BAB 2 SUHU DAN KALOR

BAB 2 SUHU DAN KALOR STANDAR KOMPETENSI

 Menerapkan konsep suhu dan kalor

KOMPETENSI DASAR

 Memahami konsep suhu dan kalor  Menguasai pengaruh kalor terhadap zat  Mengenal cara perpindahan kalor

Sumber : mantantukanginsinyur.blogspot.com Dalam kehidupan sehari-hari, ukuran mengenai panas dinginnya benda disebut temperature atau suhu. Alat pengukur suhu mengunakan termometer. Dalam kehidupan sehari-hari kita menggunakan termometer zat cair dan pada umumnya menggunakan raksa atau alkohol.

Sebagian besar zat memuai ketika dipanaskan dan mengerut ketika didinginkan. Misalkan, kabel yang digantungkan pada tiang listrik, memanjang disiang hari karena mendapatkan panas dari sinar matahari. Pada malam hari, kabel akan memendek karena udara disekitarnya cukup dingin. Sifat – sifat zat yang berubah jika dipanaskan disebut sifat

termometrik.

1.Konversi Suhu

Perbandingan skala termometer pada tekanan 76 cmHg

titik didih air 100 80 212 373 titik lebur

32 273 es C R F K Menentukan kesetaraan skala Termomete

A D A−B D−E

B E A−C = D−F

C F x y

B. Kalor

Kalor adalah suatu bentuk energi yang hanya dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Energi panas yang dipindahkan dari satu benda ke benda lain yang berbeda suhunya dinamakan kalor.

Satuan dari pada kalor adalah kalori , satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan satu gram air sehingga suhunya naik satu derajat Celcius. 1 kalori = 4,2 joule.

Kalor jenis merupakan sifat khas suatu zat yang menunjukkan kemampuan zat tersebut untuk menyerap kalor c = kalor jenis (kal/gr ^o

Kalor laten merupakan Bilangan yang menunjukkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk merubah wujud suatu zat tiap satu-satuan massa.

Q m

C =

C, J/kg ^o K) Q = jumlah kalor (kal, Joule) m = massa (kg)

Q Δt

L = kalor laten (kal/gr, J/kg) m = massa yang berubah wujud (kg) Q = kalor (panas)

3. Kalor Laten

Q m . Δt

C, J/ ^o K)

C = kapasitas kalor (panas) (kal/ ^o

Kapasitas kalor merupakan Bilangan yang menunjukkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu tiap satu-satuan suhu.

2. Kapasitas Kalor

C, ^o K)

Δ t = perubahan suhu ( ^o

L =

C. Pemuaian Pada umumnya benda akan memuai jika suhunya naik.

1. Muai Panjang

Contoh Soal:

Suatu batang logam yang terbuat dari aluminium panjangnya 2 m pada suhu 30 °C. Bila koefsien muai panjang aluminium 25 x 10

^–6 /°C.Berapakah c =

Kaca 8,5x10 ^6 Kuningan 1,8x10 ^5

Besi 1,2x10 ^5 Tembaga 1,7x10 ^5

( 1+αΔt) Tabel Beberapa koefsien Muai Panjang Benda Benda  (K ^1 )

= ℓ o

Δℓ = ℓ o

Suatu batang panjang mula-mula l o dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka,

α Δt ℓ t pertambahan panjang batang aluminium tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 50 °C.

Jawab :

Δl = l o . α . Δt _-6 = 2 . ( 25 x 10 ) . (50 – 30 ) _-3 = 10 m Δl = 0,1 cm

Catatan : Perubahan suhu dalam satuan derajat Celcius senilai dengan perubahan suhu pada Kelvin. Namun perlu diingat bahwa suhu derajat Celcius tidak senilai dengan Kelvin.

