Suhu dan Kalor

SUHU DAN KALOR

Suhu

Konsep suhu (temperatur) berasal dari ide kualitatif tentang “panas” dan “dingin” yang didasarkan atas indera perasa. Suatu benda yang rasanya panas pada umumnya memiliki suhu yang lebih tinggi daripada benda yang dingin. Jadi, suhu merupakan suatu besaran yang menunjukkan ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda. Air yang suhunya lebih tinggi adalah air yang terasa lebih panas. Akan tetapi, karena hanya dengan perasaan, kalian tidak dapat menentukan suhu benda dengan tepat.

            Oleh karena itu, untuk mengukur suhu secara tepat diperlukan alat ukur suhu yang dinamakan termometer. Untuk mengukur suhu benda, sentuhkan termometer pada benda yang akan diukur suhunya.

B. Jenis-jenis Termometer

            Termometer dibuat berdasarkan sifat termometrik bahan, yaitu kepekaan bahan terhadap perubahan suhu atau perubahan besaran fisika akibat perubahan suhu. Beberapa contoh perubahan besaran fisika yang dapat digunakan untuk membuat termometer adalah pemuaian zat cair dalam pipa kapiler, perubahan hambatan listrik kawat platina, pemuaian keping bimetal, dan perubahan tekanan gas pada volume tetap.

1.      Termometer Zat Cair

Termometer zat cair yang paling banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah termometer yang bahan pengisinya zat cair, misalnya raksa. Pada umumnya zat cair memiliki pemuaian yang tidak teratur. Misalnya, air apabila dipanaskan dari suhu 0^oC – 4^oC volumenya justru menyusut. Akan tetapi, raksa memiliki pemuaian yang teratur.

Termometer Raksa

            Termometer raksa adalah termometer yang bahan pengisinya adalah raksa. Sebagai contoh termometer raksa adalah termometer skala Celsius. Gambar 4.1 menunjukkan termometer raksa yang digunakan di laboratorium. Bagaimanakah prinsip kerja termometer ini? Raksa dalam termometer akan memuai apabila dipanaskan. Pemuaian ini menyebabkan raksa mengisi pipa kapiler dan menunjuk pada skala tertentu. Nah, skala yang ditunjukkan oleh termometer ini menunjukkan suhu benda yang diukur.

cannoninstrument.com

Gambar 4.1 Termometer raksa.

                Beberapa keuntungan apabila raksa digunakan sebagai bahan pengisi termometer adalah :

·         raksa mengkilap dan tidak membasahi dinding kaca;

·         raksa merupakan penghantar yang baik sehingga suhunya mudah menyesuaikan dengan suhu benda yang diukur;

·         pemuaiannya teratur;

·         memiliki titik didih yang tinggi (357^oC) sehingga dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi; dan

·         kalor jenisnya kecil sehingga dengan perubahan panas sedikit saja sudah cukup untuk mengubah suhu.

Adapun kerugian menggunakan raksa sebagai bahan pengisi termometer adalah :

·         mahal,

·         memiliki titik beku rendah (–39^oC) sehingga tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu rendah, dan

·         beracun, sehingga apabila termometer pecah dapat menyebabkan keracunan.

Termometer Alkohol

            Alkohol juga dapat digunakan sebagai bahan pengisi termometer.     Beberapa keuntungan apabila alkohol digunakan sebagai bahan pengisi termometer adalah

·         jika dibandingkan dengan raksa, alkohol lebih murah;

·         pemuaiannya teratur; dan

·         titik beku alkohol sangat rendah (–115^oC) sehingga termometer alkohol dapat digunakan untuk mengukur suhu rendah.

Adapun kerugian menggunakan raksa sebagai bahan pengisi termometer adalah

·         membasahi dinding;

·         titik didih alkohol sangat rendah (–78^oC) sehingga pemakaiannya menjadi terbatas; dan

·          kalor jenisnya besar sehingga perlu perubahan panas yang besar untuk mengubah suhu.

Mengapa air tidak dapat digunakan sebagai bahan pengisi termometer? Ada beberapa alasan sehingga air tidak dapat digunakan sebagai bahan pengisi termometer:

·         air membasahi dinding;

·         pada kondisi normal air membeku pada suhu 0^oC dan mendidih pada suhu 100^oC sehingga jangkauan pengukurannya menjadi sangat terbatas; dan

·         air dipanaskan dari suhu 0^oC – 4^oC volumenya justru menyusut.

