fisik yang dapat dipelajari secara eksperimen maupun pengamatan terhadap kejadian tersebut yang diperjelas dengan rumusan–rumusan matamatis.
8. M ateri Pembelajaran
a. Suhu temperatur Suhu didefinisikan sebagai derajad panas dinginnya suatu benda. Suhu termasuk
besaran pokok dalam fisika yang dalam SI dinyatakan dalam stuan kelvin dalam pembuatan skala termometer menggunakan air murni pada tekanan 1 atmosfir
titk tetap bawah air yang sedang membeku, titik tetep atas air yang sedang mendidih. Ada empat skala yang biasanya digunakan dalam pengukuran, yaitu :
1Skala Celcius: titik tetap bawah diberi angka 0 C, dan titik tetap atas diberi
angka 100 C, sehingga pembagian skalanya ada 100. 2 Skala Fahrenheit: titik
tetap bawahdiberi angka 32 F dan titik tetap atas 212 F, sehingga pembagian skalanya ada 180. 3 Skala Kelvin: titik tetap bawah 273 K dan titik tetap atas
373 K. sehingga pembagian skalanya ada 100. 4 Skala Reamur: titik tetap bawah pada 0
R sedangkan titik tetap atas 80 R, sehingga ada 80 skala.ditunjukan
pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Skala thermometer
5 :
9 :
4 :
5 273
: 32
: :
K
F R
C ............................................................2.1
b. M acam-macam pemuaian zat padat
1 M uai Panjang
Apabila sebuah benda yang berbentuk batang silinder dengan panjang mula- mula L
o
, kemudian dipanaskan dengan kenaikan suhu ∆T panjangnya bertambah
∆L, batang mempunyai koefisien muai panjang dinyatakan dengan simbol ditunjukan pada gambar 2.2
Gambar. 2.2 Pemuaian Panjang
= T
L L
o
dan L
t
= L
o
+ L = L
o
1 + T ………………….. 2.2
2 M uai Luas
Sebuah pelat zat padat berbentuk persegi panjang dengan luas A
o
dipanaskan maka terjadi pemuaian dalam arah memanjang dan melebar Pemuaian luas.
=
2 ditunjukan pada gambar 2.3
Gambar. 2.3 Pemuaian Luas
=
2
T A
A
o
dan A
t
= A
o
+ A = A
o
1 + T ...................... 2.3
3 M uai Volume
Apabila kit a mempunyai besi yang berbent uk kubus dengan panjang sisi L , kemudian
besi t ersebut kit a panaskan sehingga t emperat urnya naik sebesar
∆T
, maka akan m emuai ket iga sisinya sebesar
∆L
Gambar. 2.4
Pemuaian Volume
∆V =
V γ
∆T ………………………
………………. 2.4
=
3
T V
V
o
dan V
t
= V
o
+ V = V
o
1 + T ..................... 2.5
c. Pemuaian Gas
Gas apabila dipanaskan akan memuai. Hukum yang berlaku pada pemuaian gas dinyatakan oleh Gay Lussac dan Boyle, yang dikenal dengan hukum Boyle-Gay
Lussac. Hubungan antara tekanan dan volume gas dan suhu tekanan P dan volume Vdan suhu T . Ditunjukan pada gambar 2.5 Berikut ini hubungan ketiga besaran
tersebut adalah: Untuk tekanan konstan
2 2
1 1
T V
atau tan
T V
kons C
T v
……………….2.6 Untuk volume konstan
..............2.7
2 2
1 1
T P
atau konstan
C T
P T
P
Gambar 2.5 Pemuaian gas
Hukum Boyle Dalam suatu ruang tertutup berisi gas dengan suhu konstan, Secara matematis
dirumuskan: P
1
V
1
= P
2
V
2
atau PV = C konstan ……………………………............ 2.8 Pada pemuaian gas pada tekanan konstan berlaku persamaan:
V
1
=V 1+
T273 ………………………………………………….. 2.9
d. Pemuaian Zat Cair
Zat cair mempunyai sifat selalu mengikuti bentuk sesuai dengan tempat yang ditempati. Oleh karena itu, zat cair hanya mengalami muai volume saja. Besarnya
pertambahan volume zat cair akibat pemuaian dirumuskan dengan persamaan berikut V
1
=V 1+
T …………………………………………… 2.10
1 Anomali Air
es yang bersuhu dibawah 0
o
C dipanaskan es memuai seperti zat padat lainnya sampai es mencapai suhu 0
o
C. Di antara suhu 0
o
C dan 4
o
C air menyusut dan mencapai volume minimum pada suhu 4
o
C. Sewaktu menyusut, massa air tetap . Ini berarti massa jenis air ρ= mv mencapai maksimum pada suhu 4
o
C. Di atas 4
o
C air akan memuai jika dipanaskan. Jadi, pada suhu di antara 0
o
C dan 4
o
C air menyusut dan diatas suhu 4
o
C air memuai .
