SUHU DAN KALOR
I.
TUJUAN
Setelah melakukan
percobaan ini siswa diharapkan dapat membedakan suhu dengan kalor.
II.
ALAT
DAN BAHAN
NamaAlat/Bahan
|
Jumlah
|
NamaAlat/Bahan
|
Jumlah
|
Termometer
|
1
|
Pembakar spiritus
|
1
|
Kalorimeter
|
1
|
Jam henti
|
1
|
Kubus materi
|
1
|
Batang statif 500 mm
|
1
|
Gelas kimia 250 ml
|
1
|
Dasar statif
|
1
|
Neraca 311
|
1
|
Kaki statif
|
1
|
Batang gelas
|
1
|
Klem universal
|
1
|
Boss-head
|
2
|
Batang statif 250 mm
|
2
|
Kertas grafik mm
|
1
|
III.
DASAR
TEORI
A.
Suhu
dan Termometer
Derajat
panas atau dingin yang dialami benda dinamakan suhu. Suhu dapat dirasakan oleh
tangan kita melalui syaraf yang ada pada kulit dan diteruskan ke otak, sehingga
kita menyatakan panas atau dingin. Bila kita menyantuh Oven yang panas maka
kita mengatakan oven bersuhu tinggi, sedangkan bila kita menyentuh es yang membeku
kita dapat katakan bahwa es memiliki suhu rendah. Walaupun demikian kulit kita
tidak dapat dijadikan sebagai alat ukur suhu suatu benda. Karena kulit kita
tidak memiliki nilai.
Suhu dapat mengubah sifat zat, contohnya
sebagian besar zat akan memuai ketika dipanaskan. Sebatang besi lebih panjang
ketika dipanaskan daripada dalam keadaan dingin. Demikian juga warna yang
dipancarkan benda, paling tidak pada suhu tinggi. Kalau kita perhatikan, elemen
pemanas kompor listrik memancarkan warna merah ketika panas. Pada suhu yang
lebih tinggi, zat padat seperti besi bersinar jingga atau bahkan putih. Cahaya
putih dari bola lampu pijar berasal dari kawat tungsten yang sangat panas.
Alat yang dapat mengukur suhu suatu benda
disebut termometer. Termometer bekerja dengan memanfaatkan perubahan
sifat-sifat fisis benda akibat perubahan suhu. Termometer berupa tabung kaca
yang di dalamnya berisi zat cair, yaitu raksa atau alkohol. Sebagian besar
termometer umumnya bergantung pada pemuaian materi terhadap naiknya suhu. Ide
pertama penggunaan termometer adalah oleh Galileo, yang menggunakan pemuaian
gas, tampak seperti pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1. model termometer Galileo
Untuk mengukur suhu secara kuantitatif,
perlu didefinisikan semacam skala numerik. Skala yang paling banyak dipakai
sekarang adalah skala Celsius, kadang disebut skala Centigrade.
Di Amerika Serikat, skala Fahrenheit juga umum digunakan. Skala yang
paling penting dalam sains adalah skala absolut atau Kelvin.
Satu cara untuk mendefinisikan skala suhu
adalah dengan memberikan nilai sembarang untuk dua suhu yang bisa langsung
dihasilkan. Untuk skala Celsius dan Fahrenheit, kedua titik tetap ini dipilih
sebagai titik beku dan titik didih dari air, keduanya diambil pada tekanan
atmosfer. Titik beku zat didefinisikan sebagai suhu di mana
fase padat dan cair ada bersama dalam
kesetimbangan, yaitu tanpa adanya zat cair total yang berubah menjadi padat
atau sebaliknya. Secara eksperimen, hal ini hanya terjadi pada suhu tertentu,
untuk tekanan tertentu. Dengan cara yang sama, titik didih didefinisikan
sebagai suhu di mana zat cair dan gas ada bersama dalam kesetimbangan. Karena
titik-titik ini berubah terhadap tekanan, tekanan harus ditentukan (biasanya
sebesar 1 atm).
Pada skala Celsius, titik beku dipilih 0 oC
(“nol derajat Celsius”) dan titik didih 100 oC. Pada skala
Fahrenheit, titik beku ditetapkan 32 oF dan titik didih 212 oF.
Termometer praktis dikalibrasi dengan menempatkannya di lingkungan yang telah
diatur dengan teliti untuk masing-masing dari kedua suhu tersebut dan menandai
posisi air raksa atau penunjuk skala. Untuk skala Celsius, jarak antara kedua
tanda tersebut dibagi menjadi seratus bagian yang sama dan menyatakan setiap
derajat antara 0 oC dan 100 oC. Untuk skala Fahrenheit,
kedua titik diberi angka 32 oF dan 212 oF, jarak antara
keduanya dibagi menjadi 180 bagian yang sama. Untuk suhu di bawah titik beku
air dan di atas titik didih air, skala dapat dilanjutkan dengan menggunakan
selang yang memiliki jarak sama. Bagaimana pun, termometer biasa hanya dapat
digunakan pada jangkauan suhu yang terbatas karena keterbatasannya sendiri.
