poojetz >> Puji Astuti

perkataan pertama adalah yang keluar dari hati

Pengantar suhu dan kalor


Uh, semalam dingiiiiinnnn banget….. btw, di tempatmu bagaimana-kah ? sekarang aneh2 saja ya, siangnya panas sekali, malamnya dingin sekali. Bikin kita kepanasan dan kedinginan saja…. he2…. Katanya orang di Inggris sekarang pada membeku semua. Musim dinginnya overdosis ;) Biasanya kalau udara cukup dingin, kita berusaha memakai pakaian yang tebal, seperti jaket dkk. Kalau udara cukup panas, pakaian yang kita gunakan lebih tipis. Hanya manusia yang tidak normal saja yang menggunakan jaket pada siang hari yang panas. Maksudnya, mungkin orangnya lagi sakit demam, sakit-sakit2an, atau mungkin jebolan rsj ;) Btw, mengapa ya, kok kita harus repot-repot pakai jaket ketika udara cukup dingin ? harus minum teh hangat-lah, jeruk hangat, kopi susu hangat dkk ? Ketika udara cukup panas, kita lebih suka meminum minuman yang sejuk alias dingin. Pakaian kita juga lebih tipis. Mengapa harus demikian-kah ?

Sebenarnya tujuan kita cuma satu, tubuh kita dijaga agar berada pada suhu yang konstan alias tetap. Tubuh kita memang sudah dirancang oleh Sang Pencipta, untuk mengendalikan suhu-nya sendiri. Biasanya tubuh kita mengeluarkan keringat kalau tubuh terasa panas. Ini adalah salah satu cara tubuh mengendalikan suhu-nya. Dalam hal ini, tubuh menjadi lebih sejuk akibat adanya penguapan keringat. Demikian juga sebaliknya, kita suka membuang air sedang ketika udara cukup dingin. Walaupun demikian, pada saat-saat tertentu, seperti ketika udara cukup panas atau dingin, tubuh juga membutuhkan pertolongan kita. Ketika menggunakan jaket pada saat udara cukup dingin, sebenarnya kita berusaha menghambat terjadinya perpindahan panas dari tubuh ke udara. Biar tubuh kita tetap hangat. Demikian juga, ketika udara cukup panas, biasanya kita menggunakan pakaian yang lebih tipis. Dalam hal ini, kita berusaha meningkatkan perpindahan panas dari tubuh ke udara. Khan lumayan, bikin kita tidak gerah….

Ada 2 istilah baru pada penjelasan di atas (kata yang dicetak tebal), yakni Suhu dan Panas. Nama lain dari suhu adalah temperatur. Nama lain dari panas adalah kalor. Arti kata panas di sini sedikit berbeda sobat. Panas yang dicetak tebal tidak sama dengan kata panas dalam kalimat seperti ini : Api itu panas, udara itu cukup panas atau orang itu bikin saya panas. Bukan seperti ini… panas yang dimaksudkan di sini adalah kalor (perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu). Tidak perlu bingung, mengenai suhu dan kalor akan kita kupas tuntas satu persatu.

Terlebih dahulu kita berkenalan dengan suhu alias temperatur, bagaimana cara mengukur suhu + skala suhu. Kita juga akan mempelajari bagaimana ukuran dan volume benda bisa berubah akibat adanya perubahan suhu. Setelah puas jalan-jalan dengan suhu dkk, selanjutnya kita akan berkenalan dengan konsep panas alias kalor dan kroni-kroninya.

Oya, hampir lupa…. Konsep suhu dan kalor yang akan kita pelajari pada kesempatan ini selalu dikaitkan dengan ukuran makroskopis suatu materi (makroskopis = skala/ukuran besar). Dalam pokok bahasan Teori Kinetik Gas, kita akan meninjau konsep suhu dan kalor suatu materi dari sudut pandang mikroskopis (mikroskopis = skala/ukuran kecil). Bingung kah ? pahami penjelasan gurumuda berikut ini…..