Ada beberapa termometer zat cair yang dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Akan tetapi, kita hanya akan membahas tiga termometer saja, yaitu: termometer klinis, termometer dinding, dan termometer maksimum minimum Six.

Termometer Klinis   

Termometer ini digunakan untuk mengukur suhu tubuh manusia. Oleh karena itu, termometer ini sering disebut termometer suhu badan. Bagian-bagian dari termometer klinis adalah tabung raksa, bagian yang menyempit, dan pipa kapiler (Gambar 4.2). Zat cair yang digunakan untuk bahan pengisi termometer ini adalah raksa. Skala termometer klinis memiliki jangkauan di atas dan di bawah suhu rata-rata tubuh manusia, yaitu 37^oC. Suhu terendah tubuh manusia tidak pernah kurang dari 35^oC dan tidak pernah lebih dari 42^oC sehingga skala termometer klinis terletak antara 35^oC dan 42^oC.

                                                                                          zeal.co.uk

Gambar 4.2 Termometer klinis.

Termometer yang telah dibicarakan di atas merupakan termometer klinis analog. Dalam termometer analog, hasil pengukuran suhu dapat dibaca pada angka yang tertera pada termometer. Di samping termometer analog, sekarang sudah ada termometer klinis digital (Gambar 4.3). Dalam bentuk digital, hasil pengukuran langsung ditampilkan dalam bentuk angka.

nb-sensor.com

Gambar 4.3 Termometer klinis digital.

Untuk mengukur suhu badan, termometer klinis ditempatkan di bawah lidah atau dijepit pada ketiak. Setelah beberapa saat, termometer diambil dan raksa dalam tabung menjadi dingin dan menyusut. Dengan adanya bagian yang menyempit, raksa di dalam pipa kapiler tidak dapat memasuki tabung dan tetap menunjukkan skala tertentu, misalnya 37^oC.

Termometer Dinding           

Termometer dinding digunakan untuk mengukur suhu ruang. Sesuai dengan namanya, termometer ini dipasang pada dinding ruangan. Skala termometer ini memiliki jangkauan suhu yang dapat terjadi dalam ruang, misalnya –50^oC sampai 50^oC (Gambar 4.4).

                                                       rossbrownsales.com

Gambar 4.4 Termometer dinding.

Termometer Maksimum-Minimum Six                 

Termometer maksimum-minimum Six  digunakan untuk mengukur suhu dalam rumah kaca, yaitu bangunan yang digunakan untuk menanam tumbuh-tumbuhan sebagai bahan penelitian. Pada umumnya suhu maksimum terjadi pada siang hari dan suhu minimum terjadi pada malam hari.

                                                          seton.co.uk

Gambar 4.5 Termometer maksimum-minimum Six.

            Pada saat mengukur suhu dengan menggunakan termometer, kalian harus memperhatikan beberapa hal berikut ini.

¨      Ketika menggunakan termometer, suhu awal tidak perlu diatur terlebih dahulu. Misalnya, suhu awal tidak perlu dibuat 0^oC terlebih dahulu.

¨      Ketika mengukur suhu zat cair, ujung bawah termometer harus diletakkan di tengah-tengah cairan. Ujung bawah termometer ini tidak boleh menyentuh dasar atau dinding bejana. Ketika termometer diangkat dari cairan, suhu termometer akan segera berubah menyesuaikan dengan suhu udara. Oleh karena itu, pembacaan termometer dilakukan ketika termometer masih berada di dalam cairan.

¨      Untuk mengukur suhu tinggi, pastikan kalian menggunakan termometer yang dirancang untuk mengukur suhu tinggi.

¨      Pada saat mengukur suhu, tangan tidak boleh bersentuhan langsung dengan termometer. Untuk mengatasi masalah ini, termometer dapat dijepit dengan statif atau digantung dengan benang melalui lubang yang ada pada ujung atas termometer.

¨      Termometer tidak boleh digunakan untuk mengaduk cairan.