Setiap suhu pada skala Celsius berhubungan
dengan suatu suhu tertentu pada skala Fahrenheit. Tentunya sangat mudah untuk
mengonversikan fahrenheit ke celvin, mengingat bahwa 0 oC sama
dengan 32 oF, dan jangkauan 100o pada skala Celsius sama
dengan jangkauan 180o pada skala Fahrenheit. Hal ini berarti:
1 oF = 180:100 oC = 9:5 oC.
Perbandingan beberapa skala termometer adalah sebagai berikut:
TC : (TF
– 32) : TR = 5 : 9 : 4 ..................................................................
(1.1)
Konversi antara skala Celsius dan skala Fahrenheit dapat
dituliskan:
TC = 9/5 (TF
– 32) atau TF = 5/9 TC + 32 ..............................................
(1.2)
Konversi antara skala Celsius dan skala Reamur dapat dituliskan:
TC = 4/5 TR
atau TR = 5/4 TC ................................................................
(1.3)
Konversi antara skala Fahrenheit dan skala Reamur dapat
dituliskan:
TR = 9/4 (TF
– 32) atau TF = 4/9 TR + 32 ..............................................
(1.4)
B.
Kalor
Sendok yang digunakan untuk menyeduh
kopi panas, akan terasa hangat. Leher Anda jika disentuh akan terasa hangat.
Apa sebenarnya yang berpindah dari kopi panas ke sendok dan dari leher ke
syaraf kulit? Sesuatu yang berpindah tersebut merupakan energi/kalor.
Pada dasarnya kalor adalah perpindahan
energi kinetik dari satu benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu
lebih rendah. Pada waktu zat mengalami pemanasan, partikel-partikel benda akan
bergetar dan menumbuk partikel tetangga yang bersuhu rendah. Hal ini
berlangsung terus menerus membentuk energi kinetik rata-rata sama antara benda
panas dengan benda yang semula dingin. Pada kondisi seperti ini terjadi
keseimbangan termal dan suhu kedua benda akan sama.
Pada abad ke-18 diilustrasikan aliran kalor sebagai gerakan zat fluida yang
disebut kalori.
Bagaimanapun, fluida kalori tidak pernah dideteksi. Selanjutnya pada abad
ke-19, ditemukan berbagai fenomena yang berhubungan dengan kalor, dapat
dideskripsikan secara konsisten tanpa perlu menggunakan model fluida. Model
yang baru ini memandang kalor berhubungan dengan kerja dan energi. Satuan kalor
yang masih umum dipakai sampai saat ini yaitu kalori. Satu kalori
didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air
sebesar 1oC. Terkadang satuan yang digunakan adalah kilokalori (kkal)
karena dalam jumlah yang lebih besar, di mana 1 kkal = 1.000 kalori.
Satu kilokalori (1 kkal) adalah kalor yang
dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 oC. Pendapat
bahwa kalor berhubungan dengan energi dikerjakan lebih lanjut oleh sejumlah ilmuwan
pada tahun 1800-an, terutama oleh seorang ilmuwan dari Inggris, James Prescott
Joule (1818 - 1889). Joule melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk
menetapkan pandangan bahwa kalor merupakan bentuk transfer energi. Salah satu
bentuk percobaan Joule ditunjukkan secara sederhana seperti pada Gambar 1.2.
Beban yang jatuh menyebabkan roda pedal berputar. Gesekan antara air dan roda
pedal menyebabkan suhu air naik sedikit (yang sebenarnya hampir tidak terukur
oleh Joule). Kenaikan suhu yang sama juga bisa diperoleh dengan memanaskan air
di atas kompor. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan
selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif,
kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini
dikenal sebagai tara kalor mekanik. 4,186 J = 1 kal dan 4,186 × 103 J =
1 kkal
Gambar 1.2 percobaan sederhana Joule
Sewaktu Anda memasak air, Anda membutuhkan
kalor untuk menaikkan suhu air hingga mendidihkan air. Berapa banyak kalor yang
diperlukan air untuk menaikkan suhu hingga mencapai suhu yang diinginkan?
Secara induktif, makin besar kenaikan suhu suatu benda, makin besar pula kalor
yang diserapnya. Selain itu, kalor yang diserap benda juga bergantung massa
benda dan bahan penyusun benda. Secara matematis dapat di tulis seperti berikut
:
Q
= m × c × ΔT
Keterangan
:
Q :
kalor yang diserap/dilepas benda
(J)
m :
massa benda (kg)
c : kalor jenis benda
(J/kg°C)
ΔT : perubahan
suhu (° C)
Kalor dapat dipindahkan dengan 3 macam
cara, antara lain :
a. Secara
konduksi (Hantaran), Pada peristiwa ini, atom-atom zat yang memindahkan panas
tidak berpindah tempat tetapi hanya bergetar saja sehingga menumbuk atom-atom
disebelahnya. (Misalkan terdapat pada zat padat) Banyaknya panas per satuan waktu
yang dihantarkan oleh sebuah batang yang panjangnya L, luas penampang A dan
perbedaan suhu antara ujung-ujungnya Δt
dan k koefisien konduksi panas,
adalah :
H = k . A . Δt/ΔL…………………………1.5
b. Secara
konveksi (Aliran), Pada peristiwa ini partikel-partikel zat yang memindahkan
panas ikut bergerak. Kalor yang merambat per satuan waktu adalah :
H = h . A . Δt…………………………1.6
Dengan h adalah koefisien konveksi.
c. Secara
Radiasi (Pancaran), Adalah pemindahan panas melalui radiasi energi gelombang
elektromagnetik. Energi panas tersebut dipancarkan dengan kecepatan yang sama
dengan gelombang-gelombang elektromagnetik lain di ruang hampa (3 x 108 m/det).