Setiap materi, baik padat, cair dan gas itu tersusun dari atom dan molekul. Misalnya air… ketika kita melihat air, sebenarnya kita melihat ukuran besarnya saja. Dalam kenyataannya, di dalam air itu berseliweran/bergentayangan atom dan molekul. Wujud dan sifat suatu materi, seperti air, sebenarnya dipengaruhi oleh sifat dan perilaku setiap atom dan molekul penyusunnya. Ketika kita mengatakan : air itu panas (suhu air tinggi). Apa yang kita katakan mungkin hanya didasarkan pada hasil pengukuran (kita mengukur suhu air menggunakan termometer) atau apa yang dirasakan oleh indera kita (kita menyentuh air itu). Kita tidak tahu apa yang terjadi dengan atom dan molekul penyusun air, sehingga air itu bisa panas. Ketika kita mengatakan : air itu panas (atau dingin), sebenarnya kita hanya meninjau suhu air itu secara makroskopis saja. Apabila yang kita analisis adalah sifat dan perilaku atom dan molekul penyusun air, maka kita dikatakan meninjau air secara mikroskopis. Sampai di sini paham khan ?

Btw, konsep suhu dan kalor + Teori Kinetik Gas merupakan pengetahuan dasar yang sangat penting untuk memahami Termodinamika. Suhu dan Kalor, Teori Kinetik Gas dan Termodinamika itu saling berkaitan erat. Kalau tidak paham konsep suhu dan kalor, nanti dirimu kebingungan kalau belajar termodinamika. Termodinamika tuh ilmu yang mempelajari perpindahan energi yang melibatkan panas/kalor, kerja dkk, dan bagaimana perpindahan energi berkaitan dengan sifat suatu materi. Selengkapnya bisa dipelajari di bagian termodinamika.

Selamat menimati sajian dari gurumuda. Semoga terasa nikmat dan lezat di otak…. Hiks2….

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Suhu


Pengantar suhu alias temperatur

Di sekolahmu, pelajaran fisika dapatnya pagi atau siang ? Kalau siang bikin sebel ya, sudah panas, fisika bikin otak tambah panas ;) kabel2 di otak pada meleleh semua… mending bolos saja ya… he2… wah, gurumuda ini jadi guru yang tidak baik. Ngajarin muridnya bolos… Lebih asyik kalau pelajaran fisika dapetnya pagi. Perutnya masih kenyang, udaranya juga belum panas. Kalau siang malah bikin gerah dan bete… Waduh, fisika bikin mumet… hiks2… wah, jangan mumet dulu dunk. Neh baru pengantar. Btw, kali ini gurumuda mau mengantarmu jalan-jalan bersama si suhu dkk. Met belajar ya, semoga dirimu tidak kepanasan dan kedinginan di sepanjang jalan. Huft… ;)

 

Konsep Suhu

Dirimu pernah menyentuh es-kah ? wah, jangankan menyentuh, kalau lagi gerah, langsung disikat…. rasanya nikmat. Tubuh serasa sejuk. Tapi kalau pas lagi musim hujan, apalagi udaranya juga dingin, dirimu masih mau minum es tidak ? he2… kalau udaranya lagi sejuk, lebih asyik minum minuman yang hangat. Lebih nikmat, soalnya tubuh serasa lebih hangat. Kalau di rumah punya kulkas, coba buka kulkas… masukan tangan ke dalam kulkas alias lemari es. Rasanya bagaimanakah ? iihhh, tangan nyaris membeku. Hiks2… atau kalau mau iseng, coba sentuh air yang mendidih… awas tangannya melepuh. Ketika dirimu memasukkan tangan ke dalam kulkas, tangan terasa dingin. Ketika menyentuh air mendidih, tangan terasa panas. Panas, dingin, sejuk, hangat dkk tuh sebenarnya apa sich ?

Sejak dilahirkan, setiap kita sudah mempunyai indera peraba. Ketika menyentuh air mendidih, indera peraba memberitahu kita bahwa air yang disentuh itu panas. Demikian juga ketika menyentuh es, indera peraba memberitahu kita bahwa es itu dingin. Ukuran panas dan dingin ini sebenarnya berbeda2 untuk setiap orang. Bayi yang baru lahir bisa langsung menjerit kesakitan kalau diberi minum air hangat atau tangannya ditempelin es batu. Sebaliknya, orang dewasa merasa biasa saja. Ketika menyentuh bara api, mungkin tanganmu langsung kepanasan. Tapi kalau orang yang tangannya kasar menyentuh bara api, panas yang dirasakannya mungkin tidak sedasyat yang dirimu rasakan.

Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain. Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenal dengan julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas biasanya memiliki suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya.

