Suhu dan Kalor

Suhu dan Kalor untuk Tingkat SMA

A.  Suhu dan Skala pada Termometer

Indra peraba kita tidak dapat mengukur dengan tepat derajat panas dinginnya suatu benda. Ukuran atau derajat panas dinginnya suatu benda disebut dengan suhu. Benda yang panas memiliki suhu yang tinggi, sedangkan benda yang dingin memiliki suhu yang rendah. Sifat-sifat benda yang bisa berubah akibat adanya perubahan suhu disebut sifat termotrik. Sifat termotrik suatu benda dapat dimanfaatkan sebagai alat pengukur suhu atau yang bisa dikenal dengan termometer. Jadi, termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu suatu benda.

Skala-skala Pada Termometer

Skala suhu pada termometer dapat dibuat dengan cara menetapkan dua suhu tertentu. Kedua suhu tersebut harus memenuhi dua syarat yaitu tidak berubah-ubah nilainya dan mudah diadakan kapan saja dan dimana saja. Kedua suhu tersebut disebut titik tetap atas dan titik tetap bawah.

1. Skala Celcius, di tetapkan oleh Andreas Celcius (1701-1744) yang ditulis ( ). Andreas Celcius juga menentukan dua suhu tetap sebagai patokan yaitu air murni yang sedang mendidih pada tekanan 1 atmosfer dinyatakan dengan 100 sebagai suatu suhu tetap atas, dan suhu air murni yang sedang membeku pada tekanan udara 1 atmosfer dinyatakan dengan 0 sebagai suhu tetap bawah.
2. Skala Kelvin, Lord Kelvin (1824-1907) menetapkan titik bawah dengan nol mutlak yang besarnya lebih kurang -273,15. Pada suhu ini, gerak partikel berhenti sehingga tidak ada panas yang dapat diukur. Hal ini karena panas sebanding dengan energi kinetik tiap partikel.
3. Skala Fahrenheit, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) menetapkan titik bawah menggunakan suhu campuran es dan garam. Titik tetap atas menggunakan suhu air yang sedang mendidih dan di beri angka 212. Titik beku diberi angka 32. Jadi terdapat perbedaan 180 derajat.
4. Skala Reamur, Pada sekala Reamur, titik lebur es diberi angka 0, sebagai titik tetap bawah. Titik didih air diberi angka 80 sebagai titik tetap atas. Jadi skala reamur terdapat 80 skala.

Hubungan antara skala suhu Celcius, Fahrenheit, Reamur dan Kelvin, dinyatakan dengan persamaan di bawah,

1. Hubungan antara Celcius (C) dan Fahrenheit (F)
   
2. Hubungan antara Celcius (C) dan Reamur (R)
   
3. Hubungan antara Celcius (C) dan Kelvin (K)

B.  Pemuaian

       a.  Pemuaian Zat Padat

Jika suatu benda padat dipanaskan, maka benda tersebut akan memuai ke segala arah. Maka dapat dikatakan bahwa besarnya muai panjang:

1. Sebanding dengan panjang batang semula
2. Sebanding dengan kenaikan suhu
3. Sebanding dengan jenis batang

Jenis batang dinyatakan dengan koefisien muai panjang atau koefisien linier,yang dinyatakan dengan simbol . Jika panjamg mula-mula lo kemudian dipanaskan hingga suhunya bertambah sebesar T, maka besarnya tambahan panjang batang:

Keterangan:

Jika panjang batang sebelum dipanaskan lo, dan setelah dipanaskan hingga suhu T, panjangnya menjadi lt maka:

Keterangan:

       b.  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. Pertambahan volume zat cair akibat pemuaian dirumuskan dengan persamaan berikut:

       c.  Pemuaian Gas

Sperti halnya benda padat, gas juga memuai jika dipanaskan. Hukum mengenai pemuaian gas dinyatakan oleh Gay Lussac dan Boyle, dan menjadi hukum Boyle-Gay Lussac.

Hukum Boyle-Gaylussac

Sejumlah gas yang bermassa dengan keadaan awal P1, V1 dan T1 ditekan ke bawah dengan suhu tetap sehingga volumenya menjadi V2 dan tekanan P. Dari pernyataan di atas didapatkan persamaan gas sebagai berikut:

C.  Kalor

Kalor adalah suatu yang mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah untuk mencapai keseimbangan termal. Satu kalori didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1. Satuan Internasional kalor adalah Joule (J) dengan ketentuan 1 kalor = 4,184 J = 4,2 J.

Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor

Besarnya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebanding dengan massa zat itu dan kenaikan suhunya. Jika besarnya kalor yang dibutuhkan suatu zat yang bermassa m untuk menaikkan suhu sebesar Q adalah:

Selain massa dan kenaikan suhu, jumlah kalor yang diperlukan benda bergantung pada jenis zat yang dipanaskan. Sehingga, untuk membedakan jenis zat tersebut dikenal dengan kalor jenis yang diberi simbol c. Sehingga dari persamaan di atas dapat dituliskan:

 Keterangan:

Setiap benda mempunyai perbedaan banyaknya kalor untuk menaikkan suhu yang sama. Perbandingan banyaknya kalor yang diberikan terhadap kenaikan suhu benda dinamakan kapasitas kalor. Jadi, kapasitas kalor suatu benda adalah kemampuan suatu benda untuk menerima dan melepas kalor suhu benda sebesar 1 atau 1 K. Jika kalor yang dibutuhkan sebesar Q untuk menaikkan suhu benda sebesar , maka kapasitas kalor (C) benda tersebut adalah:

Keterangan:

 Berdasarkan persamaan di atas, maka kapasitas kalor dapat juga di rumuskan:

Keterangan:

D.  Perubahan Wujud

Ada 3 wujud zat, yaitu zat padat, zat cair, dan gas. Semua benda dapat berubah wujud ketika suhunya dinaikkan ataupun diturunkan. 

