suhu dan kalor

6. Suhu dan Kalor


Suhu dan kalor adalah dua besaran yang berbeda. Namun karena memiliki hubungan yang diantara keduanya, dalam percakapan sehari-hari keduanya sering diterjemahkan dalam pengertian yang sama. Untuk itu, dalam bab ini kita akan membahaskan perbedaan defeisi secara fisis, cara pengukuran, penerapan kedua konsep tersebut.

6.1 SUHU EKDOR

Suhu didefensikan sebagai ukuran atau derajat panas dinginnya suatu benda atau sestem. Benda yang panas memiliki suku yang tinggi, sedangkan benda yang dingin memiliki suhu yang rendah. Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata yang dimiliki molekul-molekul suatu benda. Suhu menggambarkan bagaimana gerakan molekul-molekul benda. Sifat-sifat benda yang bisa berubah akibat adanya perubahan suhu disebut sifat termomtrik. Contoh volume zat cair, hambatan listrik suatu kawat, tekanan dan volume gas, serta warna filanen lampu pijar. Berdasarkan sifat termometri tersebut kita dapat membuat alat yang digunakan untuk mengukur suhu sebuah benda, yang disebut termometer.

Beberapa jenis termometer yang biasa digunakan untuk mengukur suhu diantaranya, yaitu termometer raksa, termometer alcohol, termometer gas, termometer bimatel, termomter hambatan, termokopel, dan pyrometer.

Pembuatan skala pada termometer memerlukan dua titik acuan. Titik acuan pertama yang disebut sebagai titik tetap bawah yang pada umumnya yang dipilih titik beku air, yaitu suhu campuran antara es dan air pada tekanan normal. Titik acuan kedua yang disebut sebagai titik tetap atas dipilih titik didih, yaitu suhu ketika air mendidih pada tekanan normal.

Kalibrasi termometer adalah penetapan tanda-tanda untuk pembagian skala pada suatu termometer. Adapun langkah-langkah kalibrasi termometer adalah sebagai berikut:

1. Menentukan titik tetap bawah ( Tb)

2. Menentukan titik tetap atas (Ta)

3. Menentukan jumlah skala di antara titik tetap.

4. Memperluas skala di luar titik tetap.

Ketika suhu benda tersebut diukur dengan menggunakan termometer Y yang memiliki Tb = Yb dan Ta = Ya skala Y akan menunjukkan angka yang dapat.







Terdapat tiga macam skala yang biasa digunakan dalam pengukuran suhu, yaitu skala celcius, skala Fahrenheit, dan skala Kelvin.

Pada skala Celcius digunakan titik lebur es murni sebagai titik tetap bawah dan ditandai dengan angka 0.

Pada skala Fahrenheit, penentuan suhu nol derajat digunakan suhu campuran es dan garam.

Pada skala Kelvin, penentuan suhu nol derajat digunakan suhu terendah yang dimiiliki oleh suatu partikel yang setara dengan –2730C, yaitu keadaan dimana energi kinetik partikel sama dengan nol sehingga tidak panas yang terukur.

Pada skala Reamur, penentuan titik tetap bawah dan titik tetap atas seperti pada skala Celcius, namun dinyatakan dalam skala 0 dan 80, sehingga ada 80 pembagian skala.

















Berdasarkan persamaan (6-1) kita dapat mencari hubungan di antara keempat skala suhu yang disebutkan diatas sebagai berikut:





  

  

   



6.2 PEMUAIAN

Pada umumnya suatu zat akan memuai ketika dipanaskan, dan menyusut ketika didinginkan. Walaupun pemuaian ini biasanya cukup kecil untukk bisa diamati, namun fenomena ini sangat penting karena gaya yang dihasilikan sangat besar dan harus diperhitungkan untuk rancang bangunan tertentu seperti rel kereta api, jembatan baja, atau sambungan beton dijalan raya. Pada saat sebuah benda dipanaskan, gerakan molekul-molakulnya semakin cepat, yan gmenyebabkan pergeseranya semakin besar.

6.2.1 Pemuaian Zat Padat

Zat padat yang dipanaskan akan mengalami pemuaian panjang, pemuaian luas, pemuaian volume. Pemuaian zat sebenarnya terjadi kesegala arah. Akan tetapi dalam hal-hal tertentu kita dapat memperhatikan pada arah panjangnya saja, misalnya pemuaian pada batang logam, atau mungkin pada luas permukaan tertentu saja, misalnya pemuaian pada kepigan kaca jendela.

Pemuaian Panjang

Jika suatu benda yang berbentuk batang yang panjangnya Lo, dipanaskan sehingga suhunya berubah sebesar , maka benda tersebut akan memuaia seperti pada gambar 6.2











Pertambahan panjang adalah sebanding panjang mula-mula Lo, jenis benda ( yang dinyatakan dengan koefisien muai panjang ) dan perubahan suhu .

o t



Oleh karena itu, panjang akhir setelah pemai dapat dirumuskan sebagai :

L = Lo + L

L = Lo + Lo

L = Lo ( 1 + )



Dengan

L = panjang akhir (m)

Lo = panjang mula-mula (m)

= koefisien muai panjang (oC-1 atau K-1)

= perubahan suhu (oC atau K)



Pemuai Luas

Jika suatu benda berbentuk bujur sangkar tipis dengan sisi Lo dipanaskan sehngga suhunya berubah sebesar , maka bujur sangkar akan memuai pada kedua sisinya seperti pada gambar 6.3