¨      Dalam membaca skala termometer, posisi mata harus berada pada garis yang tegak lurus terhadap posisi skala termometer. Hal ini dilakukan untuk menghindari kesalahan paralaks.

2. Termometer Lain

a. Termometer Bimetal

            Termometer bimetal dibuat dari dua lempeng logam yang berbeda jenisnya. Kedua logam ini direkatkan satu sama lain (Gambar 4.6a). Apabila lempeng bimatel dipanaskan, bimetal akan melengkung ke arah salah satu logam. Jadi, lempeng bimetal akan melengkung apabila suhunya berubah. Lempeng bimetal pada umumnya dibuat bentuk spiral yang salah satu ujungnya dihubungkan dengan jarum penunjuk (Gambar 4.6b). Akibat perubahan suhu, jarum penunjuk akan bergerak dan menunjukkan angka tertentu.

                             

goalfinder.com                                                                                     oldhouseweb.com

            (a)                                                                    (b)

Gambar 4.6 (a) Lempeng bimetal akan melengkung apabila dipanaskan. (b) Lempeng bimetal dapat digunakan sebagai termometer.

b. Termometer Hambatan

            Prinsip termometer hambatan (Gambar 4.7) adalah memanfaatkan perubahan hambatan logam (platina) akibat perubahan suhu. Platina dililitkan pada mika dan dimasukkan ke dalam gelas silika atau tabung perak yang tahan panas. Ujung-ujung kawat platina dihubungkan dengan alat ukur hambatan, misalnya jembatan Wheatstone,  yang diletakkan di luar tabung. Prinsip jembatan Wheatstone akan kalian pelajari di SMA.

            Termometer hambatan memiliki ketelitian yang tinggi. Ketelitian pengukuran dapat mencapai 0,0001^oC. Jangkauan pengukuran sangat lebar, yaitu –250^oC sampai dengan 1760^oC. Termometer hambatan sering digunakan untuk mengukur suhu mesin mobil.

                                                            cannoninstrument.com

Gambar 4.7 Termometer hambatan.

c. Termometer Gas

            Prinsip termometer gas adalah pada volume tetap tekanan gas akan bertambah seiring dengan perubahan suhu. Secara sederhana bentuk termometer gas seperti ditunjukkan pada Gambar 4.8. Termometer gas dapat mengukur suhu yang lebih teliti daripada termometer zat cair. Termometer gas mampu mengukur suhu tinggi hingga 1500^oC. Termometer gas helium pada tekanan rendah mampu mengukur suhu hingga –250^oC.

uvm.edu

Gambar 4.8 Termometer gas.

d. Pyrometer Optik

            Bagaimanakah cara mengukur suhu bara api? Apabila digunakan termometer zat cair, pasti termometernya pecah. Untuk mengukur suhu yang sangat tinggi, misalnya suhu tungku peleburan baja, digunakan pyrometer optik (Gambar 4.9). Alat ini mengukur intensitas radiasi yang dihasilkan oleh bahan yang berpendar. Berbeda dengan penggunaan termometer zat cair, pyrometer optik tidak menyentuh benda yang diukur suhunya. Dengan demikian, pyrometer optik dapat mengukur suhu benda yang sangat tinggi.

img.directindustry.com

Gambar 4.9 Pyrometer optik.

C. Skala Termometer

            Untuk menentukan skala sebuah termometer diperlukan dua titik tetap: titik lebur es sebagai titik tetap bawah dan titik didih air sebagai titik tetap atas. Seorang astronom Swedia, Anders Celsius (1701-1744), adalah orang yang pertama kali menetapkan skala suhu berdasarkan titik lebur es dan titik didih air. Sesuai dengan penemunya, termometer yang ditemukan oleh Anders Celsius dinamakan termometer skala Celsius.

1.      Termometer Skala Celsius

Termometer adalah alat untuk mengukur suhu. Untuk mengetahui suhu benda yang diukur, termometer perlu diberi skala. Proses memberi skala pada termometer dinamakan kalibrasi. Cara mengkalibrasi termometer dengan langkah-langkah sebagai berikut.

1. Menentukan Titik Tetap Bawah

Untuk termometer skala Celsius, titik tetap bawah ditulis 0^oC.

2. Menentukan Titik Tetap Atas

Untuk termometer skala Celsius, titik tetap atas ditulis 100^oC.