1.  Melebur

Melebur atau mencair adalah perubahan wujud zat dari zat padat menjadi zat cair. Melebur terjadi ketika suatu zat menyerap kalor. Titik lebur adalah suhu zat ketika melebur. Sebagai contoh, pada kondisi lingkungan kita es melebur menjadi cair pada suhu 0, sehingga titik lebur es = 0.
Kalor diperlukan untuk melebur. Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 1 Kg zat padat menjadi 1 Kg zat cair pada titik leburnya disebut kalor lebur.
Persamaan untuk menentukan kalor lebur dirumuskan:

Keterangan:

2.  Membeku
Membeku yaitu perubahan wujud zat dari zat cair menjadi zat padat. Membeku terjadi ketika suatu zat  melepas kalor. Titik beku adalah suhu zat ketika membeku. Titik beku air pada kondisi lingkungan kita adalah 0. Contoh peristiwa pembekuan yang sering kita lihat dalam kehidupan sehari-hari adalah cair menjadi es. Kalor yang dilepaskan untuk membekukan 1 Kg xat cair menjadi 1 Kg zat padat pada titik leburnya disebut kalir beku.

3.  Menguap
Menguap adalah perubahan wujud dari zat cari menjadi gas. Penguapan terjadi pada setiap suhu. Contohnya penguapan terjadi pada peroses pengeringan pakaian yang dijemur di bawah sinar matahari. Ketika pakaian dijemur, sebenarnya pakaian itu sedang menerima kalor dari matahari. keringnya pekaian menunjukkan bahwa air yang terkandung di dalamnya mengalami penguapan menjadi upa air.
Ada peristiwa khusus pada penguapan yaitu mendidih. Mendidih adalah penguapan suatu zat yang hanya terjadi pada titik didih zat yang bersangkutan. Pada saat mendidih, suhu zat tetap sekalipun pemanasan terus dilakukan. Hal ini bisa dilihat pada saat memasak air sampai mendidih. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg zat cair menjadi 1 kg gas/uap pada titik didihnya disebut kalor laten uap atau kalor uap.

4.  Mengembun 
Mengembun adalah perubahan wujud dari gas menjadi cair. contoh peristiwa pengembunan adalah peristiwa hujan.. Ketika hujan, uap air yang berada di awan mengalami pelepasan kalor kemudian mengembun menjadi cair sehingga terjadilah hujan. Kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud zat 1 kg uap menjadi cair pada titik didihnya dinamakan kalor laten embun atau kalor embun.

E.  Asas Black

Apabila dua benda yang suhunya berbeda dicampurkan, maka benda yang suhunya tinggi akan memberikan kalor kepada benda yang suhunya rendah. Sehingga, percampuran suhu kedua benda tersebut menjadi sama. Berdasarkan pernyataan di atas, jika kalor jenis suatu zat diketahui, maka kalor zat yang lain dapat dihitung dengan menggunakan hukum kekekalan energi.

Hukum kekekalan energi berbunyi: "banyaknya kalor yang diberikan sama dengan banyak kalor yang diterima". Dinyatakan dengan persamaan berikut:

 Kekekalan energi di atas pertama kali diukur oleh Joseph Black (1728-1799), sehingga persamaan tersebut dikenal sebagai Asas Black.

F.  Perpindahan Kalor

Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari satu tempat ke tempat yang lain. Kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Perpindahan kalor dari suatu benda ke benda lain dapat melalui tiga cara, yaitu:

1.  Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor yang tidak disertai dengan perpindahan zat pengantarnya. Perpindahan energi kalor secara konduksi dapat terjadi melalui dua peroses yaitu:

• Kalor dipindahkan melalui tabrakan antar partikel. Gerakan partikel menyebabkan terjadinya tabrakan partikel-partikel yang berdekatan dan sekaligus terjadi perpindahan kalor. Cara ini membutuhkan waktu yang lama untuk memindahkan kalor dari ujung satu ke ujung yang lainnya.
• Kalor dapat dipindahkan melaui elektron-elektron bebas. Pada bagian yang dipanaskan, energi bertambah besar sehingga energi itu dapat dipindahkan secara cepat melaui tumbukan dengan elektron-elektron yang ada di sekitarnya.

2.  Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat alir (fluida). Perpindahan kalor secara konveksi dapat diamati pada proses pemanasan air. Partikel yang telah panas 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. Jadi, konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai oleh perpindahan partikel-partikel zat. Laju perpindahan kalor secara konveksi bergantung pada luas permukaan benda (A) yang bersentuhan dan beda suhu () antara benda dengan fluida. Banyak kalor yang dihantarkan secara konveksi dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Keterangan:

3.  Radiasi 
Radiasi merupakan peristiwa di mana benda memancarkan panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Yang dimaksud gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang merambat tanpa memerlukan perantara (medium), seperti gelombang radio dan cahaya. Menurut Stefan, laju pemancaran kalor oleh permukaan hitam sempurna dinyatakan sebagai berikut. Energi total yang dipancarkan oleh 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:

Energi yang dipancarkan tiap satuan waktu adalah:

Keterangan:

Persamaan yang berlaku untuk setiap permukaan dinyatakan sebagai berikut:

 Dimana e adalah emisitas benda yaitu suatu ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Nilai e adalah .


Referensi: Septi Purwaningsih, S.Si, dkk. 2012. Dongkrak Nilai Rapor Fisika SMA Kelas X, XI, dan XII. Yogyakarta:Planet Ilmu