Banyaknya panas yang dipancarkan per satuan waktu menurut Stefan Boltzman adalah
:
W = e .
. T 4……………………………..1.7
W = Intensitas radiasi yang dipancarkan per satuan luas (J/m2.det
atau watt/m2)
e = Emisivitas (Daya pancaran) permukaan
=
Konstanta umum = 5,672 x 10 –8 watt/ m2 ( oK)4
T = Suhu mutlak benda.
I. TUGAS
PENDAHULUAN
1. Apa
yang dimaksud dengan suhu?
2. Apa
yang dimaksud dengan kalor?
3. Apakah
penyebab kenaikan suhu?
A.
Petunjuk
Perakitan Alat
1.
Susunlah alat seperti Gambar 1.3
2.
Ikat thermometer dengan benang dan gantung di statif.
3.
Jepit gelas kimia menggunakan klem
universal.
4.
Pastikan Gelas kimia belum di isi air.
A.
Langkah-Langkah
Kerja
1.
Timbang 100 gram air (= 100 ml air), dan
masukkan ke dalam gelas kimia.
2.
Baca suhu air di dalam gelas kimia, dan catat
suhu itu pada Tabel 1.1.
3.
Nyalakan pembakar spiritus. Atur agar
besar nyalanya berukuran sedang saja, tidak maksimum.
4.
Panaskan air dengan pembakar ini sambil mengaduk-aduk
air selama pemanasan berlangsung.
5.
Baca dan catat suhunya setiap selang waktu
tertentu, misalnya setiap 1 menit atau setiap 2 menit sampai air mendidih.
6.
Biarkan air mendidih barang 2 atau 3
menit, dan catat (tandai) suhu ketika air mulai mendidih.
7.
Catat hasil pengukuran itu pada Tabel 1.1.
8.
Padamkan pembakar spiritus.
9.
Lakukan pemanasan seperti di atas untuk
air 200 gram dan 300 gram secara berturut-turut. Upayakan agar suhu awal air
kira-kira sama dengan suhu awal air 100 gram di atas.
10.
Pada satu helai kertas grafik, dengan menggunakan
satu pasang sumbu (pada sumbu yang sama), rajah grafik yang menyatakan hubungan
antara waktu t dan suhu θ. Buatlah suhu awal
air sebagai titik 0 sumbu suhu, sehingga garis grafik berawal dari titik 0
(nol) sumbu koordinat!
11.
Interpretasi (berarti) ketiga grafik
yang diperoleh.
12.
Dari grafik yang diperoleh, cari hubungan
antara banyaknya kalor yang diperlukan oleh air 100 gram, 200 gram, dan oleh
air 300 gram, untuk kenaikan suhu sama
I.
HASIL
PENGAMATAN
Jika
kolom yang tersedia pada table di bawah ini kurang, buatlah table tambahan pada
kertas lain!
Tabel
1.1
Massa air
100gr
|
Waktu t (menit)
|
|||||||||
Suhu θ (oC)
|
||||||||||
Massa air
200gr
|
Waktu t (menit)
|
|||||||||
Suhu θ (oC)
|
||||||||||
Massa air
300gr
|
Waktu t (menit)
|
|||||||||
Suhu θ (oC)
|
II.
TUGAS
AKHIR
1.
Pada suhu berapa air mulai mendidih,
dan bagaimana kira-kira suhu ketika air sudah mendidih?
2.
Selalukah pemanasan menyebabkan suhu
naik (berubah)?
3.
Jadi, suhukah yang diberikan oleh pemanas
(pembakar spiritus) kepada air?
4.
Umpamakan pemanas memberikan suatu
yang lain kepada air, lain dari pada suhu. Namakan sesuatu yang diberikan itu
“kalor”. Karena nyala pemanas kurang lebih tetap besarnya, masuk akal jika dikatakan
bahwa pemanas memberikan kalor sama setiap selang waktu yang sama, misalnya setiap
menit. Misalkan setiap menit pemanas memberikan kalor sebesar q. Melihat bentuk
grafik sebelum mendidih, bagaimanakah kira-kira hubungan antara banyaknya kalor
dengan perubahan (kenaikan) suhu?
III.
DAFTAR
PUSTAKA
Kanginan, Marthen. 2001. Fisika jilid 1 SMA. Jakarta : Penerbit
Erlangga
Suliyanah. 2004. Modul FIS.16 Suhu dan Kalor. Jakarta : Bagian
Proyek Pengembangan Kurikulum
Tidak ada komentar:
Posting Komentar