2. Muai Luas

Suatu bidang luasnya mula-mula A , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :

ΔA = Ao β . Δt A Ao (1+β . Δt) β α

= 2

Contoh soal ₂ Plat besi luasnya 4 m pada 20 °C. Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 °C

maka berapa luasnya sekarang? _-6

Jawab: α = 11 x 10 / °C

_-6

β = 22 x10 / °C _{t o} A = A (1 + β . Δt ) _-6 = 4 .[1 + 22 . 10 . (100 - 20 ) ] _-6 = 4 [ 1 + 1760 . 10 ] = 4 [ 1 + 0,00176 ] ₂

= 4,00704 m 3.

Muai volum

Volume mula-mula suatu benda V o , kemudian dipanaskan sehingga suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini dapat ditunjukkan dalam rumus :

Vo γ Δt ΔV =

V t = Vo (1 + γ = 3

γ Δt ) Contoh soal

Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m _-5 /K, tentukan volume pada suhu 20 C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10 kuningan pada suhu 120 C !

Jawab :

V t =V o _t (1+ .∆t) _-5 V =(5 x 2 x 1) (1+3.x1,8.10 .(120 – 20 ) _t ₃ V =10,054 m

D. Perpindahan Kalor 1. Konduksi

Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. B esar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan :

kA Δt L

H = Keterangan : H = laju aliran kalor (J/s atau watt) Q = kalor yang dipindahkan (joule) t = waktu (s) k = konduktivitas termal zat (W/mK) ₂ A = luas penampang melintang (m ) l = tebal penghantar (m)

Tabel konduktivitas termal zat (W/mK)

Bahan K Emas 300

Besi

80 Kaca

0.9 Kayu 0.1 – 0.2 Beton

0.9 Air

0.6 Udara 0.024 Aluminium 240

Contoh soal

Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefsien konduksi termal kuningan tiga kali koefsien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. Maka [k . A ∆T/L)] besi = [k . A ∆T/L)] kuningan

  k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l T= 2600/7 = 371,4ºC

2. Konveksi

Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair. Laju perpindahan kalor di sekitar suatu benda dirumuskan :

Q H= t =h. A. Δt

Keterangan : H = laju aliran kalor (J/s atau watt) Q = kalor yang dipindahkan (joule) t = waktu (s) ₂ h = koefsien konveksi (W/m K) ₂ A = luas penampang melintang (m )

∆t = perubahan suhu (C) 3.

Radiasi

Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara, seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran dengan oven dan efek rumah kaca. Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam radiasi dirumuskan :

4 H= t =eσ . A. T

Sedangkan intensitas radiasi sebesar, ₄ I = e  T Keterangan : H = laju aliran kalor tiap satuan waktu (J/s atau watt) ₂

Q = kalor yang dialirkan (J) t = waktu (s) ₂ ₂ A = luas (m ), luas permukaan lingkaran = 4..r

T = suhu (K) e = emisivitas benda (tanpa satuan) (e bernilai 1 untuk benda hitam sempurna, dan bernilai 0 untuk benda tidak hitam sama sekali. Pengertian benda hitam sempurna disini adalah benda yang memiliki kemampuan menyerap semua kalor yang tiba padanya, atau mampu memancarkan seluruh energi yang dimilikinya).

Contoh: ₂ Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m dan suhunya 27 ºC. Jika

suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:

a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas

b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam

Jawab:

Benda hitam, maka e = 1 T ^{1 = 300 K ; T} _-8 ^{2 = 350 K} ₂ ₄ watt/m K

 = 5,672.10  _{2 - T} ₄ _{1 )} ₄

a. I = e  ( T _-8 ₄ ₄ = 1. 5,672.10 (350 - 300 ) ₂

= 391,72 watt/m

b. I = Q/A.t Q = I. A. t Q = 391,72. 0,5. 3600 = 705060 Joule

E. Azas Black

Ilmuwan Inggris pada tahun 1761 Joseph Black menyatakan bahwa kalor yang diberikan suatu benda sama dengan kalor yang diterima pada suatu benda dalam suatu sistem tertutup. Sistem tertutup tersebut dapat dilakukan dalam suatu kalorimeter, misalkan ada jumlah masa m ^{1 zat,} bersuhu t ^{1 , kemudian dicampuri dengan sejumlah masa m} ^{2 zat lain bersuhu} t ^{2 dan keduanya dapat ditentukan dengan persamaan:}