3. Membuat Pembagian Skala

Setelah titik tetap bawah dan titik tetap atas ditetapkan, selanjutnya jarak antara kedua titik tetap ini dibagi menjadi beberapa bagian yang sama. Pada termometer skala Celsius, kedua titik tetap ini dibagi menjadi 100 bagian yang sama. Jadi, setiap bagian skala menunjukkan suhu 1^oC.

Pembagian skala ini dapat diperluas dengan memberi angka-angka tambahan, baik di bawah titik tetap bawah maupun di atas titik tetap atas. Angka-angka di bawah titik tetap bawah diberi angka negatif, sedangkan angka-angka di atas titik tetap atas diberi angka lebih dari 100^oC.

 

tre.ngfl.gov.uk

Gambar 4.11 Termometer skala Celsius.

2. Termometer Skala Kelvin

Para ilmuwan lebih suka menggunakan termometer skala Kelvin. Oleh karena itu, dalam SI (Sistem Internasional) satuan suhu adalah kelvin (K).

Ilmuwan yang pertama kali mengusulkan pengukuran suhu berdasarkan suhu nol mutlak adalah Lord Kelvin (1824-1907), fisikawan berkebangsaan Inggris. Sesuai dengan nama penemunya, skala suhu yang digunakan dinamakan skala Kelvin. Penulisan suhu Kelvin tanpa menggunakan simbol derajat (^o), tetapi cukup ditulis dengan K. Suhu paling rendah yang dapat dimiliki benda adalah –273^oC. Dalam skala Kelvin, suhu –273^oC sama dengan 0 K (nol mutlak). Perlu diketahui, suhu skala Kelvin tidak mengenal suhu negatif. Gambar 4.12 menunjukkan perbandingan skala Celsius dan skala Kelvin.

internet4classrooms.com

3.      Termometer Skala Fahrenheit

Dalam termometer skala Fahrenheit, yang biasa digunakan di Amerika Serikat, suhu titik lebur es 32^oF dan suhu titik didih air 212^oF. Jadi, antara titik lebur es dan titik didih air dibagi menjadi 180 bagian yang sama.

Satuan suhu              

	Celsius	Reamur	Fahrenheit	Kelvin
Titik didih	100	80	212	373
Titik beku	0	0	32	273
Selisih kedua titik	100	80	180	100
perbandingan	5	4	9	5

Kalor

Perpindahan energi yang hanya terjadi karena perbedaan suhu disebut aliran kalor atau perpindahan kalor. Pada peristiwa ini energi yang dipindahkan berupa panas. Jadi, kesimpulannya, kalor adalah energi yang berpindah dari satu benda ke benda lain karena adanya perbedaan suhu. Kalor akan berhenti berpindah apabila suhu kedua benda itu sama.

Pengaruh Kalor Pada Zat

           

Ketika kalor diberikan pada sejumlah es batu (wujud padat), suhu es naik sampai mencapai titik leburnya (kira-kira 0^oC). Ketika es melebur menjadi air, suhu tetap 0^oC sampai seluruh es melebur. Apabila kalor telur diberikan, suhu air terus meningkat sampai mencapai titik didih 100^oC. Disimpulkan bahwa pemberian kalor pada zat dapat menyebabkan perubahan suhu zat dan perubahan wujud zat.

     

Satuan Kalor

Satuan kalor adalah kalori. Satuan ini didefinisikan berdasarkan perubahan suhu pada zat. Satu kalori (1 kal) didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air dari 14,5^oC menjadi 15,5^oC. Satuan lain yang sering digunakan adalah kilokalori (kkal), dengan 1 kkal = 1.000 kal. Dengan mengingat kalor adalah energi yang berpindah, maka ada hubungan antara satuan kalor dan satuan energi. Berdasarkan percobaan, diperoleh 1 kalori = 4,2 joule atau 1 joule = 0,24 kalori. Perlu diketahui, satuan kalor dalam sistem SI adalah joule (J).

Hubungan antara Kalor dan Perubahan Suhu

Secara alamiah kalor selalu mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Perpindahan kalor sering diikuti oleh kenaikan suhu benda. Apabila terjadi kenaikan suhu, jumlah kalor yang diterima oleh benda selalu  sebanding dengan kenaikan suhu benda itu.

