SUHU DAN KALOR

SUHU DAN KALOR

Kompetensi Dasar:    ·         Menguasai konsep suhu dan kalor ·         Menguasai pengaruh kalor terhadap zat ·         Melakukan perhitungan yang berkaitan dengan suhu dan kalor ·         Mengenal cara perpindahan kalor

C

R

F

K

100

0

80

0

212

32

273

373

Perbandingan skala pada termometer

Latihan: 1.       Suatu zat suhunya 303 Kelvin. Hitunglah suhu tersebut jika dinyatakan dalam a.       Fahrenheit? b.      Celcius? 2.       Suhu permukaan dua buah dinding 100oR dan 35oR. Ubahlah suhu tersebut dalam derajat Fahrenheit! 3.       Temperatur suatu zat 50oC. Berapa derajat Reamur dan Kelvin temperatur tersebut! 4.       Suatu suhu jika dinyatakan dalam derajat Fahrenheit ternyata tiga kali jika dinyatakan dalam derajat Celcius. Berapakah suhu tersebut?

Latihan: 1.       Tentukan kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 600 g air dari suhu 40oC sampai 90oC. (kalor jenis air 4180 J/kgoC). 2.       Tentukan kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 500 gram alkohol dari suhu 20oC sampai 76oC. (kalor jenis alkohol 2400oC/kgoC). 3.       Berapa panas yang diperlukan untuk memanaskan 500 g tembaga (panas jenis 0,09 kalori/goC) dari suhu 25oC sampai 75oC? (nyatakan juga ke dalam joule). 4.       Hitunglah panas jenis Platina jika untuk memanaskan 100 g Platina setinggi 50oC dibutuhkan klor sebanyak 150 kalori!

Latihan: 1.       Sebuah bejana berisi air 200 g bersuhu 30oC. Ke dalam bejana dicelupkan balok es 30 g bersuhu 0oC. Jika bejana dianggap tidak menyerap kalor, berapakah suhu campuran setelah terjadi keseimbangan? (kalor jenis air = 4,2.103 Jkg-1 K-1, kalor lebur es = 3,36x105 J/K) 2.       Sebuah bejana berisi 50 g air dari 50oC (abaikan kapasitas kalor bejana). Kemudian ke dalam air itu dimasukkan besi panas yang massanya 200 g dan suhunya 90oC. Jika kalor jenis air 4180 J/kgoC dan kalor jenis besi 450 J/kgoC, hitung berapa suhu setelah keseimbangan. Angap tidak ada panas yang hilang ke lingkungan.

gas

cair

padat

1

2

4

6

5

3

>100o

100o

0o

-5o

Q=mes.Lf

Q=mes.ces.Δt

Q=mes.cair.Δt

Q=mes.Lv

Q=mes.cuap.Δt

Air 30oC

Es 0oC

Q2

Air 0oC

Q1

Latihan: 1.       Es dengan massa 100 g bersuhu -15oC, kalor jenis es 0,5 kal/goC, dipanaskan hingga menjadi air seluruhnya pada suhu 0oC. Hitunglah kalor yang diperlukan? (Llebur = 80 kal/g) 2.       Berapakah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 100 g es dari -10oC menjadi uap air pada 120oC?

Pemuaian panjang	Pemuaian luas	Pemuaian volume
Dengan: Δl = pertambagan panjang (m) L0 = panjang mula-mula (m) ΔT = perubahan suhu (oC) Lt = panajng α= koefisien muai panjang (/oC)	Dengan: ΔA = pertambahan luas (m2) A0 = luas mula-mula (m2) ΔT = perubahan suhu (oC) At = luas akhir (m2) β = koefisien muai luas (/oC)	Dengan: ΔV = pertambahan volume Vo = volume mula-mula (m3) ΔT = perubahan suhu (oC) V1 = volume akhir (m3) γ = koefisien muai volume (/oC)

4oC

suhu

volume

Latihan: 1.       Sebuah bejana perunggu volumenya 4 L pada suhu 25oC. Berapa liter air dapat dimuat oleh bejana itu pada suhu 100oC? (koefisien muai panjang perunggu = 19x10-6 oC-1) 2.       Sebuah tangki bensin pada mobil sedan  memiliki kapasitas 40 L pada suhu 20oC. Jika tangki diisi bensin sampai penuh, berapa banyak bensin akan meluber jika mobil diparkir di bawah sinar terik matahari sehingga suhu tangki mencapai 45oC? (abaikan pemuaian pada tangki) koefisie muai volume bensin = 9,6x10-3 oC-1 3.       Sebuah bejana kaca pada 0oC terisi penuh dengan 100 cm3 raksa. Jika suhu dinaikkan menjadi 20oC, berapa cm3 raksa akan tumpah?koefisien muai volume raksa = 1,82x10-3 oC-1

