SUHU DAN KALOR FISIKA KELAS X SEM 2

SUHU DAN KALOR FISIKA KELAS X SEM. 2 OLEH: YUYUN WAHYUNI R, S. SI SMK 3 KOTA BIMA

Standar Kompetensi: 4. Menerapkan konsep kalor dan prinsip konservasi energi pada berbagai perubahan energi Kompetensi dasar: 4. 1 Menganalisis pengaruh kalor terhadap suatu zat 4. 2 Menganalisis cara perpindahan kalor

Indikator: • Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan suhu benda • Menganalisis pengaruh perubahan suhu benda terhadap ukuran benda (pemuaian) • Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan wujud benda • Menganalisis perpindahan kalor dengan cara konduksi • Menganalisis perpindahan kalor dengan cara konveksi • Menganalisis perpindahan kalor dengan cara radiasi

SUHU/TEMPERATUR SUHU Suhu didefinisikan sebagai derajat panas dinginnya suatu benda. Alat untuk mengukur suhu adalah termometer, termometer ini memiliki sifat termometrik zat yang berubah jika dipanaskan. Jenis dan paparan skala pada termometer ada beberapa macam, coba sebutkan? . Pada prinsipnya semua termometer mempunyai acuan yang sama dalam menetapkan skala, titik lebur es murni dipakai sebagai titik tetap bawah, sedangkan suhu uap diatas air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm sebagai titik tetap atas. Termometer Celcius menandai titik tetap bawah dengan angka 0 o. C dan titik tetap atas dengan 100 o. C, jarak antara kedua titik tetap dibagi atas 100 skala dan tiap bagian adalah 1 o. C. Termometer Reamur menggunakan skala dari 0 o. R sampai dengan 80 o. R. Pada Termometer Fahrenheit titik lebur es diberi angka 32 o. F dan titik didih air diberi angka 212 o. F sehingga memiliki range 180 skala. Sedangkan skala Kelvin yang disepakati sebagai satuan Internasional memiliki skala dari 273 Ksampai dengan 373 K. Maka tiap-tiap termometer dapat dikalibrasi skalanya dengan termometer lainnya.

SKALA SUHU Gambar 1: Perbandingan skala Celcius(C), Kelvin(K), Fahrenheit(F), dan Reamur(R). 100 -- d C-- l c 0 -- 373 -- K -- 212 -- g k 273 -- F-- 80 -- s f 32 -- titik tetap atas(tta) R-r 0 -- titik tetap bawah(ttb)

LKS 1: 1. Dari gambar diatas, isilah tabel di bawah ini. Termometer C K F R Titik lebur es Titik didih air ( ttb ) ( tta ) . . . … … Pembagian skala ( tta – ttb ) . . . … …

2. Berdasarkan tabel diatas, maka: 0°C = … K = … °F = … °R 3. Menentukan hubungan antara C, K, F, dan R. a. Hubungan antara C dengan K. atau C= … atau sehingga K= …. 4. Tentukan hubungan antara dua skala suhu yang lain

PERCOB. JOULE

KALOR • Kalor atau bahang adalah satu bentuk energi yang mengalir karena adanya perbedaan suhu dan atau karena adanya usaha atau kerja yang dilakukan pada sistem. • Kalor mempunyai satuan kalori, satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan 1 gram air untuk menaikkan suhunya 1 OC. Dalam sistem SI satuan kalor adalah Joule. Satu kalori setara dengan 4, 18 joule. • Kalor jenis (c) adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu setiap 1 kg massa benda dan setiap 1 °C kenaikan suhu. • Kapasitas kalor ( C ) adalah banyaknya kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu benda setiap 1 °C. Dari kenyataan bahwa: • Kalor yang diberikan pada benda sebanding dengan kenaikan suhu. • Kalor yang diberikan pada benda menaikkan suhu sebanding massa benda. • Kalor yang diberikan pada benda menaikkan suhu tergantung jenis benda. Maka kalor (Q) secara matematis dinyatakan: • Q = ………. • Apa satuan dimensi dari kalor jenis ? • Apa satuan dimensi dari kapasitas kalor ?

PERUBAHAN WUJUD ZAT • Kita kenal ada tiga wujud zat, yaitu padat, cair, dan gas. Pada umumnya semua zat pada suhu dan tekanan tertentu dapat berubah dari satu wujud ke wujud yang lain. Misalkan H 20 pada wujud padat berupa es, dalam wujud cair berupa air, dan dalam wujud gas berupa uap. • Jumlah kalor yang diperlukan/dilepaskan saat perubahan wujud (suhu tetap) dinyatakan dengan formula: Q=m. L • Q=jumlah kalor, satuannya joule. • m=massa zat, satuannya kg. • L=kalor laten (kalor lebur, kalor beku, kalor uap, dan kalor embun) satuannya joule/kg. ASAS BLACK • Jika ada dua macam zat yang berbeda suhunya dicampurkan atau disentuhkan, maka zat yang suhunya lebih tinggi akan melepas kalor yang sama banyaknya dengan kalor yang diserap oleh zat yang suhunya lebih rendah. • Q lepas = Q serap • Kekekalan energi pada pertukaran kalor seperti persamaan diatas pertama kali dikemukakan oleh Black seorang ilmuwan Inggris.

