Suhu dan Kalor (Temperature and Heat)

Konversi Suhu

Pemuaian
Masalah - masalah yang ditimbulkan akibat pemuaian :

1. Rel kereta api dan jembatan beton melengkung
2. Kaca jendela rumah atau mobil retak
3. Kawat telepon sengaja dibiarkan kendor agar tidak putus ketika menyusut

Manfaat pemuaian antara lain :

1. Pengelingan pelat logam pada pembuatan badan kapal
2. Keping bimetal yang dimanfaatkan pada saklar termal
3. Termostat bimetal

Pada keping bimetal jika dipanaskan akan melengkung ke arah logam yang mempunyai koefisien muai lebih kecil.

Pemuaian panjang zat padat





Perlu diingat bahwa beda suhu dalam C adalah sama dengan beda suhu dalam K

Pemuaian luas zat padat

Pemuaian volume zat padat

Pemuaian volume zat cair
Zat cair tidak mengalami pemuaian panjang dan pemuaian luas, tetapi hanya mengalami pemuaian volume. Maka untuk zat cair hanya dikenal koefisien muai volume.Persamaan untuk menghitung pertambahan volume zat cair persis seperti untuk pertambahan volume zat padat.

Anomali air
Umumnya zat yang dipanaskan akan memuai, tetapi tidak demikian dengan air. Antara suhu 0° C dan 4° C air menyusut bila dipanaskan dan mencapai volume minimum pada suhu 4° C. Di atas 4° C air memuai bila dipanaskan.Sifat pemuaian air yang tidak teratur ini disebut anomali air. Zat lain yang memiliki sifat anomali seperti air adalah parafin dan bismuth

Kalor
Kalor adalah suatu bentuk energi. Satu kalori didefinisikan sebagai jumlah kalor yang ketika diberikan pada 1 gram air yang menaikkan suhu air tersebut 1°C.
Satuan SI-nya adalah Joule. Satuan - satuan lain yang digunakan untuk panas adalah kalori ( 1 kalori = 4,184 J ; biasanya sering dibulatkan 4,2 J ) dan British thermal unit ( 1 Btu = 1054 J ).

Kalor Jenis
Kalor jenis didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 Kelvin ( atau °C ). Kalor jenis diberi lambang c.
Dalam satuan SI, c mempunyai satuan J/kg °C atau kal/g °C.

Kapasitas Kalor
Diberi lambang C didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Untuk benda bermassa m, hubungan antara kapasitas kalor dan kalor jenis adalah :

Kalor yang diterima atau dilepas
Kalor yang diterima atau dilepas oleh suatu benda bermassa m dan memiliki kalor jenis c yang mengalami perubahan suhu (tanpa disertai perubahan fase) dinyatakan oleh :


Jika positif,maka Q positif berarti benda menerima kalor. Jika negatif, maka Q negatif berarti benda melepas kalor.

Hukum kekekalan energi untuk kalor
Berbagai benda yang dicampur dan diisolasi sempurna terhadap lingkungan, banyak kalor yang dilepas benda sama dengan banyak kalor yang diterima. Atau dengan kata lain jumlah perubahan kalor untuk semua benda = 0.
Hukum kekekalan energi untuk kalor lebih dikenal sebagai azas Black

Perubahan wujud
Lihat diagram di bawah ini :

Melebur,menguap, dan menyublim memerlukan kalor. Membeku,mengembun, dan mengkristal melepaskan kalor.

Kalor laten
Kalor yang digunakan oleh zat untuk mengubah wujud disebut kalor laten.Ada beberapa macam kalor laten yaitu :

1. Kalor laten lebur atau kalor lebur (Lf)
Jumlah kalor yang diperlukan untuk melebur satu satuan massa pada suhu tetap. Kalor ini sama dengan kalor yang dilepas satu satuan massa lelehan sewaktu membeku pada suhu tetap tadi (kalor beku).Kalor lebur air pada suhu 0°C adalah 80 kal/g

2. Kalor laten uap atau kalor uap (Lv)
Jumlah kalor yang diperlukan untuk menguapkan satu satuan massa cairan pada suhu tetap. Kalor ini sama dengan kalor embun,

Grafik suhu kalor

Perpindahan Kalor
Kalor berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Ada tiga cara perpindahan kalor :

1. konduksi (hantaran)
2. konveksi (aliran)
3. radiasi (pancaran)

Lihat ilustrasinya di bawah ini :

Konduksi
Konduksi : Mekanisme perpindahan panas pada zat padat atau fluida stasioner.