Luas benda mula-mula adalah

Ao = L2o



Karena setiap sisi memuai sebesar L, maka akan membentuk bujur sangkar baru dengan sisi ( Lo + L ).Jadi luas akhir benda adalah

A = ( L o + L )2

=L2 o + 2Lo L + ( L)2

Mengingat L cukup kecil, maka nilai ( L)2 mendekati nol sehingga dapat diabaikan. Menggunakan anggapan ini kita peroleh luas akhir benda menjadi

A= L2o + 2Lo L



Dengan memasukkan L = Lo t, Ao = L2 o dan = 2 , maka luas akhir benda setelah pemuaian menjadi

A = Ao (1 + t )

Dengan

A = luas akhir ( m )

Ao = luas mula-mula ( m )

= 2 , koefisien muai luas ( oC-1 atau K-1)

t = perubahan suhu ( oC atau K)



Perubahan luas akibat pemuaian adalah

A = A - Ao

A = Ao t



Pemuaian Volume

Jika suatu benda berbentuk kubus dengan sisi Lo dipanaskan sehingga suhunya berubah sebesar t, maka kubus akan memuai pada ketiga sisinya seperti pada gambar 6.4

Volume benda mula-mula adalah

Vo = L3o

Karena setiap sisi memuai sebesar L, maka akan terbentuk kubus baru dengan sisi ( Lo + L ). Jadi Volume akhir benda adalah

V = (Lo + L)3

= L3o + 3L2o L + 3Lo ( L)2 + ( L)3

Mengingat L cukup kecil, maka nilai ( L)2 dan ( L)3 mendekati nol sehingga dapat diabaikan. Mengguanakan anggapan ini kita peroleh volume akhir benda menjadi

V = L3o + 3L2o L

Dengan memasukan L = Lo t, Vo = L3o dan = 3 , maka volume akhir benda setelah pemuaian menjadi

V = Vo ( 1 + t )

Dengan

V = volume akhir ( m )

Vo = volume mula-mula ( m )

o = 3 , koefisien muai volume ( oC-1 atau K-1)

t = prubahan suhu ( oC atau K )

Perubahan volume akibat pemuaian adalah

V = V – V

V = Vo t

Kerugian dan Keuntungan Akibat Pemuaian

Pemuaian zat padat ternyata membawa beberapa kerugian, khususnya pada konstruksi seperti jembatan, jalan raya, dan rel kereta api, dimana setiap hari secara terus menerus mengalami perubahan suhu akibat panas sinar Matahari dan dinginnya udara di malam hari. Untuk itu para perancang konstruksi harus memberikan ruang lebih yang memungkinkan bahan-bahan konstruksi tersebt memuai. Ruang lebih inilah yang harus benar-benar diperhitungkan, tidak boleh kurang dan tidak boleh berlebihan.

Disamping merugikan, pemuaian juga dapat dimanfaatkan, misalnya untuk memasang roda logam (besi) pada sebuah lokomtif. Untuk menghasilkan suatu “ban baja” yang bias menempel kuat pada roda, diameter dalam ban baja dibuat sedikit lebih kecil daripada diameter luar roda. Ban baja kemudian dipanaskan sehingga memuai dan diameternya menjadi lebih besar dari diameter roda. Dengan demikian, ban baja bias dipasang pada roda. Ketika ban baja ini mendingin, ia mengerut (menyusut) sehingga pasangan ban baja ini sangat kuat.

Pada pembuatan gabungan dua logam yang disebut plat bimetik, ketika dua plat logam yang berbeda, misalnya besi dan kuningan, digabungkan dengan menempelkannya dengan kuat, kemudian dipanaskan, akan kita dapatkan bahwa gabungan ini melengkung. Ini terjadi Karena salah satu logam memuai lebih besar dibandingkan yang lain. Cukup banyak peralatan di sekitar kita yang memanfaatkan plat bimetalik, seperti termostat listrik, sakelar otomatis ( digunakan pada alarm kebakaran), dan termometer bimetal





Contoh soal yang sulit dipahami adalah

1. Pada suatu termometer A, titik beku air adalah 40 A dan titik didih air adalah 240oA. Bila suatu benda diukur dengan termometer Celcius bersuhu 50oC, maka berapakah suhu ini jika diukur dengan termometer A ?

2. Jika sebuah botol mampu menampung 50.000 cm3 pada suhu 15oC, berapakah kapasitasnya pada suhu 25oC. Untuk koefisien muai panjang bahan botol 8,3 x 10-6 oC.



Contoh soal yang mudah dipahami/ diselesaikan

1. Pada suhu berapakah skala Celsius dan Fahrenheit menunjukan hasil pengukuran yang sama?

Penyelesaian:

Hubungan antara C dan F

F = C + 32

Karena skala C sama dengan skala F, maka:

C = F

C = C + 32

C - C = 32

- C = 32

C = (32) (- ) = - 40 oC

Jadi suatu benda yang suhunya – 40o C apabila diukur dengan termometer skala Fahrenhrit menunjukkan angka – 40 oF.

2. Suhu tubuh seorang yang sakit panas 40o C. Tentukan suhu tersebut jika diukur dalam skala Fahrenheit.

Penyelesaian :

Hubungan antara C dan F

F = C + 32

= (40) + 32

= 104o F











Kelebihan buku :

Buku ini mencantumkan strategi-strategi pemecahan soal. Pembahasannnya tidak begitu mudah untuk dipahami tetapi ada juga sebagian yang mudah dipahami. Dan banyak j