Suhu dan Kalor

SUHU DAN KALOR

STANDAR KOMPETENSI                                                         

·         Menerapkan konsep suhu dan kalor

KOMPETENSI DASAR

·         Memahami konsep suhu dan kalor

·         Menguasai pengaruh kalor terhadap zat

·         Mengenal cara perpindahan kalor

A. Suhu

Dalam kehidupan sehari-hari, ukuran mengenai panas dinginnya benda disebut temperature atau suhu. Alat pengukur suhu mengunakan termometer. Dalam kehidupan sehari-hari kita menggunakan termometer zat cair dan pada umumnya menggunakan raksa atau alkohol. 

Sebagian besar zat memuai ketika dipanaskan dan mengerut ketika didinginkan. Misalkan, kabel yang digantungkan pada tiang listrik, memanjang disiang hari karena mendapatkan panas dari sinar matahari. Pada malam hari, kabel akan memendek karena udara disekitarnya cukup dingin. Sifat – sifat zat yang berubah jika dipanaskan disebut sifat termometrik. 

1.    Konversi Suhu

Perbandingan skala termometer pada tekanan 76 cmHg

A.        Kalor

Kalor adalah suatu bentuk energi yang hanya dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Energi panas yang dipindahkan dari satu benda ke benda lain yang berbeda suhunya dinamakan kalor.

          Satuan dari pada kalor adalah kalori , satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan satu gram air sehingga suhunya naik satu derajat  Celcius. 1  kalori   =   4,2 joule.

1. Ka1. Kalor Jenis

Kalor jenis merupakan sifat khas suatu zat yang menunjukkan kemampuan zat tersebut untuk menyerap kalor.

      c           = kalor jenis (kal/gr ^oC, J/kg ^oK)

      Q         = jumlah kalor (kal, Joule)

      m         = massa (kg)

      t        = perubahan suhu (^oC, ^oK)

 

2. Ka2. Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor merupakan Bilangan yang menunjukkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu tiap satu-satuan suhu.

        C        = kapasitas kalor (panas) (kal/^oC, J/^oK)

 

1. Ka3. Kalor Laten

Kalor laten merupakan Bilangan yang menunjukkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk merubah wujud suatu zat tiap satu-satuan massa.

L   = kalor laten (kal/gr, J/kg)

m  = massa yang berubah wujud (kg)

Q   = kalor (panas)

C. Pemuaian

Pada umumnya benda akan memuai jika suhunya naik.

1.      Muai Panjang

Suatu batang panjang mula-mula l_o dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka, 

Contoh Soal:

Suatu batang logam yang terbuat dari aluminium panjangnya 2 m  pada suhu 30 °C. Bila koefisien muai panjang aluminium 25 x 10^–6 /°C.Berapakah pertambahan panjang batang aluminium tersebut bila suhunya dinaikkan  menjadi 50 °C.

Jawab : 

Catatan :

Perubahan suhu dalam satuan derajat Celcius senilai dengan perubahan suhu pada Kelvin. Namun perlu diingat bahwa suhu derajat Celcius tidak senilai dengan Kelvin. 

2.      Muai Luas

Suatu bidang luasnya mula-mula A_o , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan : 

Contoh soal

Plat besi luasnya 4 m² pada 20 °C. Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 °C maka berapa luasnya sekarang?

Jawab:

3.      Muai volum

Volume mula-mula suatu benda V_o , kemudian dipanaskan sehingga suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini dapat ditunjukkan dalam rumus :

Contoh soal

Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m pada suhu 20 °C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10^-5 /K, tentukan volume kuningan pada suhu 120 °C !

Jawab :

D. Perpindahan Kalor

1.      Konduksi 

Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan :

Keterangan :

H          = laju aliran kalor (J/s atau watt)

Q         = kalor yang dipindahkan (joule)

t           = waktu (s)

k          = konduktivitas termal zat (W/mK)

A          = luas penampang melintang (m²)

∆t         = perubahan suhu (°C atau K)

l           = tebal penghantar (m)

Contoh soal

Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. Maka

[k . A ∆T/L)] _besi = [k . A ∆T/L)] _kuningan

k . A (500 - T) / 2    = 3 k A (T - 350)/ l

   T= 2600/7

     = 371,4ºC

2.      Konveksi

Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair. Laju perpindahan kalor di sekitar suatu benda dirumuskan :

Keterangan :

H        = laju aliran kalor (J/s atau watt)

Q       = kalor yang dipindahkan (joule)

t         = waktu (s)

h        = koefisien konveksi (W/m²K)

A        = luas penampang melintang (m²)

∆t       = perubahan suhu (°C)