Latihan: 1.       Sumber utama masuknya kalor ke dalam ruang yang suhunya lebih rendah dari bagian luar ruang yang suhunya lebih tinggi adalah melalui jendela kaca. Sebuah ruang dengan pendingin ruang (AC) memiliki kaca jendela yang luasnya 2,0 m x 1,5 m dan tebalnya 3,2 mm. Jika suhu pada permukaan dalam kaca 25oC dan suhu pada permukaan luar kaca 30oC, berapa laju konduksi kalor yang masuk ke ruang itu? 2.       Batang baja dan kuningan yang luas penampang dan panjangnya sama, salah satu ujungnya dihubungkan. Suhu ujung bebas batang baja 250oC, sedangkan suhu ujung bebas batang kuningan 100oC. Jika koefisien konduksi kalor baja dan kuningan masing-masing 0,12 dan 0,24 kal/(s cm), tentukan suhu pada titik hubung kedua batang terebut!

1. Suhu

Suhu: derajat panas atau dinginnya suatu benda.

Termometer: alat untuk mengukur suhu.

a.      Prinsip kerja termometer

Ketika suhu naik, volume cairan dalam termometer akan bertambah dan bergerak naik ke atas pipa kapiler. Skala yang terdapat dalam tabung kaca dapat menunjukkan pertambahan suhu tersebut.

Jenis-jenis termometer:

·         Termometer raksa, bekerja berdasarkan pemuaian zat cair.

·         Termometer bimetal, bekerja berdasarkan pemuaian dua logam yang berbeda

·         Termometer hambatan, bekerja bedasarkan nilai tambah suatu kawat

·         Termometer gas, bekerja berdasarkan gas akibat perubahan suhu

·         Pirometer, bekerja berdasarkan intensitas radiasi yang dipancarkan benda.

b.      Skala termometer

Skala termometer:

Perbandingan skala dari berbagai termometer adalah sebagai berikut:

C : R : F : K = 100 : 80 : 180 : 100 = 5 : 4 : 9 : 5

Konversi dari satuan Celcius ke Reamur dan sebaliknya:

t^oC : t^oR = 5 : 4

t^oC =  t^oR

t^oR =  t^oC

Konversi dari satuan Celcius ke Fahrenheit dan sebaliknya:

t^oC : (t^oF-32) = 5 : 9

t^oC =  (t^oF – 32)

t^oF =  t^oC +32

Konversi dari satuan Celcius ke Kelvin dan sebaliknya:

t^oC : (t^oK - 273) = 5 : 5

t^oC = t^oK – 273

t^oK = t^oC + 273

Konversi dari satuan Fahrenheit ke  Kelvin dan sebaliknya:

(t^oF – 32) : (t^oK – 273) = 9 : 5

t^oF =  (t^oK – 273) + 32

t^oK =  (t^oF – 32 ) + 273

 Konversi dari satuan Fahrenheit ke Reamur dan sebaliknya:

(t^oF – 32) : R = 9 : 4

t^oF =  R + 32

t^oF =  R + 32

Contoh soal: Nitrogen mendidih pada suhu 40oC. Nyatakan suhu ini dalam skala Fahrenheit.

Penyelesaian:

(t_f - 32) : t_c = 9 : 5

5 (t_f – 32) = 9 t_c → (t_f – 32) =  t_c

T_f =  9 (40) + 32 = 104^oC

 

2. Kalor

Kalor: suatu bentuk energi yang berpindah secara alami dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

a.      Persamaan kalor

1)      Kesetaraan kalor dengan energi mekanik

1 kalori = 4,2 joule

1 joule = 0,24 kalori

1 kalori = jumlah kalor yang digunakan oleh 1 gram air murni untuk menaikkan suhunya sebesar 1^oC.

2)      Hubungan kalor dengan perubahan suhu

Q = kalor (joule)

m = massa benda (kg)

Δt = perubahan suhu

c = kalor jenis (Jkg^-1K^-1)

contoh soal:

berapakah kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan 500 g air dari 25oC menjadi 65oC, (kalor jenis air 4200 J kg^{-1 o}C-¹)?