Q serap = Q lepas Bunyi asas Black “ Kalor yang diserap/diterima sama dengan kalor yang dilepas.Persamaan di atas dikenal dengan nama asas Black atau hukum kekekalan energi kalor.

Contoh:

Jika 2 kg air bersuhu 5 C dicampur dengan 5 kg air bersuhu 26

C, maka tentukan suhu akhir campuran kedua zat !

Jawab :

Karena kedua zat sejenis, maka kalor jenis dari kedua zat adalah sama, dan dapat saling meniadakan.

Q serap = Q lepas m ^{1 .c.∆t} ^{1 = m} ^{2 .c. ∆t} ² 2.c.(t-5) = 5.c.(26-t) 2.t – 10 = 130-5.t t = 140 : 7 t = 20 C

Latihan

1. Sebatang linggis massa 10 kg dimasukkan ke dalam api unggun hingga bersuhu 99°C. Jika kalor jenis linggis 280 J/kg °C, berapakah suhu akhir ketikaa linggis tersebut dicelupkan ke dalam bak mandi berisi 50kg air bersuhu 19°C, kalor jenis air 4200 J/kg°C ?

2. Secangkir air kopi pahit bersuhu 70 C bermassa 200 gram, kedalamnya dituangkan susu sapi dingin dengan suhu 20 C bermassa 60 gram.Jenis air kopi dan air susu sama dengan kalor jenis air yaitu 1 kalori/gram C. Berapakah suhu campuran sesudah tercapai keadaan setimbang ?

E V A L U A S I

Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat dan tulisnlah

perhitungan matematisnya

1. Perhatikan pernyataan berikut : (1)Titik didih tinggi (2)Tidak berwarna (3)Tidak membasahi dinding kaca (4)Titik didih rendah

Pernyataan benar mengenai cairan pengisi termometer raksa adalah…

A. (1), (2) dan (3)

D. (4) saja

B. (1) dan (3)

E. Semua benar

C. (2) dan (4) _{o O}

2. Suhu dalam suatu ruang 68

F. nyatakan suhu ini dalam … Celcius

A. 5,7

D. 30

B. 57

E. 40

C. 20 _o

3. Jika suatu ruangan memiliki suhu 64 R berapa angka pada skala celcius?

A. 24

D. 80

B. 40

E. 120

C. 60 _{o o}

4. Termometer X menunjukkan 20 pada titik bekunya dan 210 pada titik _o didihnya. Jika suhu ruangan 25 C. Berapa suhu pada termometer X ?

A. 40

D. 320

B. 80

E. 640

C. 160

5. Termometer Celcius dan Fahrenheit memiliki suhu yang sama pada nilai….

A. -40

D. 15

B. -12,5

E. 40

C. 0 6. Jika suatu zat memiliki kalor jenis tinggi,maka zat itu ….

A. lambat mendidih

B. cepat mendidih

C. lambat melebur

D. lambat naik suhunya jika dipanaskan

E. cepat naik suhunya jika dipanaskan

7. Besi bermassa 1 kg dipanaskan dari suhu 14 C menjadi 30

C, dengan energi kalor sebesar 7200 J, maka kalor jenis besi adalah ….

A. 254 J/kg.K

D. 450 J/kg.K

B. 345 J/kg.K

E. 543 J/kg.K

C. 425 J/kg.K

8. Kapasitas kalor air bermassa 150gram (kalor jenis air 4200 J/kg.K) adalah….

A. 630 J/K

D. 450 J/K

B. 540 J/K

E. 350 J/K

C. 500 J/K

9. Jika 75 gram air yang suhunya 0 C dicampur dengan 50 gram air yang suhunya 100 C. maka suhu akhir campuran itu adalah ….

