Pertemuan ke 14 (Suhu dan Kalor)

  Pertemuan ke 14 FISIKA DASAR I

  NURUN NAYIROH, M.Si Pendahuluan

Dalam kehidupan sehari hari sangat

banyak didapati penggunaan energi

dalam bentuk kalor:

  Memasak makanan Memasak makanan Ruang pemanas/pendingin Dll.

TUJUAN INSTRUKSIONAL

• • Menentukan besaran suhu, kalor jenis,

  kalor, konduktivitas dalam kaitannya

  dengan pemuaian, penjalaran kalor, dan

  perubahan fasa perubahan fasa

  Api dikatakan panas atau Es dikatakan memiliki temperatur rendah bertemperatur tinggi Temperatur merupakan sifat sistem yang menentukan apakah sistem berada dalam

keadaan kesetimbangan dengan sistem lain

  Kesetimbangan Kesetimbangan termal ? setimbang T

• •Jika dua sistem dengan temperatur yang berbeda

  diletakkan dalam kontak termal, maka kedua sistem tersebut

  pada akhirnya akan mencapai temperatur yang sama.

• •Jika dua sistem dalam kesetimbangan termal dengan

  ► ► ►

  !"# !"$ % & '( ) % &(*' )

ANOMALI AIR

  o o

• 4 C → 0 C : Volumenya membesar _{o o}

• •0 C → 4 C : Volumenya mengecil dengan massa

  jenis (ρ) paling tinggi, sehingga perilaku air ini jenis (ρ) paling tinggi, sehingga perilaku air ini sangat penting untuk bertahannya kehidupan di dalam air laut selama musim dingin

• • Beberapa zat tidak selalu memuai ketika dipanaskan, contohnya air

  pada suhu 0ºC - 4ºC.
• Pada suhu tersebut air akan menyusut ketika dipanaskan dan

  mencapai volume minimum pada suhu 4ºC. Sehingga pada suhu

  tersebut es mencapai massa jenis maksimum. Di atas 4ºC, air akan memuai lagi bila dipanaskan.

• • Peristiwa sifat pemauaian air yang tidak teratur ini disebut dengan

  peristiwa anomali air.
• Zat lain yang mempunyai sifat seperti ini adalah parafin dan bismuth.

  

Pemuaian Pemuaian

  

PEMUAIAN

• Jika sebuah benda dipanaskan/diberikan kalor, maka partikel
• partikel dalam benda itu akan bergetar lebih kuat sehingga saling menjauh. Sehingga ukuran benda akan menjadi lebih besar. Kita katakan bahwa benda itu memuai.
• Pemuaian dapat terjadi baik pada benda padat, cair maupun gas. gas.
• Ada 3 jenis pemuaian:

  a) Pemuaian Panjang

  b) Pemuaian Luas

  c) Pemuaian volume

a) Pemuaian Panjang

• Pada pemuaian panjang dianggap bahwa benda mempunyai luas penampang yang kecil, sehingga ketika dipanaskan hanya memuai pada arah panjangnya saja.
• Besarnya pertambahan panjang sebuah benda yang dipanaskan adalah berbanding lurus dengan : panjang mula-

  mula (Lo) benda dan kenaikan suhu ( T)

• Secara matematis dituliskan : • Secara matematis dituliskan :
• Sedangkan panjang benda setelah dipanaskan adalah :

  L

• ΔL

  t

  = L

  o

  L = α L o

  T

  Keterangan:

  ΔL = Perubahan panjang (m) L = panjang mula-mula (m) ΔT = perubahan suhu (˚C)

b) Pemuaian Luas

• Pada pemuaian luas, pemuaian terjadi pada arah melebar pada sisi panjang dan lebar benda.
• Analog dengan pemuaian panjang, pada pemuaian luas berlaku persamaan : dimana berlaku hubungan :

  

A = β A

o

  T

  γ = 3α dan β = 2α dimana berlaku hubungan :

• Sedangkan panjang benda setelah dipanaskan adalah :

  At = Ao + A γ = 3α dan β = 2α

  Keterangan:

  ΔA = Perubahan panjang (m) A = panjang mula-mula (m) ΔT = perubahan suhu (˚C) _-1

c) Pemuaian Volume • Pemuaian volume biasanya terjadi pada zat cair dan gas.