Semakin lama waktu pemanasan kenaikan suhu air semakin besar. Pemanasan yang semakin lama menunjukkan bahwa jumlah kalor yang diterima zat (air) juga semakin besar. Jadi, jumlah kalor yang diterima zat sebanding dengan perubahan suhunya. Artinya, apabila kalor yang diterima semakin besar perubahan suhunya juga semakin besar.

Hubungan antara Kalor dan Massa Zat

Air sebanyak 50 mL membutuhkan waktu yang lebih singkat untuk mencapai suhu 40^oC. Artinya, air sebanyak 100 mL membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mencapai suhu 40^oC. Pemanasan yang semakin lama menunjukkan jumlah kalor yang diterima air juga semakin banyak. Sebaliknya, pemanasan yang lebih singkat menunjukkan jumlah kalor yang diterima juga semakin sedikit. Jadi, jumlah kalor sebanding dengan massa benda. Semakin besar massa benda, semakin besar pula jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda benda itu. Semakin kecil massa benda, semakin kecil pula jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda itu.

Hubungan antara Kalor dan Jenis Zat

Waktu yang dibutuhkan berbagai jenis zat untuk menaikkan suhu yang sama ternyata berbeda-beda. Apabila air 20 mL dan minyak goreng 20 mL yang mula-mula bersuhu 25^oC dipanaskan dengan alat pemanas yang sama, minyak goreng akan lebih cepat mencapai suhu 40^oC daripada air.

Ternyata air membutuhkan waktu lebih lama untuk mencapai suhu 40^oC. Artinya, untuk mencapai suhu 40^oC air membutuhkan kalor lebih banyak daripada minyak goreng. Dengan demikian, jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat bergantung pada jenis zat. Perbedaan jumlah kalor ini disebabkan oleh sifat khas yang dimiliki oleh air dan minyak goreng. Dalam fisika, sifat khas ini dinamakan kalor jenis dengan simbol c. Jadi, air dan minyak goreng memiliki kalor jenis yang berbeda.

            Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa untuk menaikkan suhu suatu zat bergantung pada tiga faktor, yaitu:

1. perubahan suhu,
2. massa zat, dan
3. kalor jenis.

Uraian di atas juga menunjukkan bahwa jumlah kalor (Q)  yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebanding dengan massa benda (m) dan sebanding dengan kenaikan suhu (Dt).

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

dengan ketentuan:

• = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)
• = Massa zat (Gram, Kilogram)
• = Kalor jenis (Joule/kilogram°C, Joule/gram°C, Kalori/gram°C)
• = Perubahan suhu (°C) → (t₂ - t₁)

Kalor Jenis

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter. Persamaan kalor jenis :                

Air adalah zat yang kalor jenisnya paling tinggi. Artinya, jika dibandingkan dengan zat lain untuk massa dan kenaikan suhu yang sama, air mampu mengambil kalor yang lebih besar apabila air bersentuhan dengan benda yang suhunya lebih tinggi. Jadi, air merupakan bahan yang baik sekali untuk menyimpan energi panas. Air juga merupakan pendingin yang baik. Itulah sebabnya air dipilih sebagai bahan pendingin radiator mesin mobil. Pada siang hari ketika terik matahari, air dalam danau masih terasa dingin meskipun udara di sekitarnya terasa panas. Hal ini karena kalor jenis air lebih tinggi daripada udara di sekelilingnya, sehingga udara lebih cepat naik suhunya daripada air.

Contoh Soal

Berapakah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebatang besi yang massanya 2 kg dari 30^oC menjadi 90^oC?

Penyelesaian

Berdasarkan  Tabel 4.1 diketahui bahwa kalor jenis besi adalah 450 J/kg K. Seperti telah diuraikan sebelumnya,  perubahan suhu skala Celsius sama dengan perubahan suhu skala Kelvin. Jadi,  Dengan menggunakan Persamaan (4-5), diperoleh

           

Contoh Soal

Air sebanyak 0,5 kg yang bersuhu 25^oC diberi kalor sebanyak 10.500 J. Apabila kalor jenis air 4.200 J/kg K, berapakah suhu akhir air?