3.      Radiasi

Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara, seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran dengan oven dan efek rumah kaca. Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam radiasi dirumuskan :

Sedangkan intensitas radiasi sebesar,

I = e s  T⁴ 

Keterangan :

H          = laju aliran kalor tiap satuan waktu (J/s atau watt)

I           = intensitas radiasi (watt/m²)

Q         = kalor yang dialirkan (J)

t           = waktu (s)

A          = luas (m²), luas permukaan lingkaran = 4.p.r²

T          = suhu (K)

e          = emisivitas benda (tanpa satuan)

(e bernilai 1 untuk benda hitam sempurna, dan bernilai 0 untuk benda tidak hitam sama sekali. Pengertian benda hitam sempurna disini adalah benda yang memiliki kemampuan menyerap semua kalor yang tiba padanya, atau mampu  memancarkan  seluruh energi yang dimilikinya).

Contoh:

Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m² dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam

Jawab:

Benda hitam, maka  e = 1

E.   Azas Black

Ilmuwan Inggris pada tahun 1761 Joseph Black menyatakan bahwa kalor yang diberikan suatu benda sama dengan kalor yang diterima pada suatu benda dalam suatu sistem tertutup. Sistem tertutup tersebut dapat dilakukan dalam suatu kalorimeter, misalkan ada jumlah masa m₁ zat, bersuhu t₁, kemudian dicampuri dengan sejumlah masa m₂ zat lain bersuhu t₂ dan keduanya dapat ditentukan dengan persamaan:

Q_serap = Q_lepas

Bunyi asas Black “ Kalor yang diserap/diterima sama dengan kalor yang dilepas.Persamaan di atas dikenal dengan nama asas Black atau hukum kekekalan energi kalor.

Contoh:

Jika 2 kg air bersuhu 5 ⁰C dicampur dengan 5 kg air bersuhu 26 ⁰C, maka tentukan suhu akhir campuran kedua zat !

Jawab :

Karena kedua zat sejenis, maka kalor jenis dari kedua zat adalah sama, dan dapat saling meniadakan.

Q serap = Q lepas

m₁.c.∆t₁ = m₂.c. ∆t₂

2.c.(t-5) = 5.c.(26-t)

2.t – 10 = 130-5.t

            t = 140 : 7

            t = 20⁰C

Latihan

1.   Sebatang linggis massa 10 kg dimasukkan ke dalam api unggun hingga bersuhu 99°C. Jika kalor jenis linggis 280 J/kg °C, berapakah suhu akhir ketikaa linggis tersebut dicelupkan ke dalam bak mandi berisi 50kg air bersuhu 19°C, kalor jenis air 4200 J/kg°C ?

 

2.   Secangkir air kopi pahit bersuhu 70 ⁰C bermassa 200 gram, kedalamnya dituangkan susu   sapi dingin dengan suhu 20 ⁰C bermassa 60 gram.Jenis air kopi dan air susu sama    dengan kalor jenis air yaitu 1 kalori/gram⁰C. Berapakah suhu campuran sesudah tercapai   keadaan setimbang ?

E V A L U A S I

Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat dan tulisnlah perhitungan matematisnya

1.    Perhatikan pernyataan berikut :

(1)   Titik didih tinggi

(2)   Tidak berwarna

(3)   Tidak membasahi dinding kaca

(4)   Titik didih rendah

Pernyataan benar mengenai cairan pengisi termometer raksa adalah…

A.   (1), (2) dan (3)                                D. (4) saja

B.   (1) dan (3)                                       E.  Semua benar

C.   (2) dan (4)

2.    Suhu dalam suatu ruang 68^oF. nyatakan suhu ini dalam  …^OCelcius

A.   5,7                                                   D.  30

B.   57                                                    E.   40

C.   20

3.    Jika suatu ruangan memiliki suhu 64^oR berapa angka pada skala celcius?

A.   24                                                    D.   80

B.   40                                                    E.   120

C.   60

4.    Termometer X menunjukkan 20^o pada titik bekunya dan 210^o pada titik didihnya. Jika suhu ruangan 25^oC. Berapa suhu pada termometer X ?

A.   40                                                    D.   320

B.   80                                                    E.   640

C.   160

5.    Termometer  Celcius dan Fahrenheit memiliki suhu yang sama pada nilai….

A.   -40⁰                                                 D.   15⁰

B.   -12,5⁰                                              E.   40⁰

C.   0⁰

6.    Jika suatu zat memiliki kalor jenis tinggi,maka zat itu ….

A.  lambat mendidih               

B.  cepat mendidih

C.  lambat melebur

D.  lambat naik suhunya jika dipanaskan

E.  cepat naik suhunya jika dipanaskan

7.    Besi bermassa 1 kg dipanaskan dari suhu 14⁰C menjadi 30⁰C, dengan energi kalor sebesar 7200 J, maka kalor jenis besi adalah ….