  Pemuaian ini terjadi pada arah memanjang, melebar dan meninggi.

• Analog dengan pemuaian panjang, persamaan pada pemuaian volume adalah :

  V = γ V

  o

  T dimana berlaku hubungan :

• Sedangkan panjang benda setelah dipanaskan adalah :

  Vt = Vo + V V = γ V T

  γ = 3α dan β = 2α Keterangan:

  ΔV = Perubahan panjang (m) V = panjang mula-mula (m) ΔT = perubahan suhu (˚C) Contoh soal (1)

Sebatang baja yang panjangnya 1 m dipanaskan dari

0º C menjadi 100 ◦C. Bila koefisien

• –6

  muai panjang batang 12 x 10 /ºC, tentukan :

  a. pertambahan panjang batang itu

  b. panjang batang setelah dipanaskan

  c. panjang batang bila dipanaskan menjadi 50ºC T ?

  KALOR Beberapa pengertian kalor:

  1. Kalor (panas) adalah bentuk energi yang

dipindahkan melalui perbedaan temperatur .

  

2. Kalor berpindah dari benda bertemperatur tinggi

menuju benda yang bertemperatur rendah.

  

2. Kalor berpindah dari benda bertemperatur tinggi

  3. Benda yang menerima kalor, maka suhu benda akan naik atau wujud benda berubah.

  

4. Benda yang melepaskan kalor, maka suhu benda

akan turun atau wujud benda berubah.

• ,

  

,

• .

  / , #0,12 / / , #0,12 / , % ) , , Jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan sebanding dengan massa benda pada perubahan suhunya.

  Jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu sistem: m = massa (gr)

  Q = m c T c = kalor jenis (kal/g

  C) ∆T = Perubahan suhu ( C) Kalor jenis adalah bilangan yang menunjukkan berapa kalori panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu tiap sau satuan massa zat dalam satu derajat. Satuan kalor jenis: kal/g˚C.

  Kapasitas kalor (C) adalah banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sejumlah zat dan satu derajat derajat

  C = Kapasitas kalor (kal/˚C) m = massa zat (kg)

  Sehingga Q = m. c. T = C . T

  c = kalor jenis zat (kal/g˚C) jika air panas dan air dingin dicampurkan, maka akan didapatkan air hangat

  Mengapa Demikian??? suhu air hangat berada antara suhu air dingin dan air panas Joseph Black (1728 – 1799), seorang ilmuwan Inggris menyatakan:

  Kalor yang lepas = Kalor yang diserap Q = Q _{lepas serap} Azaz Black “Ketika dicampurkan benda yang suhunya berbeda, maka benda Yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalor, dan benda yang Bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor, sehingga suhu Contoh soal (2)

Hitunglah jumlah kalor yang diperlukan untuk

menaikkan suhu 20 Kg besi (c = 0,11 kal/g

  C) dari

10 C ke 90 C Jawab.

  Diketahui: Diketahui: m = 20 kg c = 0,11 kal/g c ∆T= 90 10 = 80 C Q = m c T ₃ = 20.10 gr x 0,11 kal/g C x (90 10) C

  Contoh soal (3) 100 gram air pada suhu 20˚C hendak dicampur

dengan 200 gram air yang suhunya 50 ˚C. Berapa

suhu campurannya? diket: m = 100 g, m = 200 g,

  1

2 T T =20˚C, T =20˚C, T =50˚C, c=1 kal/g ˚C =50˚C, c=1 kal/g ˚C

  1

  1

  2 ditanya: Tcampuran? jawab: Q = Q serap lepas m . c. T = m . c. T

  2

  1

  2 Perubahan Wujud/Fasa

  3

  4

  4

  5

  6

  7 6 % ) % ) % ) Kalor laten → kalor selama

  7 % " ) perubahan wujud

  

Perubahan wujud yang terjadi pada ketiga bentuk benda itu adalah :

membeku, melebur, mencair, mengembun, menyublim, deposisi dan

menguap seperti gambar di bawah ini.