A. 25 C

D. 65 C

B. 40 C

E. 75 C

C. 60 C

10. Ibu akan menyajikan segelas susu untuk ayah dengan mencampurkan air _o _o panas 300 gram saat suhunya 100 C dan susu 200 gram bersuhu 0 C. berapakah suhu campuran ketika ibu menyajikan segelas susu kepada ayah? _O

A. 80 c _O

D. 40 c B. 60 c _O

E. 50 c C. 50 c

_{-4 o}

11. Sebatang logam panjangnya 20 cm koefsien muai logam adalah 10 / C _{o o} jika logam dipanasi dari 30 c menjadi 80 c maka pertambahan panjang logam tersebut adalah...

A. 0,001 cm

D. 1 cm

B. 0,01 cm

E. 10 cm

C. 0,1 cm

12. Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 100 gram es dari suhu -10 C menjadi air bersuhu 10 C adalah ….(kalor jenis es = 2100 J/kg.K, kalor jenis air = 4200 J/kg.K, kalor lebur es = 336 kJ/kg)

A. 22.000 J

D. 45.250 J

B. 33.980 J

E. 45.750 J

C. 39.900 J

13. Laju kalor pada sebatang logam yang panjangnya x, luas penampang A dan perbedaan suhu ∆ T adalah … A. Berbandinglurus dengan luas penampang

B. Berbanding terbalik dengan perbedaan suhu

C. Berbanding lurus dengan panjang logam

D. Berbanding terbalik dengan luas penampang logam

E. Berbanding lurus dengan waktu ₂

14. Sepotong plat besi memiliki luas 2 m , dan tebal 0,5 cm, serta konduktivitas termal 80 W/m.K, akan memiliki laju aliran kalor sebesar …., jika terjadi perbedaan suhu 40 pada kedua sisi plat besi tersebut. ₅ ₆ A. 1,54 x 10 watt ₅ D. 1,18 x 10 watt ₆ B. 1,68 x 10 watt ₅ E. 1,28 x 10 watt

C. 1,82 x 10 watt

15. Solder merupakan alat yang memenfaatkan teori fsika yaitu pada konsep perambatan kalor secara… A. radiasi

D. konduksi

B. konveksi

E. Induksi

C. iritasi

II. ESSAY

1. Pada skala berapa derajat, suhu skala Fahrenheit sama dengan skala celcius? _{o o}

2. Jika 50 gr logam dengan kalor jenis 0,4 kal/gr C yang suhunya 30 C _o dicampur dengan 100 gr air yang suhunya 90 _o

C, maka suhu akhir campuranya adalah ...(kalor jenis ait 1 kal/gr C)

3. Suatu plat logam berbentuk persegi dengan sisi 10 cm. jika koefsien _{-5 o} muai panjang logam adalah 3 x 10 / C dan temperatiur plat dipanasi _o hingga bertambah 20 C. Berapakah pertambahan luas plat logam tersebut? _{o o}

4. Jika kalor jenis air 1 kkal/kg

C, kalor jenis es 0,5 kkal/kg C dan kalor lebur _o _o es=80 kkal/kg, maka untuk menaikkan suhu 5 kg es -20 C menjadi air 80 C dierlukkan kalor sebesar...kkal

5. Sebuah jendela kaca dalam ruangan yang ber-AC tebalnya 3,2 mm; ₂ _o luasnya 3 m dan suhu pada bagian dalam adalah 25 C, sedangkan suhu o

pada bagian ruang luar adalah 30

C. bila diketahui konduktivitas termal termal 0,8 W/mk maka kalor yag mengalir tiap detiknya adalah ...

BAB 2 SUHU DAN KALOR