Gambar 2.6 Grafik anomali air
Sifat pemuaian air yang tidak teratur inilah yang disebut “anomali Air” Anomali berarti ketidakteraturan. Zat lain yang mempunyai sifat anomali seperti air
adalah parafin dan bismuth.
e. Perubahan Wujud Zat
1 M elebur dan M embeku
Melebur adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Ketika melebur, zat memerlukan kalor sehingga selama melebur tidak terjadi kenaikan
suhu. Suhu pada saat zat melebur disebut titik lebur. Kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat padat menjadi cair disebut kalor lebur.
Membeku adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi padat. Ketika membeku, zat melepaskan kalor yang disebut kalor beku. Suhu pada saat zat membeku disebut
titik beku. Pada zat yang sama titik lebut = titik beku dan kalor lebur = kalor beku. Apabila Q menyatakan banyak kalor yang digunakan untuk meleburkan zat
bermassa m, kalor lebur L zat ditulis dengan persamaan : L =
m Q
atau Q = m L ………………………………… 2.11
2 M enguap
Menguap adalah perubahan wujud dari zat cair menjadi gas atau uap. Pada waktu menguap, zat memerlukan kalor. Salah satu peristiwa penguapan adalah
mendidih, yaitu penguapan yang terjadi di seluruh bagian zat cair. Selama mendidih suhu zat tetap, suhu itu disebut titik didih. Kalor yang diperlukan untuk menguapkan
satu satuan massa zat pada titik didih normalnya disebut kalor laten penguapan atau kalor uap.
Mengembun adalah perubahan wujud zat dari uap atau gas menjadi cair. Pada saat mengmbun, zat melepaskan kalor yang disebut kalor laten pengembunan atau
kalor embun. Apabila untuk menguapkan zat bermassa m pada titik didihnya diperlukan kalor sebesar Q joule, besar uap U dapat ditulis dengan persamaan:
U = m
Q atau
mc Q
T 1
……………………………………………2.12
Grafik perubahan wujud ditunjukkan pada gambar 2.5 yaitu proses b-c melebur, d-e menguap.