Btw, ukuran panas atau dinginnya suatu benda yang hanya didasarkan pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Apa yang dirasakan oleh setiap orang bisa saja berbeda. Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas yang dirasakan oleh bagian tubuh yang berbeda bisa saja berbeda. Dirimu bisa membuktikannya dengan melakukan percobaan kecil-kecilan berikut ini. Siapkan 3 wadah, misalnya 3 gelas. Masukan air panas ke dalam gelas 1 (airnya jangan terlalu panas, nanti tanganmu bisa melepuh). Masukan juga air dingin ke dalam gelas 2. Campurkan air panas dan air dingin, lalu masukkan ke dalam gelas 3. Sekarang tarik napas pendek seratus kali ;) sesak napas tidak ? hiks2… Cuma canda. Silahkan masukkan tangan kananmu ke dalam gelas 1 dan tangan kirimu ke dalam gelas 2. Diamkan selama beberapa saat. Setelah itu, masukkan kedua tanganmu ke dalam gelas 3. Rasanya bagaimana-kah ? gurumuda yakin, tangan kananmu akan merasa lebih dingin, sebaliknya tangan kirimu merasa lebih hangat. Aneh khan ? padahal airnya sama… si air bikin dirimu kebingungan… :) mau bilang air dalam gelas 3 panas, tangan kananmu bisa ngamuk2… menurut tangan kanan, air dalam gelas 3 dingin. Sebaliknya kalau mau bilang air dalam gelas 3 dingin, tangan kirimu ngamuk2… menurut tangan kiri, air dalam gelas 3 hangat. Hiks2…. Dunia dijungkirbalikkan. Itulah keterbatasan indera manusia….. Oya, percobaan seperti ini pertama kali dilakukan oleh almahrum John Locke pada tahun 1690. Wah, sudah kadaluarsa ;)

Berdasarkan penjelasan panjang pendek dan bertele-tele di atas, bisa disimpulkan bahwa indera peraba kita memiliki keterbatasan dalam menentukan ukuran panas atau dinginnya suatu benda. Karena indera peraba dkk bisa membuat kita terkecoh, maka kita membutuhkan suatu alat yang bisa digunakan untuk mengukur suhu secara tepat. Alat pengukur suhu yang dimaksud adalah si termometer. Btw, sebelum jalan-jalan bersama termometer, terlebih dahulu kita pahami konsep keseimbangan termal dan hukum ke-nol termodinamika.

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Keseimbangan Termal & Hukum Ke-nol Termodinamika


Pengantar

Dirimu pernah minum es teh-kah ? atau mungkin es sirup, es susu dkk…. biasanya kalau kita mau minum es teh dkk, kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Jika diperhatikan secara saksama, es batu perlahan-lahan mulai mencair. Pada saat es batu mencair, air panas yang ada di dalam gelas menjadi dingin. Setelah beberapa menit, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang begitu sejuk dan mengundang selera… apalagi pas lagi gerah atau kepanasan.

Mencampur es batu dengan air panas dalam gelas hanya merupakan salah satu contoh saja. Masih banyak contoh lain yang sering kita lakukan dalam kehidupan sehari-hari. Kalau kita ingin mandi dengan air hangat, biasanya kita mencampur air mendidih dengan air yang lebih dingin. Ketika kita ingin mendinginkan benda padat, seperti besi panas, kita bisa mencelupkan besi ke dalam air. Apa yang kita lakukan ini kelihatannya sederhana dan sepele. Walaupun demikian, hal tersebut merupakan salah satu konsep yang penting dalam ilmu fisika.

Keseimbangan Termal

Sebagaimana yang telah gurumuda jelaskan pada awal tulisan ini, jika kita ingin memperoleh air hangat, kita bisa mencampur air panas dengan air dingin. Kita bisa mengatakan air panas memiliki suhu tinggi sedangkan air dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah dicampur, perlahan-lahan air panas menjadi dingin (suhu air panas menurun), sebaliknya air dingin menjadi hangat (suhu air dingin meningkat). Beberapa saat kemudian, campuran air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat. Adanya air hangat menunjukkan bahwa suhu campuran air panas dan air dingin telah sama. Ketika campuran air panas dan air dingin mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Proses yang sama juga terjadi ketika kita memasukan es batu ke dalam gelas yang berisi teh hangat. Setelah dimasukan ke dalam gelas, es batu mulai mencair dan air teh yang pada mulanya hangat menjadi dingin. Setelah saling bersenggolan di dalam gelas, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera. Adanya es teh menujukan bahwa suhu campuran sama. Ketika es batu dan teh hangat mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Masih banyak contoh lain. Seandainya dirimu punya koleksi kulkas di rumah, silahkan buka pintu kulkas dan masukan tanganmu ke dalam kulkas tersebut. Tanganmu akan terasa dingin… Sebaiknya tarik tanganmu dari dalam kulkas sebelum terjadi keseimbangan termal dan darah akan membeku ;) hiks2…. Contoh lain dipikirkan sendiri ya….. masih sangat buanyak……