Penyelesaian:

Massa air 500 gram = 0,5 kg,

Kalor jenis air c = 4200 J kg-1 oC-1

Perubahan suhu ΔT = 65 ^oC – 25 ^oC = 40 ^oC

kalor yang dibutuhkan :

Q = m.c.ΔT = 0,5 kg. 4200 J kg^{-1 o}C^-1.40 ^oC = 84000 J

b.      Kalor jenis

Kalor jenis: kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1K.

c.       Kapasitas kalor

Kapasitas kalor: banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda sebesar 1K

C = m.c

C = kapasitas kalor (J/K)

Contoh soal: sebuah tabung terbuat dari tembaga (c = 390 J kg^-1 K^-1) dan massanya 450 g. berapakah kapasitas kalor tabung tersebut?

Penyelesaian:

Kalor jenis tembaga c = 390 J kg^-1 K^-1,

Massanya m = 450 g = 0,45 kg

Kapasitas kalor tembaga:

C = m.c = 0,45.390 = 175,5 JK^-1

C = 175,5 JK^-1

d.      Asas Black

Jika ada dua benda yang berbeda suhu didekatkan, maka akan terjadi aliran kalor sampai tercapai kesetimbangan suhunya.

Asas Black:"Kalor yang dilepaskan kepada suatu sistem, sama dengan kalor yang diterima sistem tersebut".

Contoh soal: suatu wadah berisi 250 g air pada suhu 25oC. Kemudian ke dalam dimasukkan 50 g timah bersuhu 75oC. Jika kalor jenis timah 0,05 kal/goC, tentukan temperatur akhir campuran!

Penyelesaian:

M_air = 250 g                       t₁ = 25_oC

m_t = 50 g                           t₂ = 75_oC

c_t = 0,05 kal/g^oC

c_air = 1 kal/g^oC

Q_lepas = Q_terima

Q₁ = Q₂

M_air.c_air.Δt_air = m₁.c₁.Δt

250.1.(t_akhir – 24) = 50.0,05(75-t_akhir)

252,5 t_akhir = 6437,5

T_akhir = 25,5^oC

3. Perubahan Wujud Zat

Kalor dapat mengubah wujud zat. Perubahan wujud zat dapat digambarkan dalam skema berikut:

 

 

1.         Menyublim

2.         Menyublim

3.         Melebur

4.         Membeku

5.         Menguap

6.         Mengembun

 

Latihan soal: berapa kalor yang dikeluarkan untuk mengubah 0,5 kg bersuhu 30^oC air menjadi es pada suhu 0^oC?(kalor jenis air = 4,2.10³Jkg^-1K^-1, kalor lebur es = 3,36x10⁵ J/Kg)

Penyelesaian:

 

Kalor yang dikeluarkan dari pengubahan air menjadi es:

Q = Q₁ + Q₂ = m c_a.Δt + m L_l

Q = (0,5)(4,2.10³)(30) + (0,5)(3,36.10⁵)

Q = 231000 J

 

4. Pemuaian

Zat akan memuai jika dipanaskan.

Manfaat: pengeliatanpelat logam pada pembuatan badan kapal, kepingan bimetal pada saklar thermal, thermostat bimetal, lampu sein mobil.

Kerugian: rel kereta api atau jembatan beton dapat melengkung, kaca jadi retak, pipa dapat membengkak.

a.      Pemuaian zat padat

Zat padat jika dipanaskan dapat mengalami pemuaian panjang, luas, dan volume.

b.      Pemuaian zat cair

Pada zat cair terjadi muai ruang atau muai volume.

Semakin tinggi suhu, maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda.

Anomali Air.

Khusus untuk air, pada kenaikan 0 ^oC sampai 4 ^oC volumenya tidak bertambah akan tetapi justru menyusut. Hal ini disebut dengan anomali air.

 

c.       Pemuaian gas

1)      Pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal)

Berlaku hukum Boyle, gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap.

2)      Pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar)

Berlaku hukum Gay Lussac, gas dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volum gas sebanding dengan suhu mutlak gas

3)      Pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik)

Berlaku  hukum Boyle-Gay Lussac, jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya.