Contoh Soal 1. 0, 5 kg besi dinaikkan suhunya 30 OC diperlukan kalor 6750 joule, tentukan: a. kapasitas kalor b. kalor jenis c. kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar 40 OC Penyelesaian: b. M= 0, 5 kg ΔT= 30 OC Q= 6759 j a. C= c. Q=m. c. ΔT =0, 5 kg. 450 j/kg. OC. 40 o. C = 9. 000 j

2. Seratus gram air dengan suhu 30 OC dicampur dengan 50 gram air bersuhu 80 OC, tentukan suhu campurannya! (kalor jenis air-1 kal/gr. OC) Penyelesaian Air panas t 2= 80 OC ; m 2= 50 gr Qdiserap=Qdilepas Q 1=Q 2 m 1. c 1. ΔT 1=m 2. c 2. ΔT 2 t 100. 1. (t-30) = 50. 1. (80 -t) 2 t-60 = 80 -t Air dingin t 1 = 30 OC ; m 1= 100 gr 3 t = 140 t = 46, 7 OC

Soal Latihan 1. 2. 3. 4. 5. 6. Untuk mengerjakan soal perhatikan konstanta berikut; kalor lebur es 80 kal/gr; kalor jenis air. 1 kal/gr°C; panas jenis es. . 0, 5 kal/gr °C; kalor uap air. 540 kal/gr. Untuk menaikkan suhu aluminium yang mempunyai massa 200 gram dari 298 K menjadi 348 K diperlukan kalor 8400 joule. Tentukan kalor jenis aluminium …. J. kg. Kalor lebur suatu zat 80 kal/gr, maka kalor yang diperlukan untuk melebur 2 kg zat tersebut adalah…. Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 10 gr es pada 0 °C menjadi air yang suhunya 20 °C! Berapa kalori yang dibutuhkan untuk menaikkan 10 gr es yang suhunya -5 °C menjadi uap yang suhunya 100 °C. 10 Kg air yang suhunya 80 °C dicampur dengan 5 kg air yang suhunya 20 °C. Suhu akhir campuran adalah…. 100 gr es pada suhu 0 °C dicampur dengan 200 gr air pada suhu 50 °C. Jika suhu akhir campuran 10 °C , tentukan kalor lebur es?

PEMUAIAN ZAT PADAT 1. PEMUAIAN PANJANG Dari gambar di samping, diperoleh lo a. lt = … atau Δl = …. b. Koefisien muai panjang(α) suatu bahan adalah perbandingan antara pertambahan panjang(Δl) lt terhadap panjang mula-mula(lо) persatuan kenaikan suhu(Δt). l = initial length o Secara matematis dinyatakan: lt = panjang pada suhu t α = … atau Δl = … , sehingga lt = ……………… Δl = the length increases Δl to = suhu awal c. dimensinya. t = suhu akhir α = coefficient of linier expansion

2. Pemuaian Luas. Darigambar di samping, diperoleh a. At= … atau ΔA = …. b. Koefisien muai luas(β) suatu bahan adalah perbandingan antara pertambahan luas (ΔA) terhadap luas mula-mula (Aо) persatuan kenaikan suhu(Δt). Secara matematis dinyatakan: β = … atau ΔA = … , sehingga At= ……………… c. Apa satuan β dan tuliskan dimensinya. AO ΔA Ao = luas mula-mula At = luas pada suhu t ΔA = pertambahan luas to = suhu awal t = suhu akhir

3. Pemuaian Volume Dari gambar di samping, diperoleh a. sien b. c. V t= … atau VO Vt ΔV = …. suatu bahan adalah perbandingan antara pertambahan volume(ΔV) terhadap volume mula(Vо) persatuan kenaikan suhu(Δt). Secara matematis dinyatakan: = … atau ΔV = … , sehingga Vt= ……………… Apa satuan dan tuliskan dimensinya. ΔV Vo = volume mula-mula Vt = volume pada suhu t ΔV = pertambahan volume to = suhu awal t = suhu akhir

4. Hubungan antara α , β , dan Persegi mula-mula mempunyai panjang sisi 1 m, dipanaskan sampai suhunya naik 1 K. Akibat pemanasan sisi persegi bertambah menjadi ( 1 + α ), maka: • Luas mula-mula, Ao = 1 m² • Luas akhir, At = ( 1 + α )² = …. • selisih luas, ΔA = At – Ao = …. • sehingga koefisien luas (β) = …. . • karena α sangat kecil maka nilai α² dapat diabaikan. • Jadi β = …. . α atau α = … β • Dengan cara yang sama cari hubungan α dg AO At

Contoh Soal: Pemuaian Zat Padat 1. Sebatang baja berpenampang kecil yang panjangnya 20 meter bersuhu 20 OC. Baja mengalami pemanasan sampai suhu 40 OC kemudian didinginkan sampai suhu -30 OC. Berapakah perbedaan thd pjng awal? . b. Δl = l. O α Δt Penyelesaian: = 20 m. 12. 10 -6 /OC. (-30 -20)OC = -12 mm αbaja= 12. 10 -6 /OC a. Δl = l. O α Δt = 20 m. 12. 10 -6 /OC. (40 -20)OC = 4, 8 mm

2. Sebuah plat baja berbentukpersegi dengan sisi 30 cm bersuhu 20 OC. Bila Plat Baja dipanaskan sampai 130 OC, tentukan luas baja sekarang? . Penyelesaian: β=2. α ΔA = AO β Δt = 900 cm 2. 24. 10 -6 /OC. (130 -30)OC = 2, 38 cm 2 At = AO+ ΔA = 900 cm 2 + 2, 38 cm 2 = 902, 38 cm 2 Cara lain: (coba dihitung) At = AO(1+ β Δt)

3. Sebuah kubus baja dengan sisi 10 cm bersuhu 20 OC. Bila kubus dipanaskan sampai 80 OC, tentukan volume baja sekarang? . Penyelesaian: = 3. α ΔV = VO γ Δt = 1000 cm 3. 36. 10 -6 /OC. (80 -20)OC = 21, 6 cm 3 Vt = VO+ ΔV = 1000 cm 3 + 21, 6 cm 3 = 1021, 6 cm 3 Cara lain: (coba dihitung) Vt = VO(1+ γ Δt)

PEMUAIAN ZAT CAIR • Formula: Vt = V O ( 1 + Δt) Keterangan: = koef. Muai volume zat cair (diket. Dari data muai volume zat cair) Penyelesaian: Diket: Ditanya: Vt? VO = 2 liter Δt = 50 OC-20 OC= 30 OC = 210. 10 -6/OC Jawab: Vt = VO ( 1 + = 2 ( 1 + 210. 10 -6. 30 ) = 2 (1, 0063) = 2, 0126 liter Contoh: Air sebanyak 2 liter bersuhu 20 OC dipanaskan dalam panci hingga suhunya 50 OC. Berapa volume air setelah dipanaskan? (γ=210. 10 -6/OC) Δt)

PEMUAIAN GAS Contoh: • Formula: Vt = V O ( 1 + Δt) Keterangan: = koef. Muai volume gas = 1/273 T = suhu harus dlm Kelvin Maka formula dapat dalam bentuk: Gas sebanyak 2 liter bersuhu 27 OC. Berapa volume gas setelah dipanaskan hingga suhunya 77 OC? Penyelesaian: Diket: V 1 = 2 liter Ditanya: V 2? T 1= 27 +273 = 300 K T 2= 77+273= 350 K Jawab:

Soal Latihan: Pemuaian 1. 2. 3. 4. 5. Sebatang rel kereta api panjangnya 10 m dan suhu awalnya 30 OC. Karena gesekan dengan roda kereta api suhu rel menjadi 60 OC. Jika koefisien muai panjang rel 1, 1. 10 -5/K , tentukan jarak renggang minimal yang aman pada tiap sambungan agar tidak mengalami pembengkokan pada suhu 60 OC? Sebuah batang logam mula-mula mempunyai panjang 1 m, setelah dipanaskan hingga perubahan suhunya 100 K, batang bertambah panjang 1/5000 m. Koefisien muai panjang batang logam tersebut adalah…. Sebatang perak suhu awalnya 40 OC dipanaskan sehingga suhunya naik menjadi 90 OC. Setelah diteliti ternyata batang perak tersebut bertambah panjang 0, 19 mm. Jika koefisien muai panjang perak 19. 10 -6 /OC. Berapakah panjang mula-mula batang perak ? Keping tembaga panjang 10 cm, lebar 10 cm, dan suhunya 20 OC. Bila koefisien muai panjang tembaga 1, 8. 10 -5/ K. Berapakah luas keping tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 80 OC? Suatu balok besi berukuran 4 cm x 10 cm x 5. cm Hitunglah perubahan volume ketika temperaturnya dinaikkan dari 15 OC ke 65 OC! (koefisien muai panjang besi 10 -5/ OC).

6. Pada suhu 10 OC sebuah gelas kaca volumenya 1000 m. L penuh berisi alkohol. Jika gelas dipanaskan sehingga suhu gelas dan alkohol 50 OC. Berapakah alkohol yang tumpah? (koef. muai panjang gelas kaca = 3. 10 -6/OC dan koef. muai alkohol= 10 -6/OC). 7. Gas mula-mula mempunyai volume V 1. Jika gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga volumenya menjadi tiga kali dari semula. Berapakah suhu gas harus dinaikkan ? (jawaban dalam satuan celcius)

PERAMBATAN KALOR 1. Konduksi Perambatan kalor secara konduksi terjadi pada logam yang dipanaskan. Partikel-partikel logam tidak berpindah, perpindahan kalornya terjadi secara berantai oleh partikel yang bergetar semakin cepat pada saat kalor yang masuk logam semakin besar dan getaran partikel akan memindahkan kalor pada partikel disampingnya, demikian dan seterusnya. (cari contohnya perambatan kalor dalam kehidupan sehari-hari, minimal 3 contoh) Formula: (Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W) A = luas penampang (m 2) L = panjang bahan (m) K = kondusivitas bahan (W/m. K) Δ T = selisih suhu (OC atau K)

2. Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada zat cair dan gas. Pada perpindahan kalor ini bagian yang mendapat kalor partikel-partikelnya akan berpindah ke suhu yang lebih rendah, demikian dan seterusnya sehingga terjadi arus konveksi. (cari contoh perambatan kalor ini dalam kehidupan sehari-hari, minimal 3 contoh) Formula: (Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W) A = luas penampang (m 2) h = koef. konveksi (W/m 2. K) Δ T = selisih suhu (OC atau K)

3. Radiasi/ Pancaran Proses perpindahan kalor secara radiasi terjadi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah yang terpisah di dalam ruang, bahkan terjadi di ruang hampa. Jadi perpindahan kalor secara radiasi tanpa memerlukan medium (zat perantara) dan dalam perambatannya dalam bentuk gelombang elektromagnetik. (cari contoh perambatan kalor ini dalam kehidupan sehari-hari, minimal 3 contoh) Formula: (Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W) Satu benda A = luas penampang (m 2) σ = koef. Stefan-Boltzman (W/m 2. K 4) = 5, 67 x 10 -8 Dua benda T = suhu permukaan benda (K) ε = emisivitas bahan

Contoh Soal Perpindahan Kalor 1. Balok besi berpenampang kecil dengan suhu kedua ujung dibuat tetap yaitu 500 OC dan 100 OC. Jika panjang besi 50 cm. Berapakah laju kalor persatuan luas yang melewati balok tersebut. (konduksivitas termal besi= 75 W/m. K) Penyelesaian: L=50 cm= 0, 5 m k= 75 W/m. K ΔT=400 K

2. Udara dengan suhu 30 OC bertiup melewati permukaan plat panas dan kalor yang berasal dari bagian dalam plat. Ukuran plat 2 m x 5 m dan suhu permukaan plat dijaga tetap sebesar 110 OC. Jika koef. Konveksi di permukaan plat 40 W/m 2. K, tentukan: a. jumlah kalor yang berpindah setiap detik, b. Bila plat terbuat dari alumunium tebal 20 cm, hitung suhu dalam plat tersebut. (k=200 W/m. K) Penyelesaian: a. ΔT= 80 K A= 10 m 2 h= 40 W/m 2. K = h. A. ΔT = 40. 10. 80 = 32. 000 j/s b. L= 20 cm=0, 2 m k=200 W/m. K 32. 000=200. T = 111, 6 OC (T-110)

3. Sebuah benda sumber panas mempunyai luas permukaan 10 cm 2 dan emisivitasnya 0, 4 bersuhu 727 OC. Hitung kalor yang dipancarkan benda selama 1 menit. Penyelesaian: A=10 cm 2=0, 001 m 2 T=727+273=1000 K t=60 sekon ε= 0, 4 σ= 5, 67. 10 -8 W/m 2. K 4 Q? Q= ε. σ. A. T 4. t = 0, 4. 5, 67. 10 -8. 0, 001. (1000)4. 60 = 136, 08 j

Soal Latihan: Perpindahan Kalor 1. Sebatang logam (k=4, 2 x 10 -1 kj/s. m. K) memiliki luas penampang 10 -3 m 2 dan panjang 2 x 103 m. Hitunglah jumlah kalor yang dirambatkan oleh batang logam selama 4 menit. 2. Bola memiliki radius 2 cm dan emisivitanya 0, 8. Jika bola menyerap energi kalor dari lingkungannya sebesar 4, 536 π j/s. Berapakah suhu bola tersebut? 3. Silinder logam (T 1=250 OC) dengan diameter 10 cm dan panjang 20 cm dimasukkan ke dalam bak air sehingga air mendidih (Ta=100 OC). Jika h=500 W/m 2. OC, hitunglah laju perpindahan kalor secara konveksi dari logam tersebut.