Pada dasarnya, dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termal, jika setelah bersentuhan, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Misalnya terdapat 2 benda, sebut saja benda A dan benda B. Pada mulanya benda A memiliki suhu tinggi (benda A panas) sedangkan benda B memiliki suhu rendah (Benda B dingin). Setelah bersentuhan cukup lama, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal. Untuk memperjelas, amati gambar di bawah….

keseimbangan-termal-a

Ini cuma ilustrasi saja. Gambar ini kayaknya lebih cocok untuk benda padat. Perlu diketahui bahwa benda yang bersentuhan bisa berupa benda padat, cair atau gas. Apabila yang saling bersentuhan adalah benda padat, maka kedua benda bisa ditempelin seperti gambar di atas. Sebaliknya, jika yang saling bersentuhan adalah benda padat dan cairan, maka benda padat dicelupkan ke dalam cairan (misalnya besi yang panas dimasukkan ke dalam air). Apabila yang saling bersentuhan adalah cairan, maka kita bisa menuangkan salah satu cairan ke dalam cairan lainnya (misalnya mencampur air panas dengan air dingin).

Hukum Ke-nol Termodinamika

Sejauh ini kita baru meninjau keseimbangan termal yang dialami oleh dua benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C. Amati gambar di bawah…

keseimbangan-termal-b1

Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Btw, apakah benda A dan benda B yang tidak saling bersentuhan juga berada dalam keseimbangan termal ?

Kalau cuma main logika, kita bisa mengatakan bahwa benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda C. Benda B dan benda C juga berada dalam keseimbangan termal (suhu benda B = suhu benda C). Karena A = C dan B = C, maka A = B. hiks2….

Berhubung ini bukan permainan logika atau tebak2an, maka perlu dibuktikan melalui percobaan. Dirimu tidak perlu repot2 membuat percobaan karena om dan tante ilmuwan yang sudah pensiun di alam baka telah melakukan percobaan. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga ikut2an berada dalam keseimbangan termal. Hal ini disimpulkan dalam sebaris kalimat indah di bawah ini :

Jika dua benda berada dalam keseimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain.

Ini adalah hukum ke-0 termodinamika. Kedengarannya agak aneh, jarang-jarang hukum dimulai dari nol. Kisahnya begini… Setelah para ilmuwan menemukan hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, mereka baru sadar kalau hukum ini belum dinyatakan. Bagaimanapun, hukum ini merupakan dasar bagi hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, maka para ilmuwan harus menyatakannya terlebih dahulu. Munculnya belakangan, lagian ilmuwan juga bingung mau nempelin dimana, ya lebih bagus dan lebih tepat kalau diberi julukan hukum ke-0 saja.

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Termometer dan Skala suhu


Pengantar

Pernah lihat alat yang ditunjukkan pada gambar ?… wah, jadi trauma. Pernah ditempelin dengan tuh alat-kah ? hiks2…. Kalau belum, coba sekali-sekali main ke rumah sakit. Atau pura2 sakit saja… biar langsung digiring dengan ambulans menuju tempat peristirahatan sementara…. piss… Aneh ya, masa cuma ditempelin dengan termometer, dokter/perawat langsung tahu suhu tubuh kita. Cara kerjanya bagaimana ya… ada angka-angka lagi. Tuh maksudnya apa ya ? Bingung atuh… emang diriku dokter gitu. Guampang kok jelasinnya, asal dirimu paham prinsip kerja termometer. Met belajar ya… semoga setelah berkenalan dengan termometer, dirimu tidak sakit2an lagi, sehingga tidak ditempelin dengan termometer :)

 

Jenis-jenis Termometer dan Prinsip Kerja Termometer

Alat yang dirancang untuk mengukur suhu adalah termometer. Terdapat banyak jenis termometer, tetapi prinsip kerjanya sebenarnya sama. Biasanya, kita memanfaatkan materi yang bersifat termometrik (sifat materi yang berubah terhadap temperatur). Maksudnya, kalau suhu materi tersebut berubah, bentuk dan ukuran materi tersebut juga ikut2an berubah. Kebanyakan termometer menggunakan materi yang bisa memuai ketika suhunya berubah.