1. ada medium
2. medium tidak ikut berpindah
3. beda suhu

Proses : Semakin panas benda, semakin besar EK rata - rata molekul - molekulnya. Bila antara dua benda yang bersentuhan terdapat suatu perbedaan suhu,molekul dalam benda yang lebih panas yang memiliki energi yang lebih tinggi, memindahkan energi ke molekul dalam benda yang lebih dingin yang memiliki energi lebih rendah..

Persamaan konduksi (hukum Fourier):
Laju perpindahan panas konduksi pada suatu plat sebanding dengan beda temperature diantara dua sisi plat dan luas perpindahan panas, tetapi berbanding terbalik dengan tebal plat..

Konveksi
Proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian fluida lainnya oleh pergerakan fluida itu sendiri akibat perbedaan massa jenis disebut konveksi atau aliran. Konveksi hanya terjadi pada zat yang dapat mengalir yaitu zat cair dan gas.Ada dua jenis konveksi yaitu konveksi alami dan konveksi paksa.

Radiasi
Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Karena kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik maka radiasi kalor tidak memerlukan medium.
Benda hitam adalah benda yang mampu menyerap semua energi yang jatuh padanya.Maka dapat dikatakan penyerap radiasi sempurna disebut benda hitam. Saat keseimbangan termal telah tercapai,jumlah energi yang dipancarkan sesuatu benda sama dengan jumlah energi yang diserap. Jadi permukaan yang hitam kusam adalah penyerap dan pemancar kalor radiasi yang baik, sedangkan permukaan putih mengkilat adalah penyerap dan pemancar kalor yang sangat buruk..





Semua benda yang suhunya diatas nol mutlak akan memancarkan energi. Bila suatu benda pada suhu mutlak berada dalam daerah dengan suhu maka energi murni yang dipancarkan per detik benda tadi adalah :

Uji kemampuan dasar

1. Dua buah manometer A dan B menunjukkan angka yang sama 100° ketika digunakan untuk mengukur suhu air saat mendidih. Dalam air yang agak hangat, termometer A menunjukkan angka 75° sementara termometer B menunjukkan angka 50°. Jika termometer A menunjukkan angka 25°, maka termometer B akan menunjukkan angka...


2. Sebuah bola berongga terbuat dari perunggu (koefisien muai linier α= 18 x 10^-6/°C) pada suhu 0°C jari - jarinya 1 m. Jika bola tersebut dipanaskan sampai 80°C, maka pertambahan luas permukaan bola adalah sebesar..m²


3. Kalor jenis es 0,5 kal/g°C, kalor lebur es 80 kal/g dan kalor jenis air 1 kal/g°C. Setengah kilogram es bersuhu -20°C dicampur dengan sejumlah air bersuhu 20°C sehingga mencapai keadaan akhir berupa air seluruhnya bersuhu 0°C. Massa air mula - mula adalah.....


4. 460 gram campuran es dan air pada suhu 0°C berada dalam suatu bejana yang kapasitas kalornya dapat diabaikan. Kemudian dimasukkan 80 gram uap air pada suhu 100°C ke dalam bejana. Jika kalor lebur es 80 kal/gram dan kalor uap air 540 kal/gram, sedangkan temperatur akhirnya 80°C, maka banyak air semula adalah.....


5. Cangkir kopi seberat 0,25 kg dibuat dari suatu bahan yang memiliki kalor jenis 960 J/kg°C dan berisi 0,3 kg air. Cangkir dan kopi berada pada suhu 22°C. Untuk membuat secangkir kopi, suatu pemanas listrik dicelupkan ke dalam air dan membuat air mendidih dalam 2 menit. Anggap cangkir dan air selalu memiliki suhu yang sama.Tentukan spesifikasi daya minimum pemanas listrik..