  Gambar perubahan wujud benda

  4 %,88 ⁸ )

  4 Mencair/melebur atau membeku Kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 Kalor yang diperlukan

kg zat padat menjadi untuk mengubah wujud

zat cair disebut kalor

  1 kg zat cair menjadi zat lebur padat disebut kalor beku

  

= ! " _# " MEnguap DAN mengembun Kalor yang diperlukan Kalor yang diperlukan untuk mengubah untuk mengubah wujud 1 wujud zat gas

  $ % kg zat cair menjadi zat menjadi zat cair gas disebut kalor uap disebut kalor embun

  = = Gambar grafik

perubahan wujud zat Pada air

Fase Fase Fase

  Padat Cair Gas Kalor yang diserap oleh

  = benda digunakan untuk menaikkan suhu. _{o o}

  100 C 100 100 C C Q = m.c.Δt Q = m.c.Δt

  Titik Titik Lebur Didih _o

Kalor yang diserap oleh benda

_o C

  C digunakan untuk menaikkan suhu.

  Q = m.c.Δt Kalor yang diserap oleh benda = digunakan untuk menaikkan suhu.

  & p _o !

  . " .

  #

  %#) ►

  9 ,!8 (8 ⁸ : ,( ⁸ / ;

  Q = Q + Q + Q

  tot = Q

  1

  2

• Q
• Q

  3 Q

  1 =m air c air

  T Q

20 Q

  2 =m es

  L es

  Q

  3 =m es c es

  T

PERPINDAHAN KALOR

  

Kalor berpindah dari satu tempat

atau benda ke yang lain dengan tiga

cara : 1. konduksi

  2. konveksi 3. radiasi Konduksi

Berpindahnya kalor dari satu tempat ke tempat lain

dengan cara tumbukan antar molekul, dengan laju

aliran kalor : K = Konduktivitas termal (J/s.m.

  C) Q T ² A = Luas penampang (m ) = = = KA = KA

  T = Suhu (

  C) t t l l l = Tebal / panjang (m)

  1

  T K besar konduktor K kecil isolator

2 T

  Konveksi

Adalah proses perpindahan kalor yang terjadi disertai dengan

perpindahan pergerakan fluida itu sendiri.

  Ada 2 jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa.

  Konveksi paksa Konveksi alami

• Aliran udara panas/dingin dipantai

• Pada konveksi alamiah pergerakan fluida terjadi karena perbedaan massa jenis.
• Pada konveksi paksa terjadinya pergerakan fluida karena ada paksaan dari luar.
• Contoh konveksi alamiah : nyala lilin akan menimbulkan konveksi udara disekitarnya,, terjadinya angin laut dan angin darat, dsb.
• Contoh konveksi paksa : air yang dipanaskan dalam panci , sistim pendingin mobil, pengering rambut, kipas angin, dsb.

• Besar laju kalor ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluida di sekitarnya adalah berbanding lurus dengan luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida dan perbedaan suhu antara benda dengan fluida.
• Secara matematis persamaan tersebut dapat ditulis :

  Radiasi

• Adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik (EM) atau perpindahan kalor tanpa medium.
• Contoh : cahaya matahari, gelombang radio, gelombang TV, dsb.
• Pada kasus penyinaran matahari ke permukaan bumi: matahari memancarkan energi dalam bentuk gelombang EM matahari memancarkan energi dalam bentuk gelombang EM dan energi diserap bumi dalam bentuk kalor.

• Berdasarkan hasil eksperimen besarnya laju kalor radiasi tergantung pada : luas permukaan benda dan suhu mutlak benda seperti dinyatakan dalam Hukum Stefan-Boltzman berikut ini : “ Energi yang dipancarkan oleh 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 itu. pangkat empat suhu mutlak permukaan benda itu. ” ”

  Secara matematis persamaan di atas dapat ditulis : Contoh soal (5)

Berapa laju aliran kalor melalui jendela kaca

yang luasnya 2.0 m x 1.5 m dan tebalnya

3.2 mm, jika temperatur pada permukaan

dalam dan luar jendela 15 C dan

  30 C dengan konduktivitas termal 0.84 J/s.m. C Contoh soal (6) Suhu filamen sebuah lampu pijar (e=0,5 dan σ =

• 8

  2

  4

6.10 watt/m K ) adalah 1000 K. Jika daya lampu 60

watt, maka luas permukaan filamen adalah....

  P=