Termometer yang sering digunakan saat ini terdiri dari tabung kaca, di mana terdapat alkohol atau air raksa pada bagian tengah tabung. Ketika suhu meningkat, alkohol atau air raksa yang berada di dalam wadah akan memuai sehingga panjang kolom alkohol atau air raksa akan bertambah. Sebaliknya, ketika suhu menurun, panjang kolom alkohol atau air raksa akan berkurang. Pada bagian luar tabung kaca terdapat angka-angka yang merupakan skala termometer tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh ujung kolom alkohol atau air raksa merupakan nilai suhu yang diukur. Lihat gambar…..

termometer-dan-skala-suhu-a

Jenis termometer lain yang biasa digunakan adalah termometer yang menggunakan lembaran bimetal (dua logam yang jenisnya berbeda dan kecepatan pemuaiannya juga berbeda). Pada saat suhu meningkat, salah satu logam mengalami pemuaian yang lebih besar dari logam lain. Akibatnya keping tersebut melengkung. Biasanya keping bimetal berbentuk spiral, di mana salah satu ujung keping tetap, sedangkan ujung lain dihubungkan ke penunjuk skala. Ketika suhu berubah, penunjuk akan berputar. Termometer yang menggunakan lembaran bimetal biasanya digunakan sebagai termometer udara biasa, termometer ruangan, termometer oven dll.

images2

Termometer yang lebih akurat alias lebih tepat, biasanya menggunakan sifat elektris suatu materi. Misalnya termometer hambatan. Pada termometer hambatan, biasanya diukur perubahan hambatan listrik suatu kumparan kawat tipis atau silinder karbon atau kristal germanium. Karena hambatan listrik biasanya dapat diukur secara tepat, maka termometer hambatan bisa mengukur suhu secara lebih tepat daripada termometer biasa.

Skala Suhu

Agar termometer bisa digunakan untuk mengukur suhu maka perlu ditetapkan skala suhu. Terdapat 2 skala suhu yang sering digunakan, antara lain skala celcius dan skala Fahrenheit. Skala yang paling banyak digunakan saat ini adalah skala celcius (nama lain skala celcius adalah skala centigrade. Centigrade = seratus langkah). Skala Fahrenheit paling banyak digunakan di Amerika Serikat, mungkin pingin beda sendiri kali ;) Skala suhu yang cukup penting dalam bidang sains adalah skala mutlak alias skala Kelvin. Mengenai skala Kelvin akan kita bahas kemudian (tuh di bawah).

Titik tetap skala celcius dan skala Fahrenheit menggunakan titik beku dan titik didih air. Titik beku suatu zat merupakan temperatur di mana wujud padat dan wujud cair berada dalam keseimbangan (tidak ada perubahan wujud zat). Sebaliknya, titik didih suatu zat merupakan temperatur di mana wujud cair dan wujud gas berada dalam keseimbangan. Perlu diketahui bahwa titik beku dan titik didih selalu berubah terhadap tekanan udara., karenanya tekanan perlu ditetapkan terlebih dahulu. Biasanya kita menggunakan tekanan standar, yakni 1 atm (satu atmosfir)

Skala Celcius

Untuk skala celcius, temperatur titik beku normal air (disebut juga sebagai titik es) dipilih sebagai nol derajat celcius (0o C) dan temperatur titik didih normal air (disebut juga sebagai titik uap) dipilih sebagai seratus derajat celcius (100o C). Di antara titik es dan titik uap terdapat 100 derajat. Pada termometer yang menggunakan skala celcius, temperatur yang lebih rendah dari temperatur titik es biasanya ditandai dengan angka negatif.

