dalam ruang tertutupbervolume V, dapat mengalami proses-proses berikut :a. Isobarikb. Isotermikc. IsokhorikJelaskan pengertian proses-proses tersebut!7. Air sebanyak 0,5 kg pada 1000C diuapkan seluruhnya. Maka kalor yang diperlukannyasebesar....8. 1 kg tembaga pada suhu (300) akan dilebur seluruhnya menjadi cair. Berapakah kalor yangdiperlukan untuk peleburan tembaga itu?

81