5. Suhu dan Kalor

 

Suhu

Suhu merupakan derajat panas atau dingin yang dirasakan indera. Alat yang digunakan untuk mengukur suhu disebut dengan termometer.

Terdapat 4 skala suhu yang digunakan pada termometer diantaranya Celcius ($\displaystyle \degree C$), Reamur ($\degree R$), Fahrenheit ($\degree F$), dan Kelvin.

Skala suhu yang ditetapkan sebagai satuan internasional adalah Kelvin.

Kalor

Kalor merupakan proses transfer energi dari satu zat ke zat lainnya yang disertai dengan perubahan suhu.

1. Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor

Kalor jenis adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 K. Semakin besar kalor jenis benda, maka semakin besar pula kemampuan benda tersebut menyerap kalor.

Secara matematis dapata dirumuskan sebagai $\displaystyle c=\frac{Q}{m.\Delta T}$ atau $\displaystyle Q=m.c.\Delta T$

Keterangan :

c = kalor jenis suatu zat ($\displaystyle J/Kg\ \degree C$)

m = massa zat (kg)

$\displaystyle \Delta T$ = Perubahan suhu ($\degree K$)

Q = banyak kalor yang diterima atau dilepas  (J)

Kapasitas Kalor suatu benda adalah jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan jika suhu benda tersebut dinaikkan atau diturunkan 1 K atau 1 $\degree C$

Secara matematis dapat dituliskan : $C=\frac{Q}{\Delta T} \ atau\ C\ =\ m.c$

Dengan 
C = kapasitas kalor (J/K)

2. Perubahan Wujud Zat

Kalor yang diterima atau dilepaskan suatu zat dapat mengakibatkan pada perubahan wujud suatu zat. Penerimaan kalor akan meningkatkan suhu dan dapat mengubah wujud zat dari padat menjadi cair atau cair menjadi gas. Sedangkan pelepasan kalor dapat menurunkan suhu atau merubah wujud dari cair menjadi padat atau gas menjadi cair.

Ketika sedang berubah wujud, walaupun terdapat pelepasan atau penyerapan kalor tetapi tidak digunakan untuk menaikkan atau menurunkan suhu. Kalor ini disebut Kalor laten atau L. Kalor laten adalah kalor yang dibutuhkan benda untuk mengubah wujudnya per satuan massa.

Secara matematis : $L=\frac{Q}{m}$

Dengan

L = kalor laten (J/kg)

Q = kalor yag dibutuhkan saat perubahan wujud (J)

m = massa zat (kg)

3. Asas Black

Bunyi asas Black :

“Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah”

.Secara matematis dapat dituliskan

$Q_{lepas} =Q_{terima}$

Kalor

Pemuaian Zat

Sambungan rel kereta api dibuat agak renggang karena untuk memberi ruang saat rel mengalami pemuaian.

Pemuaian zat umumnya terjadi ke segala arah, ke arah panjang, ke arah lebar dan ke arah tebal. Namun, pada pembahasan tertentu mungkin kita hanya memandang pemuaian ke satu arah tertentu, misalnya ke arah panjang, sehingga kita hanya hanya membahas pemuaian panjang.

Pemuaian Zat Cair

Pada umumnya setiap zat memuai jika dipanaskan, kecuali air jika dipanaskan dari $0\degree C$ sampai $4\degree C$ akan menyusut. Sifat keanehan air seperti itu disebut anomali air. Grafik anomali air seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini.

Keterangan:

Pada suhu $4\degree C$ diperoleh:

a) volume air terkecil
b) massa jenis air terbesar

Karena pada zat cair hanya mengalami pemuaian volume, maka pada pemuaian zat cair hanya diperoleh persamaan berikut :

Pemuaian Zat Padat

Muai Panjang

Untuk pemuaian panjang digunakan konsep koefisien muai panjang atau koefisien muai linier yang dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang zat dengan panjang mula-mula zat, untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu.

Jika koefisien muai panjang dilambangkan dengan α dan pertambahan panjang ΔL, panjang mula-mula L0 dan perubahan suhu ΔT maka koefisien muai panjang dapat dinyatakan dengan persamaan:

 Sehingga satuan dari α adalah 1/K atau K-1. Dari persamaan di atas,

diperoleh pula persamaan berikut : 

Dimana : 

Muai Luas

Jika zat padat tersebut mempunyai 2 dimensi (panjang dan lebar), kemudian dipanasi tentu baik panjang maupun lebarnya mengalami pemuaian atau dengan kata lain luas zat padat tersebut mengalami pemuaian. Koefisien muai pada pemuaian luas ini disebut dengan koefisien muai luas yang diberi lambang β Analog dengan pemuaian panjang, maka jika luas mula-mula A0, pertambahan luas ΔA dan perubahan suhu ΔT, maka koefisien muai luas dapat dinyatakan dengan persamaan:

Muai Volume

Zat padat yang mempunyai bentuk ruang, jika dipanaskan mengalami pemuaian volum. Koefisien pemuaian pada pemuaian volum ini disebut dengan koefisien muai volum atau koefisien muai ruang yang diberi lambang γ. Jika volum mula-mula V0, pertambahan volum ΔV dan perubahan suhu ΔT, maka koefisien muai volum dapat dinyatakan dengan persamaan:

Pemuaian Zat Gas

Jika gas dipanaskan, maka dapat mengalami pemuaian volume dan dapat juga terjadi pemuaian tekanan. Dengan demikian pada pemuaian gas terdapat beberapa persamaan, sesuai dengan proses pemanasannya.

Pemuaian Volume pada Tekanan Tetap (Isobarik)

Jika gas dipanaskan pada tekanan tetap maka volume gas sebanding dengan
suhu mutlak gas itu.. Secara matematik dapat dinyatakan:
V ~ T
Atau secara lengkap dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut :

Pemuaian Tekanan Gas pada Volume Tetap (Isokhorik)

Jika pemanasan terus dilakukan pada gas dalam ruang tertutup, maka

tekanan gas sebanding dengan suhu mutlak gas tersebut. Secara matematik

dapat dinyatakan sebagai berikut.

P ~ T

Atau secara lengkap dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut.

Pemuaian Volume Gas pada Suhu Tetap (Isotermis)

Jika gas dipanaskan dengan suhu tetap, tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas.

Diperoleh : 

Jika pada proses pemuaian gas terjadi tekanan berubah, volum berubah dan suhu berubah maka dapat diselesaikan dengan persamaan hukum Boyle - Gay Lussac

Perpindahan Kalor

Konduksi

Peristiwa perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai dengan perpindahan partikel partikelnya disebut konduksi. Jumlah kalor yang dipindahkan per satuan waktu, secara matematis dituliskan:

Konveksi

Peristiwa perpindahan kalor yang disertai perpindahan massa atau perpindahan partikel partikel zat perantaranya disebut dengan aliran kalor secara konveksi. Laju kalor secara konveksi , secara matematis dapat dirumuskan:

Radiasi

Peristiwa perpindahan kalor tanpa zat perantara disebut dengan radiasi.

Besar laju aliran kalor secara matematis dirumuskan :