Suhu dan Kalor LANDASAN TEORI
Dalam kenyataan sehari – hari hampir tidak ada benda, padat atau cair, yang
hanya berdimensi satu atau dua. Semua benda berdimensi tiga. Maka bila benda itu di panaskan, akan memuai ke arah tiga dimensi pula. Dengan
demikian yang terjadi bukan pemuaian panjang atau luas, melainkan pemuaian ruang atau pemuaian volume Suparno, 2009: 25. Pemuaian
volume zat yang mengalami perubahan suhu dinyatakan dengan persamaan : ∆V = V
∆T Dim
ana ∆T adalah perubahan suhu, V adalah volume awal, dan adalah
koefisien muai volume . Satuan adalah C°
-1
dan besar =
3 α. Giancoli, 2001: 456
3. Kalor dan Perubahan Wujud
a. Pengertian dan satuan kalor
Kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbendaan temperatur. Satuan yang umum untuk
kalor yang masih digunakan sekarang dinamakan kalori. Satuan ini disebut kalori kal dan didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan
untuk menaikan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius. Yang lebih sering digunakan dari kalori adalah kilokalori kkal, yang besarnya
1000 kalori. Dengan demikian 1 kkal ialah kalor yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur 1 kg air sebesar 1°C. Pada sistem satuan British,
kalor diukur dalam satuan termal British British thermal unit Btu. Satu
Btu didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikan temperatur air 1 lb sebesar 1°F Giancolli, 2001: 489.
Secara umum hubungan Btu dan Kkal adalah sebagai berikut : 1 Btu = 0,252 Kkal
1 Kkal = 3,97 Btu Suparno, 2009: 34
b. Kalor jenis suatu benda
Pada abad ke 18, orang-orang yang melakukan percobaan telah melihat bahwa besar kalor Q yang dibutuhkan untuk merubah temperatur zat
tertentu sebanding dengan massa m zat tersebut dan dengan perubahan temperatur ∆T. Bila suatu benda yang massanya m dipanaskan sehingga
perubahan suhunya ∆T, maka banyaknya panas yang diperlukan adalah ∆Q = m c ∆T atau
m c = = H
dengan c = panas jenis zat kalorigram°C c.
Panas jenis molar Banyaknya mole suatu benda
n = , dengan m = massa benda dan M = berat molekul
Sehingga panas jenis menjadi :
d. Prinsip kesetimbangan termal
Benda A dan B masing-masing suhu T
1
dan T
2
. Kedua benda itu disatukan, maka benda yang lebih panas akan memberikan kalor pada
yang kurang panas, sampai terjadi kesetimbangan termal, yaitu suhu menjadi sama T
3
. Misalkan T
2
T
1
, maka B memberikan panas pada A. Panas yang diberikan oleh B = panas yang diserap
oleh A, atau ∆Q
B
= ∆Q
A
. Secara umum dapat dituliskan sebagai berikut : m
B
c
B
T
2
-T
3
= m
A
c
A
T
3
-T
1
Suparno, 2009: 36. 4.
Perubahan Wujud a.
Wujud zat Secara umum suatu zat dapat berwujud sebagai berikut: padat, cair, gas,
dan plasma. Bagaimana sifat- sifat wujud zat tersebut baik dilihat secara makroskopis secara kasat mata maupun secara mikroskopis secara
anatomik, tanpa kasat mata? 1
Zat Padat Cobalah kita lihat dan badingkan benda-benda berikut: batu,
kayu, besi, perak, emas, dan benda-benda padat lain yang ada disekitar kita. Secara kasar mata kita dapat mengamati bahwa bentuk
benda-benda itu tetap. Batu yang bulat, dipindahkan ke tempat lain
tetap bulat, diletakan dalam kotak juga tetap bulat, diletakkan di tempat-tempat lain juga akan berbentuk bulat bila tidak ada tekanan
atau atau diubah dari luar. Volume benda-benda itu juga tetap sama bila tidak ada pengaruh dari luar. Batang besi dengan volume 0,2 m
3
akan tetap sama meski dipindahkan ke tempat lain. Jadi secara makroskopis dapat dikatakan benda padat mempunyai ciri: volume
dan bentuknya tetap. Bagaimana secara mikroskopis zat padat itu diterangkan? Benda
padat adalah kumpulan banyak atom atau molekul. Mengapa benda padat itu bentuk dan volumenya tetap? Hal itu terjadi karena
molekul-molekul zat padat bergetar pada kedudukan tetap, dengan daya ikat antara molekul sangat kuat dan jarak antara molekul kecil.
Molekul-molekul zat padat, masing-masing bergerak pada tempat yang tetap. Daya ikat antar molekul sangat kuat sehingga molekul
tidak saling lepas, tetapi tetap mengumpul dan lekat. Jarak antar molekul juga kecil. Karena zat padat sangat ketat termampatkan
sehingga volume dan bentuknya tetap Suparno, 2009: 41. 2
Zat Cair Sekarang kita amati zat-zat berikut: air yang kita gunakan untuk
mandi dan minum, tinta yang kita gunakan untuk menulis, darah tubuh kita, keringat tubuh kita, sirup yang sering kita minum, air teh
yang kita teguk, dan zat cair lain yang kita jumpai dalam kehiduapan
kita. Sifat dan karakter mana yang dapat kita lihat? Air yang ada didalam botol bentuknya seperti botol; bila dimasukan ke dalam
panci, bentuknya seperti panci; bila ditaruh pada piring, bentuknya seperti piring. Dengan kata lain bentuknya mengikuti tempat air itu
berada. Jadi bentuk zat cair dapat selalu berubah. Bagaiman dengan volumenya? Air 1 liter diletakan di panci, di piring, di botol, ternyata
tetap 1 liter. Volumenya selalu tetap bila tidak dipengaruhi campur tangan dari luar. Jadi, secara makroskopisk dapat dikatakan zat cair
mempunyai volume tetap dan bentuk yang selalu berubah menyesuaikan dengan tempatnya.
Bagaimana secara mikroskopis hal itu dapat dijelaskan? Secara mikroskopis: gaya antar molekul masih cukup kuat untuk
mempertahankan kesatuan molekul, tetapi tidak cukup kuat untuk mencegah molekul-molekul menggelindingi keluar, maka bentuknya
berubah sesuai dengan tempatnya. Jarak antar molekul masih cukup dekat 1
Å sehingga sifat tetap dan volumenya tetap Suparno, 2009:
43. 3
Gas Kalau kita mengamati gas LPJ atau juga gas yang ada dalam balon,
kita selalu melihat bahwa gas itu bentuknya mengikuti tempatnya. Bila tempatnya dibuang, maka gas itu akan tersebar ke mana-mana
dan kita tidak melihat lagi, kecuali bila gasnya berwarna. Karena itu,
dapat dikatakan secara makroskopis, bentuk gas selalu berubah mengikuti ruangannya dan volumenya juga berubah menurut
ruangannya. Bila gas oksigen ditempatkan dalam ruanagan 5 liter tabung, maka volumenya juga 5 liter; bila ditempatkan dalam
ruangan tabung 100 liter, maka volumenya juga menjadi 100 liter. Secara mikroskopis, gaya ikat antar molekul gas sangat kecil,
molekul bebas bergerak kemana saja, dan jarak rata-rata anatar 2 molekul jauh lebih besar dari-pada jari-jari molekul itu sendiri. Hal
ini dapat dilihat pada tekanan 1 atm, 300 K. Misalnya, HCL ukuran
mole 0,9 Å
, jarak antar mol 1,27 Å
Suparno, 2009: 43. b.
Pengaruh panas terhadap wujud benda Ambilah bongkahan es dan cobalah anda panasi. Apa yang
terjadi? Es itu akan mengalami perubahan wujud, yaitu mencair menjadi air. Kalau kita ambil sepotong lilin lalu kita panaskan, ternyata juga
mengalami perubahan wujud menjadi cair. Kalau kita mempunyai lempeng besi dan kita panasi dengan suhu yang sangat tinggi, juga akan
mengalami perubahan wujud, yaitu menjadi cair. Bila air kita panasi terus maka air itu bertambah panas, dan akhirnya mendidih. Bila terus
dipanasi, air panas itu akan menguap, yaitu mengalami perubahan wujud dari air menjadi uap air. Disini dapat dikatakan bahwa es mengalami
perubahan wujud dari padat, cair dan uap. Proses perubahan wujud yang dialami adalah mencair dan menguap.
Bila kita melakukan percoban yang terbalik, maka akibatnya dapat terbalik pula. Misalnya uap air kita dinginkan terus maka dapat berubah
menjadi air. Inilah yang disebut proses pengembunan. Air bila didinginkan terus akan berubah menjadi padat, inilah yang disebut proses
pembekuan. Jadi secara umum dapat dikatakan bila suhu bertambah besar, benda akan mengalami perubahan wujud dari padat, cair, gas;
sedangkan bila suhu diturunkan dapat terjadi proses pengembunan dan pembekuan. Semakin tinggi panasnya ditambahakan proses perubahan
wujud itu akan semakin cepat. Secara mikroskopis, perubahan wujud itu dapat dijelaskan sebagai
berikut. Bila suatu benda dipanaskan, maka molekul-molekul mendapat tambahan energi sehingga molekul-molekul bergetar lebih cepat dan
jarak antara molekul menjadi lebih jauh. Kalau terus dipanaskan, maka suatu ketika jarak antara menjadi terlalu jauh dan lepas dari ikatannya.
Dalam hal ini gaya ikat antar molekul menjadi lebih kecil dari pada gaya kinetik molekul, maka terjadilah perubah wujud.
Dua atom diikat oleh gaya antar atom sehingga 2 atom itu dapat bergetar saling menjauhi dan mendekati sejauh r
max
– r
min
Bila T bertambah besar T , maka E
vibrasi
bertambah bertambah besar pula, sehingga r
min
menjadi lebih kecil, dan jarak r
max
menjadi lebih besar. Atau r
av
jarak rata-rata bertambah besar.
Bila T semakin tinggi T, maka E
kin makin
besar, sehingga memecahkan kesatuan antar atom. Dengan demikian, maka benda
akan berubah wujudnya. Misalnya dari padat menjadi cair atau dari cair menjadi gas.
Secara umum beberapa proses perubahan wujud zat dapa digambarkan sebagai berikut:
Dari padat ke cair : mencair Dari cair ke gas : menguap
Dari gas ke cair : mengembun Dari cair ke padat : membeku
Dari padat ke gas : menyublim Dari gas ke padat : menghablur
Suparno, 2009: 47. c.
Panas pencairan es dan panas penguapan air Kita buat percobaan sederhana sebagai berikut: ambillah bejana dan
taruhlah es didalamnya. Kemudian panaskan bejana itu dan amati apa yang terjadi pada es yang ada didalam bejana tersebut. Catat berapa
suhunya dalam interval waktu yang sama. Amatilah suhu es , wujud yang ada dan juga waktu yang dilalui dalam pemanasan itu.
Keterangan : Ternyata tidak setiap penambahan panas menyebabkan kenaikan
suhu
Pada saat perubahan wujud mencair, mendidihmenguap meskipun ada penambahan panas tetapi suhunya tetap T tetap.
Mengapa demikian?
Kemana penambahan
panas itu?
Penambahan panas disini digunakan untuk melakukan proses perubahan wujud. Penambahan panas ini
disebut panas laten tersembunyi .
Dibedakan ada duanya panas laten, yaitu panas pencairan peleburanpembekuan dan penguapanpengembunan.
Panas peleburan atau pencairan atau H
f
= panas yang diperlukan untuk mengubah1 kg zat dari padat ke cair, besarnya adalah:
H
f
= atau Q = m.H
f
.
Panas penguapan atau pengembunan H
v
= panas yang diperlukan
untuk mengubah 1 kg zat dari cair ke gas, besarnya adalah :
H
v
= atau Q = m.H
v
.
Suparno, 2009: 48 Mengapa terjadi panas laten? Mengapa meskipun tidak ada
kenaikan temperatur pada saat perubahan wujud zat, ada banyak panas yang diambil? Pada saat perubahan wujud dari cair ke gas, misalnya,
energi diperlukan untuk dua alasan, yaitu pertama untuk menjadikan jarak antara molekul jauh. Ini berarti memperbesar energi potential
sehingga membutuhkan energi dari luar. Kedua, pada saat air menguap,
harus dilakukan kerja untuk mendorong atmosfer sekitar, sehingga uap air mendapatkan tempat. Untuk itu dibutuhkan energi dari luar pula.
Maka jelas meskipun tidak ada kenaikan suhu banyak panas yang diambil pada waktu perubahan wujud Suparno, 2009: 49.
5. Perpindahan kalor
Kalor dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ke yang lainnya dengan tiga cara, yaitu konduksi,konveksi, dan radiasi Suparno, 2009: 57.
a. Konduksi
Konduksi atau hantaran diartikan sebagai perpindahan panas dari partikel-partikel yang lebih energik dari suatu zat ke partikel-partikel
yang berdekatan yang kurang energik, sebagai akibat dari interaksi dari partikel-partikel tersebut. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan
gas Suparno, 2009: 58. Bila zat padat dipanasi pada ujung kiri, maka molekul-molekul
pada ujung kiri akan bergetar atau bervibrasi lebih kuat dan lebih cepat, sehingga menumbuk molekul-molekul sebelah kanannya. Akibatnya,
molekul-molekul yang berada disebelah kanan ikut bergetar lebih kuat dan cepat. Selanjutnya molekul-molekul yang telah bervibrasi lebih cepat
dan kuat itu menumbuk molekul-molekul disebelah kanannya lagi sehingga menjadikan molekul-molekul itu bervibrasi kuat pula. Proses
ini terus berlanjut sampai akhirnya molekul-molekul pada ujung kanan zat padat itu ikut bervibrasi lebih kuat dan cepat. Inilah yang menjadikan
ujung kanan zat panas menjadi panas. Pada zat cair dan gas, proses konduksi terjadi karena adanya tumbukan dan difusi dari molekul-
molekul selama gerak random mereka. Molekul-molekul zat cair dan terutama gas secara acak bergerak bebas Suparno, 2009: 59.
Kecepatan kalor yang mengalir sebanding dengan perbedaan suhu antar kedua ujung
–ujungnya. Kecepatan aliran kalor juga bergantung pada ukuran da
n bentuk benda. Aliran kalor ∆Q perselang waktu ∆t dinyatakan melalui persamaan :
dimana A adalah luas penampang lintang benda, l adalah jarak antara kedua ujung, yang mempunyai selisih suhu ∆T, dan k adalah
konduktivitas termal, satuannya wattm°C Suparno, 2009: 61. b.
Konveksi Konveksi adalah proses dimana kalor ditransfer dengan
pergerakan molekul dari suatu tempat ke tempat lain. Perbedaan konveksi dengan konduksi adalah konveksi melibatkan molekul yang
bergerak dalam jarak yang besar, sementara konduksi melibatkan pergerakan molekul dalam jarak yang kecil Giancoli,2001:504. Ada
dua jenis konveksi, yaitu konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami terjadi bila aliran fluida sungguh murni hanya karena ada
perubahan suhu atau gaya bouyance. Misalnya, lempengan logam panas dibiarkan begitu saja dan akhirnya menjadi dingin karena panas
dikonveksikan keluar tanpa rekayasa. Kalau kita meletakan teh panas di cangkir di ruangan terbuka, lalu dibiarkan, teh itu akhirnya menjadi
dingin secara alamiah. Sedangkan konveksi paksaan terjadi bila fluida yang mengalir karena dipaksa dari luar. Misalnya, dengan kipas angin
yang diputar di atas lempengan logam panas sehingga lempengan ikut cepat menjadi dingin Suparno, 2009: 68.
Secara sederhana, besarnya kalor yang mengalir pada peristiwa konveksi dapat dinyatakan dengan persamaan :
H = hA∆T dimana h adalah koefisien konveksi dengan satuan Wattm
2
°C ; A adalah luas permukaan benda, dan ∆T adalah selisih suhu Suparno, 2009: 69.
c. Radiasi
Matahari memancarkan tenaga atau energi panas ke bumi, bahkan melalui ruang hampa udara. Peristiwa tersebut merupakn contoh
perpindahan panas secara radiasi. Secara sederhana radiasi dapat dijelaskan sebagai perpindahan panas dari suatu benda kebenda lain
dalam bentuk gelombang elektromagnetik Suparno, 2009 : 70. Radiasi pada intinya terdiri dari gelombang elektromagnetik. Kecepatan
benda dalam meradiasikan energi sebanding dengan pangkat empat temperatur Kelvin. Kecepatan radiasi juga sebanding dengan luas A dari
benda yang memancarkannya, sehingga kecepatan energi meninggalkan benda adalah :
Persamaan ini disebut persamaan Stefan - Boltzman, dan σ merupakan
konstanta universal yang disebut konstanta Stefan – Boltzman yang memiliki
nilai 5,67 x 10
-8
Wm
2
K
4
. Faktor disebut
emisivitas, merupakan bilangan antara 0 dan 1 yang merupakan
karakteristik materi. Permukaan benda yang sangat hitam, seperti arang, mempunyai emisivitas yang mendekati 1,
sementara permukaan yang mengkilat memiliki yang mendekati nol. Nilai
bergantung sampai batas tertentu terhadap suhu benda Giancoli, 2001: 507.
46