Penyelesaian

Massa air         m = 0,5 kg

Suhu awal       t₁ = 25^oC

Jumlah kalor    Q = 10.500 J

Kalor jenis air  c = 4.200 J/kg K

Dengan menggunakan Persamaan (4-5), diperoleh

             

Akan tetapi,  atau

                       

Jadi, suhu akhir air 30^oC.

Kapasitas kalor

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan oleh benda untuk menaikkan suhunya 1°C.

Rumus kapasitas kalor:    
                                   

                                   

                                   

dengan syarat:

• = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)
• = Kapasitas kalor (Joule/°C)
• = Massa zat (Gram, Kilogram)
• = Kalor jenis (Joule/kilogram°C, Joule/gram°C, Kalori/gram°C)
• = Perubahan suhu (°C) → (t₂ - t₁)
  
  Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis :

• Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
• Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

E. Perubahan Wujud

            Kalor dapat mengubah wujud zat. Kalian tentu masih ingat bahwa zat dapat berwujud padat, cair atau gas. Perubahan wujud zat bergantung pada jumlah kalor yang diterima atau jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat yang bersangkutan.

ü  Zat padat dapat berubah wujud menjadi zat cair apabila zat itu menerima kalor.

ü  Zat cair dapat berubah wujud menjadi gas apabila zat itu menerima kalor.

ü  Gas dapat berubah wujud menjadi zat cair apabila melepaskan kalor.

ü  Zat cair dapat berubah wujud menjadi zat padat apabila melepaskan kalor.

ü  Es (zat padat) berubah wujud menjadi air (zat cair) apabila dipanaskan. Artinya, es menerima kalor.

ü  Air (zat cair) berubah wujud menjadi uap (gas) apabila dipanaskan. Artinya, air menerima kalor.

ü  Uap air akan berubah wujud menjadi air apabila didinginkan. Artinya, uap air melepaskan kalor.

ü  Air (zat cair) akan berubah wujud menjadi es (zat padat) apabila didinginkan. Artinya, air melepaskan kalor.

            Perubahan wujud dengan anak panah ke atas, misalnya mencair dan menguap, memerlukan kalor. Sebaliknya, perubahan wujud dengan anak panah ke bawah, misalnya mengembun dan membeku, memerlukan kalor.

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

Menguap

            Apabila sejumlah air dipanaskan terus-menerus, air akan menguap. Hal ini menunjukkan bahwa menguap memerlukan kalor. Untuk menunjukkan bahwa pada waktu menguap zat memerlukan kalor, kalian dapat memanaskan air dalam bejana dengan menggunakan pembakar spiritus. Setelah pembakar spiritus dinyalakan dan ditunggu beberapa saat, kalian akan melihat uap muncul pada permukaan air.

            Proses penguapan dapat dipercepat dengan beberapa cara, yaitu: memanaskan, memperluas permukaan, mengalirkan udara pada permukaan zat cair, dan mengurangi tekanan pada permukaan zat cair. Dapat disimpulkan bahwa penguapan zat cair dapat terjadi pada sembarang suhu.

Mengembun

Mengembun adalah proses perubahan wujud dari gas menjadi cair. Zat dapat mengembun apabila suhu turun, sedangkan suhu turun terjadi apabila zat itu melepaskan kalor. Ada dua contoh peristiwa mengembun dalam kehidupan sehari-hari. Ketika kalian memasukkan pecahan-pecahan es ke dalam gelas, sisi luar gelas mula-mula kering. Akan tetapi, beberapa saat kemudian pada bagian sisi luar gelas terdapat bintik-bintik air. Ketika kalian naik mobil pada saat cuaca cerah, kaca jendela mobil bagian dalam masih kering. Akan tetapi, ketika hujan turun kaca mobil bagian dalam menjadi buram.

            Ketika uap air melepaskan kalor suhunya turun sehingga uap air berubah menjadi bintik-bintik air.

Mendidih

Mendidih adalah proses perubahan wujud dari zat cair menjadi gas (uap). Mendidih terjadi pada seluruh bagian zat cair. Zat cair dikatakan menguap apabila molekul-molekulnya sebagian meninggalkan permukaan zat cair tersebut. Apabila suhu zat cair dinaikkan, penguapan dapat terjadi di seluruh bagian zat cair. Molekul-molekul zat cair membentuk uap dalam bentuk gelembung-gelembung udara. Gelembung-gelembung ini dapat terjadi di seluruh bagian zat cair.

