suhu,pemuaian dan kalor

tugas proyek fisika kelas XI semester ganjil
guru indri dayana,M.Si

materi pembelajaran:suhu,pemuaian,dan kalor

tujuan pembelajaran:mengetahui jenis jenis termometer,pemuaian benda,kalor,dan perpindahan kalor
dapat mengerjakan soal soal tentang suhu,pemuaian,dan kalor

a. termometer dan pengukuran suhu

termometer adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur suhu suatu benda atau sistem secara kuantitatif.
sifat dasar suatu bahan yang berubah secara teratur terhadap suhunya dinamakan sifat termometrik.

persamaan matematis yang menyatakan hubungan sifat termometrik suatu bahan dengan suhu dapat dinyatakan sebagai berikut:

t (x) = a (x) + b

dengan:
t = suhu badan
x = sifat termometrik bahan
a,b=konstanta yang bergantung pada bahan yang digunakan

1. jenis jenis termometer

• raksa jangkauan(-39-500)
• gas volume tetap jangkauan(-270-1500)
• hambatan platina jangkauan(-200-1200)
• termokopel jangkauan(-250-1500)
• pirometer jangkauan(lebih dari 1000)

Skala Tabel Termometer

No	Termometer Skala	Penemu	Titik Tetap		Skala	Satuan
			Bawah	Atas
1.	Celcius	Andreas Celcius (Swedia)	0º	100º	100	derajat celcius (ºC)
2.	Reamur	Reamur (Perancis)	0º	80º	80	derajat reamur (ºR)
3.	Fahrenheit	Gabriel D. Fahrenheit (Jerman)	32º	212º	180	derajat fahrenheit (ºF)
4.	Kelvin	Lord Kelvin (Inggris)	273º	373º	100	kelvin (K)

1. Rumus Perbandingan Skala Celcius dan Reamur

hubungan antara skala Celcius dan skala Reamur sebagai berikut.

toC	=	5	×	toR	………. Pers. (1)
		4

toR	=	4	×	toC	………. Pers. (2)
		5

2. Rumus Perbandingan Skala Celcius dan Fahrenheit

 rumus hubungan antara skala Celcius dan skala Fahrenheit sebagai berikut.

toC	=	5	×	(toF – 32)	………. Pers. (3)
		9

toF	=		9	×	toC	+	32	…. Pers. (4)
			5

3. Rumus Perbandingan Skala Celcius dan Kelvin

hubungan skala sebagai berikut.

t K = toC + 273 ………. Pers. (5)

toC = t K − 273 ………. Pers. (6)

pemuaian benda

1.pemuaian zat padat 

pemuaian zat padat terdiri atas pemuaian panjang,pemuaian luas, dan pemuaian volume

a. pemuaian panjang 

suatu zat padat dikatakan mengalami pemuaian panjang ketika dipanaskan jika lebar dan tebal zat padat tersebut dapat diabaikan terhadap panjangnya.sebagai contoh : sebuah jarum dan seutas kawat logam akan mengalami pemuaian panjang ketika dipanaskan.

alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat adalah musschenbroek

Muai panjang

Rumus:

${\displaystyle \!L_{t}=\!L_{0}(\!1+\alpha \times \Delta t)}$

• ${\displaystyle \!L_{t}}$ = panjang akhir (m, cm)
• ${\displaystyle \!L_{0}}$ = panjang awal (m, cm)
• ${\displaystyle \alpha }$ = koefisien muai panjang (/°C)
• ${\displaystyle \Delta t}$ = perbedaan suhu (°C)

b.pemuaian luas

jika suatu zat padat berbentuk pelat dipanaskan maka zat padat tersebut akan mengalami pemuaian luas,dengan tebal atau tinggi zat padat tersebut diabaikan terhadap luasnya.

Muai luas

Rumus:

${\displaystyle \!A_{t}=\!A_{0}(\!1+\beta \times \Delta t)}$

Keterangan:

• ${\displaystyle \!A_{t}}$ = luas akhir (m², cm²)
• ${\displaystyle \!A_{0}}$ = luas awal (m², cm²)
• ${\displaystyle \beta }$ = ${\displaystyle \!2\alpha }$ = koefisien muai luas (/°C)
• ${\displaystyle \Delta t}$ = selisih suhu (°C)

c pemuaian volume

jika panjang, lebar, dan ketebalan suatu zat padat tidak dapat diabaikan maka ketika dipanaskan zat padat tersebut akan mengalami pemuaian volume

Muai volume

Rumus:

${\displaystyle \!V_{t}=\!V_{0}(\!1+\gamma \times \Delta \!t)}$

Keterangan:

• ${\displaystyle \!V_{t}}$ = volume akhir (m³, cm³)
• ${\displaystyle \!V_{0}}$ = volume awal (m³, cm³)
• ${\displaystyle \gamma }$ = ${\displaystyle \!3\alpha }$ = koefisien muai volume (/°C)
• ${\displaystyle \Delta t}$ = selisih suhu (°C)

pemuaian zat cair

zat cair hanya mengalami pemuaian volume,sehingga persamaan pada pemuaian zat cair sama seperti persamaan yang berlaku pada pemuaian volume zat padat,

Karena pada zat cair hanya mengalami pemuaian volum, maka pada pemuaian zat cair hanya diperoleh persamaan 

pemuaian gas 

 gas juga mengalami pemuaian volume, tetapi pemuaian volume gas lebih besar dari pemuaian volume zat cair untuk kenaikan suhu yang sama.selain itu gas dapat mengalami pemuaian tekanan pada volume tetap.dapat diselesaikan dengan persamaan hukum Boyle - Gay Lussac, dimana:

pada tekanan tetap
Untuk menghitung besarnya pemuaian volume gas dapat menggunakan persamaan berikut.

kalor
kalor didefinisikan sebagai energi yang mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan satu sama lain hingga suhu keduanya sama dan keseimbangan termal tercapai.

1.kalor jenis dan kapasitas kalor

Kalor Jenis dapat dituliskan dalam persamaan berikut :

KALOR JENIS

Keterangan :

Q = Kalor (J)

m : Massa Benda (kg)

c = Kalor Jenis (J Kg oC)

ΔT = Perubahan Suhu (oC)

Jika kalor Q menghasilkan suhu sebesar t maka kapasitas kalor dapat dirumuskan

RUMUS KAPASITAS KALOR

hubungan kalor,massa benda,kalor jenis benda dan perubahan suhu dapat dinyatakan :

Keterangan :

Q = Kalor (J)

m : Massa Benda (kg)

c = Kalor Jenis (J Kg oC)

ΔT = Perubahan Suhu (oC)

2. perubahan wujud dan kalor laten

kalor laten yaitu banyaknya kalor yang di perlukan untuk mengubah wujud 1kg zat padat suhu tetap.

terdapat 2 jenis kalor laten : kalor laten lebur dan kalor laten uap.

untuk melebur atau membekukan zat yang massanya m akan memerlukan atau melepaskan kalor sebanyak:

Q = m.Lf

dengan:

Q = kalor yang diperlukan/dilepaskan

m = massa zat

Lf = kalor laten lebur (beku)

Contoh Soal 1

Es bermassa 100 gr dengan kalor lebur sebesar 3,34 x 105 J/kg. Berapakah kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan seluruh es tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 100 gr = 0,1 kg

Lf = 3,34 x 105 J/kg

Ditanya: Q = ?

Dijawab:

Q = m.Lf

Q = 0,1 kg . 3,34 x 105 J/kg

Q = 3,34 x 104 J = 33,4 kJ

Contoh Soal 2

Untuk meleburkan suatu zat yang massanya 100 gr memerlukan kalor sebesar 10,42 kJ. Tentuan nilai kalor uap zat cair tersebut.

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 100 gr = 0,1 kg

Q = 10,42 kJ = 10.420 J

Ditanyakan: Lf = ?

Jawab:

Q = m.Lf

Lf = Q/m

Lf = 10420 J/0,1 kg

Lf = 104200 J/kg

Lf = 1,042 x 105 J/kg

pada proses mendidih dan mengembun,berlaku persamaan

Q = m.Lv

dengan:

Q = kalor yang diperlukan/dilepaskan

m = massa zat

Lv= kalor didih atau kalor embun

3. grafik suhu terhadap 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)

contoh soal

Soal:

Perhatikan grafik perubahan wujud berikut ini!

Sepotong es massanya 500 gram dan suhunya -10o C dipanaskan sampai menguap. Jika kalor jenis es = 2.100 J/kgoC , kalor jenis air = 4200 J/kgoC,  kalor lebur es = 336.000 J/kg, maka jumlah kalor total yang dibutuhkan untuk mengubah wujud zat dari proses A ke D adalah…

A. 88.500 J

B. 188.500 J

C. 288.500 J

D. 388.500 J

Pembahasan:

Diketahui:

mes = 500 gram = 0.5 kg

tA = -10o C

tB = 0o C

Ces = 2.100 J/kgoC

Cair = 4200 J/kgoC

Les = 336.000 J/kg

Peristiwa 1: A – B àPerubahan suhu (dari -10o C ke 0o C )

Kalor yang dibutuhkan (Q1):

Q1 = mes x Ces x ∆t

Q1 = 0.5 kg x 2.100 J/kg x (10)

Q1 = 10.500 J

Peristiwa 2: B – C à Perubahan wujud zat

Kalor yang dibutuhkan (Q2):

Q2 = mes  x Les

Q2 =  0.5 kg x 336.000 J/kg

Q2 = 168.000 J

Peristiwa 3 : C – D à Perubahan suhu (dari 0o C ke 100o C)

Kalor yang dibutuhkan (Q3):

Q3 = mair x Cair x ∆t

Q3 = 0.5 kg x 4200 J/kgoC x (100o)

Q3 = 210.000 J

Kalor seluruhnya (Qt):

Qt = Q1 + Q2 + Q3

Qt = 10.500 J + 168.000 J + 210.000 J

Qt = 388.500 J

4. hukum kekekalan energi untuk kalor

Suhu pencampuran diperoleh dari benda yang bersuhu lebih tinggi memberikan kalor kepada benda yang suhunya lebih rendah.

Sebaliknya benda yang bersuhu lebih rendah menerima kalor dari benda yang bersuhu lebih tinggi. Sehingga Joseph Black, orang yang pertama kali mengungkapkan:

 Banyaknya kalor yang diberikan sama dengan banyaknya kalor yang diterima.

Pernyataan itu dinyatakan sebagai bunyi hukum kekekalan energi kalor yang disebut Azas Black.Apabila banyak kalor yang diberikan dinyatakan dengan Q1 dan banyaknya kalor yang diterima dinyatakan dengan Q2, maka terbentuk persamaan:

Rumus Asas Black

Contoh Soal Asas Black

Seorang ibu memandikan bayinya dengan air hangat. Ia mencampurkan air panas dengan air dingin. Air panas sebanyak 5 kg dengan suhu 80°C. Air dingin sebanyak 10 kg dengan suhu 20°C. Berapakah suhu akhir dari air hangat yang digunakan ibu itu?

Jawab:
– Diketahui:
– Suhu akhir campuran                         = Ta
– Kalor air mendidih                             = Q1
– Massa air mendidih                           = m1 = 5 kg
– Perubahan suhu air mendidih (DT1) = 80 – Ta
– Kalor jenis air mendidih                    = cair
– Maka banyaknya kalor air mendidih = Q1 = m1.cair.DT1
– Kalor yang diterima air dingin          = Q2
– Massa air dingin                               = m2 = 10 kg
– Perubahan suhu air dingin (DT2)     = Ta – 20
– Kalor jenis air dingin                        = cair
– Maka banyaknya kalor air dingin     = Q2 = m2.cair.DT2

Berdasarkan hukum atau azas Black:

5. hubungan kalor dengan energi listrik dan usaha oleh gaya gesekan
1. hubungan kalor dengan energi listrik
Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik. Dalam pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll.

pada muatan per satuan waktu adalah kuat arus yang mengalir maka energi listrik bisa ditulis, Karena I = Q/t maka didapatkan perumusan :

W = (I.t).V

W = V I t

Jika persamaan tersebut dihubungkan dengan hukum Ohm ( V = I.R) maka diperoleh perumusan

Dari persamaan-persamaan menunjukkan bahwa besarnya suatu energi listrik tergantung pada muatan, beda potensial, arus listrik, hambatan, dan waktu. Semakin besar muatan, kuat arus, beda potensial dan waktu, semakin besar pula sebuah energinya. Sedang untuk hambatan, semakin besar hambatan, energinya semakin kecil

contoh soal:

Diketahui :
V = 110 volt
I = 2 ampere
t = 20 menit = 1200 s
Ditanya : W ?
Jawab :
W = V I t = 110 . 2 . 1200 = 264.000 J = 264 kJ

Jadi, energi kalor yang dihasilkan setelah dialiri arus selama 20 menit yaitu 264 kJ

perpindahan kalor

1.konduksi

konduksi merupakan istilah umum perpindahan kalor pada zat padat. dalam skala mikroskopis konduksi terjadi karena satu partikel bergetar dan berinteraksi dengan atom atom dan molekul molekul tetangga.

konduktor adalah bahan bahan yang mudah mengantarkan kalor, seperti besi ,tembaga,baja, dan aluminium dan isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan kalor 

Energi kinetik yang besar menyebabkan partikel tersebut menyentuh partikel didekatnya, demikian seterrusnya. Jumlah kalor tiap detik di rumuskan:

H = Jumlah kalor yang merambat tiap detik (J/s)

k  = Koefisien konduksi termal (J/msK)

A  = luas penampang batang (m)

L  = Panjang Batang (m)

∆ T = perbedaan suhu antara kedua ujung batang (K)

Contoh Soal

1 batang logam dengan panjang 2 meter, memiliki luas penampang 20 cm2  dan perbedaan suhu kedua ujungnya 500C. Jika koefisien konduksi termalnya 0,2 kal/ms0C, tentukan jumlah kalor yang dirambatkan per satuan luas persatuan waktu!

Diketahui : L = 2 m

A = 20 cm2 = 2 x 10-3 m2

k = 0,2 kal/ms0C

∆ T = 500C

Ditanya  :  H

Jawab     :

H = k A ∆ T/L

= (0,2 kal/ms0C)(2 x 10-3 m2) 500C/2 m

= 0,01 kal/s

2. konveksi

merupakan perpindahan kalor yang banyak terjadi pada zat cair dan gas. perpindahan kalor secara konveksi terjadi karena adanya gerakan fluida yang berbeda dengan massa jenis.

konveksi ada 2: konveksi alamiah dan paksa

konveksi alamiah adalah konveksi gas pada peristiwa angin laut atau angin darat.

konveksi paksa dapat ditemukan pada alat alat seperti mesin pendingin dan pengering rambut.

untuk menghitung laju kalor secara konveksi, yang merambat tiap detik dapat digunakan persamaan :

H = Laju perpindahan (J/s)

h = koefisien konveksi termal (j/sm2K)

A = Luas permukaan (m2)

∆ T = Perbedaan suhu (K)

Contoh Soal

Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,01 kal/ms0C memiliki luas penamoang aliran 20 cm2. jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu 1000C ke dinding lainya yang bersuhu 200C, kedua dinding sejajar, berapakah besarnya kalor yang dirambatkan?

Diketahui :

h = 0,01 kal/ms0C

A = 20 cm2 = 2 x 10-3 m2

∆ T = (1000C-200C) = 800C

Jawab :

H = h A ∆ T

= (0,01 kal/ms0C) (2 x 10-3 m2) (800C)

= 16 x 10-4 kal/s

3. radiasi

merupakan salah satu perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik tanpa melalui suatu zat perantara. sebagai contoh:panas matahari dapat mencapai ke bumi melalui mekanisme radiasi sehingga mampu melewati ruang hampa.

radiasi memenuhi hukum stefan-boltzmann yaitu energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu. dinyatakan dengan persamaan:

dengan σ dikenal sebagai tetapan Stefan-Boltzmann yang mempunyai nilai 5,67 x 10-8Wm-2K-4. Karena tidak semua benda dianggap sebagai benda hitam sempurna maka persamaan Stefan- Boltzman untuk benda dapat ditulis sebagai berikut.

Contoh Soal

Sebuah lampu pijar menggunakan kawat wolfram dengan luas 10-6 m2 dan emisivitasnya 0,5. Bila bola lampu tersebut berpijar pada suhu 1.000 K selama 5 sekon (σ = 5,67 x 10-8 W/m2K4 ), hitunglah jumlah energi radiasi yang dipancarkan!

Diketahui :

T = 1.000 K

A = 10-6 m2

t = 5 s

e = 0,5

σ = 5,67 x 10-8 W/m2K4 

Ditanya : Q

Jawab :

∆Q/∆t = e σ A T4 

∆Q = e σ A T4 ∆t

= (0,5) (5,67 x 10-8 W/m2K4 ) (10-6 m2) (1.000 K)4(5s)

= 14,175  x 10-2 J

berikut latihan latiahan soal dan semoga membantu

1. Suhu sebuah benda jika diukur menggunakan termometer celsius akan bernilai 45. Berapa nilai yang ditunjukkan oleh termometer Reamur, Fahrenheit dan kelvin ?

2. Berapa kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 kg air yang bersuhu 20⁰C menjadi 100⁰C jika diketahui kalor jenis air 1000 J/kg⁰C ?

3. Diketahui massa sebuah aluminum 500 gram bersuhu 10⁰C. Aluminium kemudian menyerap kalor sebesar 1.5kilojoule sehingga suhunya naik menjadi 20⁰C.
Berapa kalor jenis aluminium tersebut ?

4. Sepotong es bermassa 100 gram bersuhu 0°C dimasukkan kedalam secangkir air bermassa 200 gram bersuhu 50°C.

Jika kalor jenis air adalah 1 kal/gr°C, kalor jenis es 0,5 kal/gr°C, kalor lebur es 80 kal/gr dan cangkir dianggap tidak menyerap kalor, berapa suhu akhir campuran antara es dan air tersebut?

5.Sebuah jendela kaca suatu ruangan tingginya 2 m, lebarnya 1,5 m dan tebalnya 6 mm. Suhu di permukaan dalam dan permukaan luar kaca masing-masing 27°C dan 37°C. 

Jika konduktivitas termal = 8 x 10−1 Wm−1K−1, tentukan jumlah kalor yang mengalir ke dalam ruangan melalui jendela itu setiap sekon !

berikut adalah pembahasannya

1.a. T⁰C = 4/5 (T) ⁰R

= 4/5 (45) ⁰R
= 36⁰R
b. T⁰C = (9/5 x T) + 32 ⁰F
= (9/5 X 45) + 32 ⁰F
= 113 ⁰F
c. 45⁰C = 318 K

2.Q = m. c ΔT

Q = 1. 1000. 80
Q = 80.000 J

3.c = Q / m.ΔT

c = 1500 J / (0.5 kg.10⁰C)
c = 300 J/kg⁰C
Jadi kalor jenis aluminium tersebut bernilai 300J/kg⁰C

4.   

5.  Dari rumus konduksi: 
   
masuk data: 




semoga bermanfaat..