Maka,

P = tekanan (atm)

V = volume (L)

T = suhu (K)

Latihan soal:

1.      Sebuah silinder tembaga pejal pada suhu 20^oC volumnya 2 liter. Berapa volum silinder itu pada suhu 120^oC? Koefisien muai tembaga 0,00002^oC^-1

2.      Gas dalam ruang tertutup suhunya 77^oC, tekanannya 1 atm dan volumnya 1 L mengalami pemanasan sehingga tekanan dan volumnya menjadi 2,5 atm atm dan 2L. hitunglah suhu gas sekarang dalam ^oC

Penyelesaian:

1.      t_o = 20^oC

t = 120^oC

V_o = 2 L

α = 0,00002 ^oC^-1

Δt = t – t_o = 120 – 20 = 100^oC

γ = 3α = 3.0,00002 = 0,00006 ^oC^-1

ΔV = γV_oΔt = 0,00006.2.100 = 0,012 L

ΔV = V – V_o

V = V_o + ΔV = 2 + 0.012 = 2,012 L

2.      T₁ = 77 + 273 = 350 K

V₁= 1 L

P₁ = 1,5 atm

P₂ = 2,5 atm

V₂ = 2L

T₂…?

T₂ = 1166,67 K

T₂ = 893,67 ^oC

5. Perpindahan Kalor

a.      Konduksi

Konduksi: perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel.

Konduktor: zat yang mudah menghantarkan kalor

Isolator: zat yang sukar menghantarkan kalor

Lajur perpidahan kalor secara konduksi adalah sebanding dengan luas permukaan A, sebanding dengan beda suhu antara kedua ujung ΔT dan berbanding terbalik dengan panjang bahan l

b.      Konveksi

Konveksi: perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel (secara aliran).

Terjadi pada zat yang mengalir, yaitu cair dan gas.

Laju perpindahan kalor secara konveksi adalah sebanding dengan luas penampang permukaan benda A yang bersentuhan dengan fluida dan benda bersuhu ΔT yang berada di antara benda dan fluida.

h = koefisien konveksi

contoh: cerobong asap, hair dryer, angin darat, angin laut, dll.

c.       Radiasi/pancaran

Radiasi: perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik tanpa membutuhkan zat perantara.

Contoh: radiasi matahari

Laju kalor radiasi adalah sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding pangkat empat suhu mutla permukaan itu (T⁴)

σ  = konstanta Stefan-Boltzman = 5,67.10^-6 W/m²K⁴

e = emitivitas benda (0<1), =1 jika benda hitam sempurna

Contoh soal:

1.      Batang baja dan tembaga memiliki luas yang sama disambung dengan tembaga. Ujung tembaga yang bebas bersuhu 150^oC sedangkan ujung baja yang bebas bersuhu 0^oC. Jika kbaja = 0,5.10² watt/mK dan ktembaga = 4.10² watt/mK. Hitunglah suhu sambungan!

2.      Sebuah bola dengan luas permukaan 100 cm³ bersuhu 27^oC. Bila bola tersebut adalah benda hitam sempurna dan σ = 5,8.10^-8 watt/m²K². Hitunglah energi yang diradiasikan bola dalam 10 detik!

Penyelesaian:

1.      L_b = 1 m                                               L_t = 2 m

T_b = 0^oC                                                A_b =A_t

T_t = 150^oC

K_b = 0,5.10² watt/mK                           K_t = 4.10² watt/mK

t_sambungan………..?

H_b = H_t

0,5 = 300 - 2t

2,5 t = 300

t = 120^oC

2.      A = 100 cm² = 10^-2 m²

T = 27 + 273 = 300 K

e = 1

σ = 5,8.10^-8 watt/m²K⁴

t = 10 detik

Q….?

Q = P.t

    = e.A.σ.T⁴.t

    = 1.10^-2.5,8.10^-8.(300)⁴.10

    = 46,98 J

 

6. Pemanfaatan Kalor dalam Kehidupan Sehari-hari

a.      Termos

Fungsi: menjaga panas zat cair yang dimasukkan di dalamnya

Dinding termos berfungsi untuk menghambat perpindahan kalor pada termos, yaitu dengan cara:

·         Permukaan tabung kaca bagian dalam dibuat mengkilap dengan lapisan perak yang berfungsi mencegah perpindahan kalor secara radiasi dan memantulkan radiasi kembali ke dalam tremos

·         Ruang hampa di antara dua dinding kaca, untuk mencegah kalor secara konduksi dan agar konveksi dengan udara luar tidak terjadi.

b.      Panci

Panci msak terbuat dari bahan konduktor yang bagian luarnya mengkilap. Hal ini untuk mengurangi pancaran kalor. Adapun pegangan panci terbuat dari bahan yang bersifat isolator untuk menahan panas.

Posted in: