SK7 Suhu dan Kalor.doc

SUHU DAN KALOR

  Hambatan listrik suatu zat akan berubah bila suhunya berubah. Bila suhu naik hambatan bertambah besar. Prinsip ini digunakan untuk mengukur suhu, biasanya untuk suhu yang

A. SUHU DAN KALOR

  sangat tinggi, misalnya cairan logam

  1. Suhu e. Termokopel

  Suhu didefinisikan sebagai derajat panas atau dinginnya suatu benda. Alat yang dipakai Bila dua logam berbeda jenis disentuhkan maka saat suhu berubah timbul ggl. Besar ggl untuk mengukur suhu disebut termometer. yang timbul digunakan untuk pengukuran suhu. Bila suhu suatu zat berubah maka ada beberapa sifat zat yang berubah, antara lain warna,

  2. Kalor volume, tekanan dan daya hantar listrik. Sifat ini disebut sifat termometrik zat.

  Kalor merupakan salah satu bentuk energi. Satu kalori (kal) adalah banyaknya kalor yang Dengan sifat zat ini bisa dibuat termometer cair, gas, termokopel, pirometer, dsb. diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga suhunya naik 1º C. Dalam termometer digunakan titik lebur es sebagai titik tetap bawah (kecuali Kelvin) dan 1 Joule = 0,24 kalori atau 1 kal = 4,2 Joule. 1 BTU = 1054 Joule. titik didih air sebagai titik tetap atas.

  Suatu zat yang diberikan kalor belum tentu sama perubahan suhunya karena berbeda kalor

  Penetapan skala

  jenisnya. Kalor jenis (c) adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan (Q) untuk

  Jenis Termometer Titik lebur es Titik didih air Jumlah skala Perbandingan Skala

  menaikkan atau menurunkan suhu satu satuan massa zat itu (m) sebesar satu satuan suhu Celcius 100 100

  5 (ΔT). Reamur

  80

  80

  4 Q

  c

  Fahrenheit 32 212 180 9  atau Q = mc ΔT → mc disebut sebagai kapasitas kalor (C).

  m T  

  Kelvin 273 373 100

  5 Kapasitas kalor (C) adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan (Q) untuk Hubungan C dan R : Hubungan R dan F mengubah suhu sebesar satu satuan suhu.

  5

  4

  4 Q Q C  R dan R  C R  ( F  32 ) dan mc  C 

  atau

  5

  9

  4 T T  

  9 Contoh: F R

  32  

  4 Sepotong tembaga massanya 5 kg, suhunya dinaikkan 10 K dengan pemanas berdaya 1 kW.

  Ternyata perlu waktu 20 detik. Hubungan C dan F Hubungan C dan K

  a. Berapa kalor jenis tembaga menurut percobaan itu?

  5

  9

  b. Berapa kapasitas kalor tembaga itu?

  C  ( F  32 ) dan F  C 

  32 C = K-273 dan K = C + 273

  9

  5 Jawab

  Contoh: _o Energi yang dihasilkan pemanas Q = W = P . t = 1000 watt x 20 detik = 20.000 Joule

  Suhu dalam skala celcius menunjukan angka 30

  C. Berapakah dalam skala reamur?

  a. Kalor jenis tembaga : c = Q/(m . ΔT) = 20.000/(5 x 10) = 400 J/kg . K Jawab: _o b. Kapasitas kalor 5 kg tembaga : C = Q/ ΔT = 20.000/10 = 2000 J/K

  R = 4/5 C = 4/5 (30) = 120/5 = 24 R Latihan! _{o o}

  Latihan!

  1.Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 kg air dari 10 C menjadi 30 ₃ C,

  1.Pada contoh di atas tentukan suhunya dalam skala fahrenheit dan kelvin! _o jika kalor jenis air 4,2 x 10 J/kg . K? ₃

  2.Jika termometer fahrenheit menunjukan 113

  F, berapakah dalam skala reamur, celcius dan

  2.Sebuah benda massanya 100 gram dan kapasitas kalornya adalah 3,6 x 10 J/K. Benda itu _{o o} kelvin? dipanaskan hingga suhunya naik dari 25 C menjadi 100 C.

  a. Berapa kalor yang diserap benda? Beberapa jenis termometer: b. Berapa kalor jenis benda? b.Termometer cair _{3 o o}

  3.Berapakah kalor yang diperlukan untuk memanaskan 250 cm air dari 20 C menjadi 30 C Terbuat dari kaca dengan rongga didalamnya yang hampa udara, dibagian bawah berisi _{o 3} jika kalor jenis air 1 kal/gr

  C, ρ air = 1gram/cm ? cairan. Cairan ini biasanya air raksa atau alkohol. Jika dikenai suhu cairan akan memuai _o

  4.Jika kalor jenis es 0,55 kal/gr

  C, maka berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan menempati ruang hampa. _{o o} suhu 50 kg es dari suhu -45 C menjadi -5 C? c. Termometer gas

  Bila gas dipanaskan pada ruang tertutup (volume tetap), maka tekanannya akan Menurut Josep Black, jika dua zat yang berbeda suhu dicampur maka zat yang bersuhu bertambah. Perubahan tekanan ini digunakan untuk mengukur suhu. tinggi akan melepas kalor yang sama banyak dengan kalor yang diterima zat bersuhu lebih d.Pirometer rendah. Alat yang digunakan untuk mengukur kalor adalah kalorimeter. Jadi, kalor yang dilepas = kalor yang diterima → dikenal sebagai Azas Black Q diterima = Q dilepas Contoh: Sepotong aluminium yang massanya 0,5 kg dan suhunya 100 ^o C dicelupkan ke dalam air yang mempunyai massa 0,5 kg dan suhunya 25 ^o

  C. Bila suhu akhir menjadi 39 ^o C dan kalor jenis air 4200 J/kg ^o

  m en ca ir m e m be k u

  3. Kaca jendela rumah pada suhu 25 ^o C luasnya 1 m ² . Berapa luas kaca tersebut jika suhunya naik menjadi 45 ^o C karena terik matahari ? (Koefisien muai panjang kaca 9 x 10 ^-6 ( ^o

  C) ^-1 )

  4. Suatu gas suhunya 20 ^o C dipanaskan sampai suhunya 111 ^o C pada tekanan tetap. Bila volume gas sebelum dipanaskan V, tentukan volume gas setelah dipanaskan!

  C. KALOR DAN PERUBAHAN WUJUD

  Pemberian kalor atau pelepasan kalor pada suatu zat dapat menyebabkan perubahan wujud zat tersebut.

  Selama perubahan wujud tersebut, suhu zat tidak berubah, kalor yang diterima atau dilepas digunakan untuk mengubah wujud. Kalor ini disebut kalor laten yaitu kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari satu wujud ke wujud lainnya.

  m Q L 

  Kalor lebur → kalor yang diserap 1 kg zat padat sehingga menjadi cair Kalor beku → kalor yang dilepas 1 kg zat cair sehingga menjadi padat Kalor didih → kalor yang diserap 1 kg zat cair sehingga menjadi uap Kalor embun → kalor yang dilepas 1 kg uap sehingga menjadi cair Contoh: Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 gram es -50 ^o C menjadi 1 gram uap 150 ^o C? Kalor jenis es 0,5 kal/gr ^o

  C, kalor jenis air 1 kal/gr ^o

  C, kalor lebur es 80 kal/gr dan kalor didih air 540 kal/gr. Jawab: Q diterima = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5

  Q1 = m c es ΔT (kalor perubahan suhu) Q2 = m L lebur (kalor perubahan wujud)

  Nilainya sama Titik lebur = titik beku

  Nilainya sama Titik didih = titik embun

  GAS CAIR PADAT

  Q ^al = m ^al . c ^al . ΔT ^al = 0,5 . c al . (100 – 39) = 0,5 x 61 x c ^al = 30,5 c al Joule

  C. Berapa panjangnya pada suhu 77 ^o C bila koefisien muai panjang baja 11 x 10

• ^-6 ( ^o

  Air 100 ^o

  Q1 Q2 Q3 Q4 Q5

  C

  Uap 150 ^o

  C

  Uap 100 ^o

  C

  C

  Q air = m air . c air . ΔT air = 0,5 . 4200 . (39 – 25) = 0,5 x 4200 x 14 = 29400 Joule

  Air 0 ^o

  C

  Es 0 ^o

  4 Air o

  Suhu (ºC)

  V ol um e

  C) ^-1 ?

  2. Sebuah pipa baja panangnya 100 cm pada suhu 27 ^o

  C, tentukan kalor jenis aluminium! Jawab: Azas Black → kalor yang dilepas aluminium = kalor yang diterima air Q ^al

  1. Sebatang timah bermassa 200 gram dipanaskan sampai 90 ^o

  C, kalor jenis besi 0,10 kal/gr ^o

  C. Bila kalor jenis air 1 kal/gr ^o

  C. Pada saat keseimbangan termal tercapai suhu campuran adalah 34 ^o

  C) ^-1 , hitung pertambahan panjang aluminium!

  2. Dalam suatu bejana yang berisi 4 ^o C air, dicelupkan besi 2100 gram 90 ^o

  C, berapa kalor jenis timah tersebut?

  C). Jika suhu akhir timah dan air 20,8 ^o

  C, kemudian dimasukkan ke dalam 500 gram air pada suhu 20 ^o C (kalor jenis air 1 kal/gr ^o

  = 29400 → c ^al = 29400/30,5 = 963,9 J/kg ^o C Latihan!

  C, tentukan massa air dalam bejana! 3. 100 gram air pada suhu 290 ^o C hendak dicampur dengan 200 gram air yang suhunya 50 ^o C.

  = Q ^air → 30,5 c ^al

  T

  V V   

   

  atau ΔV = γ∙ V ∙ΔT dengan ΔV= V T – V Sehingga volume pada suhu T adalah V T = V (1 + γ∙ΔT) Hubungan koefisien muai volume dan koefisien muai panjang adalah γ = 3α Untuk gas pada tekanan tetap koefisien muai volumenya adalah γ = 1/273

  Anomali air Pada umumnya suatu benda volumenya akan bertambah bila dipanaskan. Tetapi air pada suhu 0 ^o C volumenya akan menyusut hingga mencapai suhu 4 ^o C lalu akan bertambah lagi. Hal ini disebut anomali air. Grafik anomali air seperti gambar di samping!

  Latihan:

  1. Batang aluminium yang panjangnya 4 m, naik suhunya dari 27 ^o C menjadi 72 ^o

  C. Jika koefisien muai panjang aluminium 24 x 10

• ^-6 ( ^o

  Tentukan suhu akhir campuran!

B. PEMUAIAN ZAT

  Pada umumnya zat akam memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Kecuali air pada suhu 0º – 4ºC.

  1. Pemuaian panjang Setiap jenis zat bila dipanaskan akan mengalami perubahan panjang yang berbeda.

  Perbedaan ini ditentukan oleh koefisien muai panjang (α) masing-masing zat, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang zat (Δl) dengan panjang semula (l ), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (ΔT).

   

  atau Δl = α∙ l ∙ΔT dengan Δl = l T – l Sehingga panjang pada suhu T adalah l T = l (1 + α∙ΔT)

  2. Pemuaian luas Bila suatu benda berbentuk bidang akan lebih tepat jika ditinjau muai luasnya yang tergantung pada koefisien muai luas (β) yaitu perbandingan antara pertambahan luas zat (ΔA) dengan luas semula (A ) untuk kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (ΔT).

  T A A   

   

  atau ΔA = β∙ A ∙ΔT dengan ΔA= A T – A Sehingga luas pada suhu T adalah A T = A (1 + β∙ΔT) Hubungan koefisien muai luas dan koefisien muai panjang adalah β = 2α

  3. Pemuaian volume Bila suatu benda berbentuk 3 dimensi akan lebih tepat jika ditinjau muai volumenya yang tergantung pada koefisien muai volume (γ) yaitu perbandingan antara pertambahan volume zat (ΔV) dengan volume semula (V ) untuk kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (ΔT).

  T l l    air

  Q3 = m c ΔT (kalor perubahan suhu) Q4 = m L didih (kalor perubahan wujud) Q5 = m c air ΔT (kalor perubahan suhu)

  Latihan: _{o o} Contoh :

  1. Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 100 gram es -5 C menjadi uap 100 C?

  1. Sebuah jendela kaca ruang ber-AC panjangnya 2 m, tinggi 1 m dan tebal 5 mm. Suhu _{o o} dan kalor didih air 540 kal/gr. _{o o o} permukaan dalam kaca 25 C dan suhu permukaan luar kaca 35

  C. Berapa banyaknya kalor _-4

  2. Satu kilogram es suhunya -2 _o

  C. Bila titik lebur es 0

  C, kalor jenis es 0,5 kal/gr

  C, kalor jenis yang mengalir keluar melalui kaca tersebut? (koefisien konduksi termal kaca 8,0 x 10 air 1 kal/gr C, kalor lebur es 80 kal/gr, maka berapa kalor untuk meleburkan es tersebut! kJ/m.s.K) _{o o}

  3. Es masanya 100 gram bersuhu -5 C kemudian diberi kalor hingga bersuhu 15 _{o o}

  C. Kalor jenis Jawab: _{2 -2 o -4} es 0,5 kal/gr C, kalor jenis air 1 kal/gr

  C, kalor lebur es 80 kal/gr, berapa kalor yang A = 2 x 1 = 2 m , L = 5 mm = 5 x 10 m, ΔT = 35 -25 = 10

  C, k = 8,0 x 10 kJ/m.s.K diberikan pada es tersebut?

  T

  10  _

  4 

  2 H k A (

  8 , x 10 )( 2 ) 32 x 10 kJ / s     _

  2 L

  5 x _o

  10 D. PERPINDAHAN KALOR

  2. Sebuah bola mempunyai suhu 600

  C. Berapa energi yang dipancarkan benda per satuan Kalor dpat berpindah dari tempat/benda bersuhu tinggi ke tempat/benda bersuhu rendah. Ada luas tiap detiknya, jika bola dianggap hitam sempurna? tiga cara perpindahan kalor:

  Jawab:

  1. Konduksi T = 600 + 273 = 873 K ₄ Yaitu perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel zat. Peristiwa ini bisa

  W = e∙τ∙T _{-8 4} dipandang sebagai akibat perpindahan energi kinetik dari satu partikel yang bergetar karena = (1) (5,67 x 10 ) (873) _{4 2} dipanaskan ke partikel yang lain melalui tumbukan.

  = 3,29 x 10 watt/m Misal salah satu ujung besi dipanaskan, ujung yang lain juga panas. Jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu adalah:

  Latihan: _{2 o}

  Q T 

  1. Sekeping besi tebal 2 cm dengan luas penampang 5000 cm , sisi yang satu bersuhu 150 C

  H k A   dengan H  = jml kalor yang mengalir tiap satuan waktu (J/s). _o L t

  dan sisi yang lain bersuhu 140 _-3

  C. Berapa kalor yang berpindah melalui keping setiap detik? k = koefisien konduksi termal (daya hantar panas) (k besi 4,6 x 10 kJ/m.s.K) _{-8 2} A = luas penampang

  2. Filamen wolfram suatu lampu ( e = 0,3 dan τ = 5,67 x 10 watt/m ) mempunyai luas _{-5 2} ΔT = selisih temperatur kedua ujung batang permukaan 2,52 x 10 m . Arus sebesar 0,1 A akan mengalir pada filamen tersebut jika

  L = panjang batang atau tebal bila benda berbentuk pelat dipasang pada 220 volt. Berapa suhu wolfram tersebut? _o

  3. Suatu benda hitam pada suhu 27 C memancarkan energi W joule/s. Benda tersebut

  2. Konveksi _o kemusian dipanasi hingga suhunya menjadi 327 C. Berapa energi yang dipancarkan benda Yaitu perpindahan kalor disertai perpindahan partikel zat, terjadi pada fluida (cair, gas). hitam sekarang?

  Jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu adalah: H = h ∙A∙ΔT → h = koefisien konveksi, A = luas permukaan, ΔT = perbedaan suhu

  3. Radiasi

  Yaitu perpindahan kalor tanpa memerlukan medium perantara. Misal panas dari matahari ke bumi, cahaya, gelombang radio.

  Besarnya energi yang dipancarkan tiap satuan luas, tiap satuan waktu oleh Josep Stefan dirumuskan: ₄ W = e∙τ∙T e = emisivitas benda (0<e≤1), tergantung dari sifat permukaan zat. Untuk benda hitam sempurna e = 1, merupakan penyerap dan pemancar kalor paling baik. _{-8 2 4}

  τ = konstanta Stefan – Boltzman = 5,67 x 10 watt/m K T = suhu permukaan benda (dalam kelvin)