      Apabila pemanasan dilanjutkan, gelembung-gelembung udara akan naik ke permukaan zat cair dan akhirnya pecah. Apabila hal ini terjadi, zat cair dikatakan mendidih. Jadi, zat cair dikatakan mendidih apabila gelembung-gelembung uap terjadi di seluruh bagian zat cair dan meninggalkan zat cair. Pada saat mendidih suhu zat cair tidak berubah, meskipun kalor diberikan terus-menerus.

Kenaikan suhu hanya terjadi ketika air mulai dipanaskan sampai air mendidih. Setelah air mendidih, tidak terjadi perubahan suhu. Ketika air sudah mendidih, kalor yang diberikan hanya digunakan untuk mengubah wujud zat: dari zat cair menjadi uap. Suhu zat cair pada saat mendidih dinamakan titik didih.

            Kalor uap merupakan salah satu sifat zat. Kalor uap adalah banyaknya kalor (dengan satuan joule) yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg zat pada titik didihnya.  Satuan kalor uap adalah J/kg.

            Untuk menguapkan zat cair dengan massa m pada titik didihnya diperlukan kalor sebanyak

                        Q = mL,                                                                                  (4-6)

dengan L dinamakan kalor uap zat yang bersangkutan.

           

Contoh Soal

Hitunglah jumlah kalor yang diperlukan untuk menguapkan 0,5 kg uap air pada suhu 100^oC.

Penyelesaian

Massa uap air  m = 0,5 kg

Berdasarkan Tabel 4.2 kalor uap air L = 2.256.000 J/kg = 2.256 kJ/kg.

Dengan menggunakan Persamaan (4-5), diperoleh

                        Q = mL = (0,5 kg)(2.256 kJ/kg) = 1128 kJ.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Titik Didih

            Titik didih zat cair dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu: tekanan di atas permukaan zat cair dan ketidakmurnian zat cair.

            Setelah suhu melebihi 100^oC ikatan molekul-molekul air di seluruh bagian mulai renggang sehingga timbul gelembung-gelembung uap air di seluruh bagian. Air telah mendidih. Molekul-molekul air di permukaan juga telah menguap. Jadi, apabila tekanan di atas permukaan zat cair lebih dari 1 atm maka titik didih zat cair lebih tinggi daripada titik didih normal.

            Pada proses melebur memerlukan kalor. Selama proses melebur, meskipun kalor diberikan terus-menerus suhu zat tidak berubah. Kalor yang diterima bukan digunakan untuk menaikkan suhu, tetapi digunakan untuk mengubah wujud zat dari padat menjadi cair. Sebaliknya,  pada proses membeku zat melepaskan kalor dan selama proses membeku suhu zat tidak berubah.

            Jumlah kalor (dengan satuan joule) yang diperlukan untuk meleburkan 1 kg zat pada titik leburnya dinamakan kalor lebur.  Satuan kalor lebur adalah J/kg.  Jumlah kalor (dengan satuan joule) yang dilepaskan untuk membekukan 1 kg zat pada titik bekunya dinamakan kalor beku. Setiap zat yang jenisnya sama, besarnya kalor lebur sama dengan kalor beku dan titik leburnya sama dengan titik bekunya. Oleh karena itu, untuk proses melebur tetap berlaku Persamaan (4-6), dengan L menunjukkan kalor lebur.

           

Contoh Soal

Hitunglah jumlah kalor yang diperlukan untuk meleburkan 1 kg es pada suhu –10^oC (kalor jenis es c = 2.100 J/kg^oC, kalor lebur es L = 336.000 J/kg).

Penyelesaian

Massa es          m = 1 kg

Suhu awal       t₀ =  –10^oC

Kalor jenis es   c = 2.100 J/kg^oC

Kalor lebur es L = 336.000 J/kg

Pada tekanan 1 atm, es melebur pada suhu 0^oC. Untuk meleburkan es suhu –10^oC diperlukan kalor Q₁ untuk menaikkan suhu es dari –10^oC ke titik leburnya, yaitu 0^oC. Selanjutnya, diperlukan kalor Q₂ untuk meleburkan es dengan suhu 0^oC menjadi air dengan suhu 0^oC.