Gambar 2.7 Grafik perubahan wujud zat
f. Perpindahan kalor
1 Perpindahan kalor konduksi
Apabila sepotong logam salah satu ujungnya dipanasi dengan api dan ujung yang lain dipegang, maka pada ujung yang dipegang lama-kelamaan akan menjadi
panas. Padahal ujung ini tidak berhubungan langsung dengan api. Dalam hal ini kalor merambat dari ujung yang bersuhu tinggi ke ujung yang bersuhu
rendah. Perpindahan kalor semacam ini disebut konduksi. Jadi, konduksi adalah
perpindahan kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel zat pengantarnya. Perpindahan energi kalor secara konduksi dapat terjadi melalui dua proses berikut:
a Kalor dipindahkan melalui tumbukan antar partikel. Pemanas mengakibatkan energi kinetik partikel bertambah sehingga bergerak lebih cepat. Gerakan partikel itu
mengakibatkan terjadinya tambukan antara partikel-partikel yang berdekatan dan sekaligus terjadi perpindahan kalor. Cara ini membutuhkan waktu lama untuk
memindahkan panas dari ujung yang satu ke ujung yang lain. b Kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebas. Pada bagian yang
dipanaskan, energi elektron-elektron bertambah besar. Oleh karena elektron-elektron bergerak bebas, energi itu dapat dipindahkan secara cepat melalui tumbukan dengan
elektron-elektron di sekitarnya. Laju perpindahan kalor bergantung pada panjang L, luas penampang A,
konduktivitas termal K atau jenis bahan, dan beda suhu T. Oleh karena itu,
banyak kalor yang dapat berpindah selama waktu tertentu ditulis dengan persamaan berikut:
H = L
T KA
t Q
……………………………………………… 2.13 Keterangan:
H =
t Q
= besar kalor yang merambat tiap detik Js
2 Perpindahan kalor konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat alir fluida. Hal ini dapat diamati pada waktu proses pemanasan air dalam suatu gelas. Partikel-partikel
air pada dasar gelas menerima kalor dan menjadi panas. Partikel yang telah panas ini bergerak ke atas, sedangkan air yang dingin turun mengisi tempat yang ditinggalkan
air panas yang naik. Air dingin yang turun akan menerima kalor dan menjadi panas. Demikian seterusnya terjadi secara alamiah. Perpindahan kalor dengan cara semacam
ini disebut dengan konveksi. Jadi, konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai perpindahan partikel-partikel zat.
3 Perpindahan kalor radiasi
Laju pemancaran kalor oleh permukaan hitam, menurut Stefan dinyatakan sebagai berikut. Energi total yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam
sempurna dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu, tiap satuan luas permukaan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu. Secara matematis, laju
kalor radiasi ditulis dengan persamaan: W =
T
4
………………………………………………….. 2.14
Energi yang dipancarkan tiap satuan waktu adalah:
t Q
= A T
4
………………………………………….. 2.15
Keterangan:
t Q
= energi yang dipancarkan tiap satuan waktu = tetapan Stefan 5,7 x 10-8Wm2.K
g. Kalor
Kalor Sebagai Bentuk Energi. Suhu adalah sesuatu yang diukur pada termometer, dan kalor adalah sesuatu yang mengalir fluida dari benda yang panas
ke benda yang dingin.
1 Kalor Jenis dan Kapasit as Kalor
Dari hasil percobaan diperoleh kesimpulan, besarnya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat sebanding dengan:
a massa zat it u
b kenaikan suhunya
Jika besarnya kalor yang dibutuhkan suatu zat yang bermassa m untuk kenaikan suhu T sebesar Q, maka :
Q = m c T …………………………………………………..
2.16 Jadi, jika kalor yang dibutuhkan sebesar Q untuk menaikan suhu benda sebesar
T, maka kapasitas kalor C benda tersebut dapat dirumuskan :
C = T
C Q
atau
T
Q ………………………………………… 2.17
Berdasarkan persamaan 2.17, maka kapasitas kalor dapat pula ditulis: C = m c …………………………………………………… 2.18
2 Kalorimet er
Kalorimeter adalah suatu alat untuk mengukur kalor. Kalorimeter, yang menggunakan teknik pencampuran dua zat di dalam suatu wadah, umumnya
digunakan untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Beberapa jenis kalorimeter yang sering dipakai antara lain, kalorimeter aluminium. contoh kalorimeter aluminium
ditunjukan pada gambar 2.8. Menentukan kalor jenis suatu zat dengan kalorimeter, diterapkan hukum kekekalan energi. Jika kalor jenis suatu zat diketahui, kalor jenis
zat lain yang dicampur dengan zat tersebut dapat dihitung.
Gambar 2.8 Kalorimeter
3 Asas Black
Apabila dua benda yang suhunya berbeda dicampur, benda yang suhunya tinggi akan memberikan kalor kepada benda yang suhunya rendah. Pada akhir
percampuran, suhu kedua benda menjadi sama. Berdasarkan hal tersebut, jika kalor jenis salah satu zat diketahui, kalor jenis zat yang lain dapat dihitung dengan
menggunakan hukum kekekalan energi. Q
dilepas
= Q
diterima
B. Penelitian Yang Relevan