A. 254 J/kg.K                                       D. 450 J/kg.K

B. 345 J/kg.K                                       E. 543 J/kg.K

C. 425 J/kg.K

8.    Kapasitas kalor air bermassa 150gram (kalor jenis air 4200 J/kg.K) adalah….

A. 630 J/K                                                        D. 450 J/K

B. 540 J/K                                                        E. 350 J/K

C. 500 J/K

9.    Jika 75 gram air yang suhunya 0⁰C dicampur dengan 50 gram air yang suhunya 100⁰C. maka suhu akhir campuran itu adalah ….

A. 25⁰C                                                D. 65⁰C

B. 40⁰C                                                E. 75⁰C

C. 60⁰C

10.    Ibu akan menyajikan segelas susu untuk ayah dengan mencampurkan air panas 300 gram saat suhunya 100^oC dan susu 200 gram bersuhu 0^o C. berapakah suhu campuran ketika ibu menyajikan segelas susu kepada ayah?

A.   80^O c                                               D.  40⁰ c                      

B.   60 ^O c                                               E.  50⁰ c

C.   50 ^O c

11.    Sebatang logam panjangnya 20 cm koefisien muai logam adalah 10^-4/^oC jika logam dipanasi dari 30^oc menjadi 80^oc maka pertambahan panjang logam tersebut adalah...

A.   0,001 cm                                        D. 1 cm

B.   0,01 cm                                           E. 10 cm

C.   0,1 cm

12.    Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 100 gram es dari suhu  -10⁰C menjadi air bersuhu 10⁰C adalah ….(kalor jenis es = 2100 J/kg.K, kalor jenis air = 4200 J/kg.K, kalor lebur es = 336 kJ/kg)

A. 22.000 J                                                  D. 45.250 J

B. 33.980 J                                                  E. 45.750 J

C. 39.900 J

13.    Laju kalor pada sebatang logam yang panjangnya x, luas penampang A dan perbedaan suhu ∆ T adalah …

A.        Berbandinglurus dengan luas penampang

B.        Berbanding terbalik dengan perbedaan suhu

C.        Berbanding lurus dengan panjang logam

D.        Berbanding terbalik dengan luas penampang logam

E.         Berbanding lurus dengan waktu

14.    Sepotong plat besi memiliki luas 2 m², dan tebal 0,5 cm, serta konduktivitas termal 80 W/m.K, akan memiliki laju aliran kalor sebesar …., jika terjadi perbedaan suhu 40⁰ pada kedua sisi plat besi tersebut.

A. 1,54 x 10⁵ watt                                D. 1,18 x 10⁶ watt

B. 1,68 x 10⁵ watt                                E. 1,28 x 10⁶ watt

C. 1,82 x 10⁵ watt

15.    Solder merupakan alat yang memenfaatkan teori fisika yaitu pada konsep perambatan kalor secara…    

A.         radiasi                                              D. konduksi                                    

B.        konveksi                                         E. Induksi

C.        iritasi                   

 

II. ESSAY

1.    Pada skala berapa derajat,  suhu skala Fahrenheit sama dengan skala celcius?

2.  Jika 50 gr logam dengan kalor jenis 0,4 kal/gr ^oC yang suhunya 30 ^oC dicampur dengan 100 gr air yang suhunya 90 ^oC, maka suhu akhir campuranya adalah ...(kalor jenis ait 1 kal/gr ^oC)

3.   Suatu plat logam  berbentuk persegi dengan sisi 10 cm. jika koefisien muai panjang logam adalah 3 x 10^-5/ ^oC dan temperatiur plat dipanasi hingga bertambah 20 ^oC. Berapakah pertambahan luas plat logam tersebut?

4.  Jika kalor jenis air 1 kkal/kg ^oC, kalor jenis es 0,5 kkal/kg ^oC dan kalor lebur es=80 kkal/kg, maka untuk menaikkan suhu 5 kg es -20^oC menjadi air 80 ^oC dierlukkan kalor sebesar...kkal

5.  Sebuah jendela kaca dalam ruangan yang ber-AC tebalnya 3,2 mm; luasnya 3 m² dan suhu pada bagian dalam adalah 25 ^oC, sedangkan suhu pada bagian ruang luar adalah 30 ^oC. bila diketahui konduktivitas termal termal 0,8 W/mk maka kalor yag mengalir tiap detiknya adalah ...