6. Seorang tanpa busana dengan luas permukaan badan 1,4 m² dan suatu daya pancar (emissivity) sebesar 0,85 mempunyai temperatur kulit 37°C dan berdiri di dalam ruangan 20°C. Berapa banyak panas yang hilang dari orang tersebut per menit?


7. Peluru dengan massa 3 gram bergerak dengan kelajuan 300 m/s dan berhenti setelah menumbuk balok kayu. Saat tumbukan 70% energi kinetik peluru berubah menjadi panas. Hitung perubahan suhu peluru! (c_perluru= 400 J/kgK)


8. Bola yang radiusnya 2 cm memiliki emisivitas 0,8. Bola tersebut menyerap energi kalor dari lingkungannya dengan laju 4,536 J/s. Berapakah suhu bola itu?..


9. Sebuah zat cair berada di dalam suatu kotak yang dibatasi oleh dua dinding vertikal. Suhu kedua dinding masing - masing 30°C dan 35°C. jika luas kedua dinding sama, yaitu 1 m² dan koefisien konveksi 216 W/m²K, maka jumlah kalor yang mengalir tiap satuan waktu adalah....

10. Sebatang perunggu bersuhu 127 °C meradiasikan kalor dengan laju 20 W. Jika suhunya dinaikkan menjadi 227°C, maka laju radiasi kalor adalah....

11. Sebuah lampu sorot memiliki lampu pijar 50 W yang berada dalam suatu kerudung logam bersuhu 60°C saat suhu ruang 20°C. Jika lampu 50 W diganti dengan lampu 75 W,berapakah suhu kerudung logamnya?..

12. Sebuah jendela kaca, yang memiliki ukuran 200 cm × 150 cm dan tebal 6 mm, bersuhu 30°C pada permukaan luarnya. Jika suhu permukaan dalamnya sebesar 20°C dan koefisien konduksi kaca ρ kal/msK maka jumlah kalor yang masuk tiap menit melalui jendela ini adalah...(dalam kkal)

13. Tiga buah batang logam yang berbeda jenisnya dilas menjadi bentuk seperti gambar di bawah. Ujung bebas batang pertama bersuhu 100°C, sedangkan dua ujung lainnya bersuhu 0°C. Ketiga batang memiliki panjang dan luas penampang sama sedangkan konduktivitas termal batang pertama, kedua, dan ketiga berturut - turut K₁, K₂, dan K₃. Jika hubungan antara ketiganya adalah K₁=2K₂=3K₃, maka suhu disambungan ketiga batang tersebut adalah....


14. Dua batang logam sejenis A dan B penampangnya, berbanding 2 : 1 sedang panjangnya berbanding 4 : 3. Bila beda suhu ujung - ujung kedua batang sama, maka jumlah rambatan kalor setiap satuan waktu pada A dan B berbanding...

15. Seseorang berada dalam ruangan yang bersuhu 40°C. Koefisien konveksi 7,1 J/sm²K^-1, orang tersebut berada dalam ruangan tersebut selama 5 menit. Jika kalor yang diterima orang tersebut selama 5 menit adalah 34080 J, tentukan badan orang tersebut jika luas permukaan tubuh orang tersebut 1,6 m²

16. Sebuah pendingan minuman adalah dalam bentuk kubus 42 cm pada setiap sisi. Dindingnya dengan tebal 3 cm terbuat dari plastik ( k = 0,05 W/mK ). Bila temperatur luar 20 °C, berapa banyak es yang akan cair di dalam alat pendingin setiap jamnya?(kalor lebur es 80 kal/g)

17. Bola (r = 3 cm) bersifat seperti benda hitam, berada dalam seimbang dengan kelilingnya, ternyata menyerap daya 30 kW dari lingkungannya. Berapa suhu bola itu?

18. Sebatang aluminium dengan panjang 0,4 m dan diameter 6 × 10^-3 digunakan untuk mengaduk larutan gula air bersuhu 108°C. Jika ujung lain batang berada pada suhu ruang 28°C, berapakah kalor yang mengalir sepanjang batang dalam 5 menit ? Konduktivitas termal aluminium 200 W/(mK)