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 100^o pada skala Celsius sama dengan jangkauan 180^o 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.

IV.            TUGAS PENDAHULUAN

1.      Apa yang dimaksud dengan suhu?

2.      Apa yang dimaksud dengan kalor?

3.      Apakah penyebab kenaikan suhu?

V.            PROSEDUR PERCOBAAN

A.      Petunjuk Perakitan Alat

Keterangan : 1.      Statif 2.      Batang statif 3.      Thermometer 4.      Kalorimeter 5.      Gelas kimia 6.      Boss-head 7.      Pembakar spiritus 8.      Klem universal 9.      Kaki statif 10.  Dasar statif 11.  Kubus materi

11

10

8

1

5

2

3

4

6

7

9

Gambar 1.3 rancangan 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.

B.       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

VI.            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)

VII.            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?

VIII.            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