• Kalor yang diperlukan untuk suhu es dari t₀ = –10^oC ke titik leburnya t = 0^oC adalah

• Kalor yang diperlukan untuk meleburkan es 0^oC menjadi air 0^oC adalah

Jadi, jumlah kalor yang diperlukan untuk meleburkan 1 kg es pada suhu –10^oC adalah

            Q = Q₁ + Q₂ = 21.000 J + 336.000 J = 357.000 J.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Titik Lebur

           

Tekanan yang diberikan dapat menurunkan titik lebur es. Peristiwa meleburkan bagian balok es yang diberi beban dan membeku kembali sesaat setelah beban dihilangkan dinamakan regelasi.

            Ketidakmurnian zat juga dapat mempengaruhi titik lebur. Penambahan garam dapur pada campuran air dan es mampu menurunkan titik lebur es sampai – 20^oC. Peristiwa ini dapat dimanfaatkan untuk pembuatan ice cream. Pemberian garam dapur dapat menurunkan titik lebur es, sehingga es dapat melebur di bawah suhu 0^oC. Proses melebur membutuhkan kalor. Kalor tidak diberikan dari luar, tetapi diambil dari es itu sendiri. Akibatnya, suhu es turun meskipun es dalam keadaan cair (ice cream).

Azas Black

            Kalor yang dilepaskan oleh zat yang bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diterima oleh zat yang bersuhu rendah. Pernyataan ini mula-mula dikemukakan oleh fisikawan Inggris, Joseph Black (1728-1799), sehingga dikenal sebagai asas Black. Secara sederhana, azas Black dapat dirumuskan sebagai berikut:

                        Q_dilepaskan = Q_diterima                                                                   (4-7)

                        m1.c1.(t1 – ta) = m2.c2.(ta-t2)

Jadi, apabila dua zat yang berbeda suhunya dicampur kedua zat itu akhirnya akan memiliki suhu yang sama. Untuk memahami penerapan Azas Black, perhatikan contoh soal berikut.

Contoh Soal

Sepotong logam aluminium yang massanya 0,25 kg dipanaskan sampai 100^oC, kemudian dimasukkan ke dalam bejana yang berisi 0,2 kg air dengan suhu 25^oC. Apabila pertukaran kalor hanya terjadi antara aluminium dan air, berapakah suhu akhir yang dapat dicapai? Diketahui, kalor jenis aluminium 900 J/kg^oC dan kalor jenis air 4.200 J/kg^oC.

Penyelesaian

Karena suhu aluminium lebih tinggi daripada suhu air, sehingga ketika keduanya dicampur aluminium akan melepaskan kalor dan air akan menerima kalor. Misalnya, suhu akhir yang dapat dicapai adalah t^oC. Dengan demikian, suhu aluminium turun dari 100^oC menjadi t^oC. Sebaliknya, suhu air naik dari  25^oC menjadi t^oC. Perhatikan diagram di bawah ini.

                                                                                   aluminium, 100^oC

                                                                         suhu akhir, t^oC

                                                                       air, 25^oC

Aluminium

Massa                          m₁ = 0,25 kg

Kalor jenis                   c₁ = 900 J/kg^oC

Perubahan suhu           ∆t₁ = (100 – t)^oC

Aluminium melepaskan kalor :

Air

Massa                          m₂ = 0,2 kg

Kalor jenis                   c₂ = 4.200 J/kg^oC

Perubahan suhu           ∆t₂ = (t –25)^oC

Air menerima kalor                 :

Berdasarkan Asas Black, Q_lepas = Q_terima. Jadi,

                       

Jadi, suhu akhir yang dapat dicapai adalah 40,8^oC.

Perpindahan Kalor

Kalor dapat berpindah dengan tiga macam cara:

• Konduksi (hantaran), yaitu perpindahan kalor melalui media
• Konversi, yaitu aliran kalor melalui partikel-partikel yang bergerak
• Radiasi, yaitu kalor memancar ke segala arah tanpa media

• Konduksi, panas dari api kompor merambat dasar panci melalui pengaduk sampai keujungnya
• Konveksi, padas dari api kompor merambat melalui partikel-partikel air didasar panic naik sampai kepermukaan.