Skala Fahrenheit

Om Fahrenheit menghendaki agar semua temperatur yang diukur bernilai positif. Karenanya, ia memilih 0 oF untuk temperatur campuran es dan air garam (temperatur terdingin yang bisa dicapai air). Ketika mengukur temperatur titik es dan titik uap, angka yang ditunjukkan pada skala Fahrenheit berupa bilangan pecahan. Akhirnya beliau mengoprek lagi skalanya sehingga temperatur titik es dan titik uap berupa bilangan bulat.

Untuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih sebagai 32 derajat Fahrenheit (32o F) dan temperatur titik titik didih normal air (titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212o F). Di antara titik es dan titik uap terdapat 180 derajat.

Normal tuh maksudnya di dalam air tidak ada unsur lain, tidak ada garam, tidak ada gula, tidak ada teh, tidak ada susu ;) . Jadi murni H20

Konversi skala Suhu

Sekarang mari kita bermain oprek2an. Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan skala om Fahrenheit dan skala om Celcius. Karena kedua skala ini berbeda, maka alangkah baiknya jika kita belajar mengoprek skala celcius menjadi skala fahrenheit. Demikian juga sebaliknya, skala fahrenheit dioprek menjadi skala celcius.

Catatan :

Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu, maka kita menyebutnya derajat Celcius (oC) atau derajat Fahrenheit (oF). Contoh : Pada tekanan 1 atm, suhu air panas = 100 oC atau 180 oF. Suhu tubuh saya = 98 oF. Sebaliknya, jika kita mengatakan perubahan suhu atau selisih suhu, maka kita menyebutnya Celcius derajat (Co) atau Fahrenheit derajat (Fo). Contoh : suhu air mula-mula 20 oC. Setelah dipanaskan, suhunya berubah menjadi 50 oC. Dengan demikian, air mengalami perubahan suhu sebesar 30 Celcius derajat (30 Co). lanjut ya….

Pada tekanan 1 atm, suhu titik es untuk termometer berskala celcius = 0 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 32 oF. Sebaliknya, pada tekanan 1 atm, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius = 100 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 212 oF. Amati gambar di bawah….

termometer-dan-skala-suhu-bUntuk memudahkanmu mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit atau mengoprek skala Fahrenheit menjadi skala Celcius, ingat saja 0 oC = 32 oF dan 100 oC = 212 oF. Sambil lihat gambar di atas… Pada skala Celcius, antara 0 oC sampai 100 oC terdapat 100o. Sedangkan pada skala Fahrenheit, antara 32 oF sampai 212 oF terdapat 180o.

Mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit

termometer-dan-skala-suhu-cUntuk memperoleh suhu dalam skala Fahrenheit (TF), kalikan terlebih dahulu suhu dalam skala Celcius (TC) dengan 9/5. Setelah itu tambahkan dengan 32o

Contoh soal 1 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 60 oC. Berapakah suhu air panas dalam skala Fahrenheit ?

Panduan jawaban :

Guampang kok…. Kalikan terlebih dahulu 60 oC dengan 9/5. Setelah itu baru tambahkan dengan 32o. 60 x 9/5 = 108. 108 + 32 = 140 oF. kesimpulannya, 60 oC = 140 oF

Mengubah skala Fahrenheit menjadi skala Celcius

termometer-dan-skala-suhu-dUntuk memperoleh suhu dalam skala Celcius (TC), kurangi terlebih dahulu suhu dalam skala Fahrenheit (TF) dengan 32o, setelah itu baru kalikan dengan 5/9. Jangan pake hafal tuh rumus, ntar dirimu bisa pusink seribu keliling……. Syukur kalau cuma pusink. Pas mau ujian rumusnya lupa ;) wah, jadi stress seribu keliling

Contoh soal 2 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 140 oF. Berapakah suhu air panas dalam skala Celcius ?

Panduan jawaban :

Ini mah anak sd juga bisa oprek ;) Kurangi dulu 140 oF dengan 32o. Setelah itu baru kalikan dengan 5/9. 140 – 32 = 108. 108 x 5/9 = 60 oC

Kalibrasi Termometer

Kalibrasi tuh proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut ini beberapa petunjuk dari gurumuda…

Langkah pertama, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah sebuah termometer air raksa tanpa skala. Syukur kalau di laboratorium sekolahmu sudah ada. Langkah kedua, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah es batu secukupnya. Langkah ketiga, curi air punya tetangga secukupnya. Langkah keempat, siapkan sebuah pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan si air hingga mendidih.

Masukan es batu dan air ke dalam sebuah wadah (usahakan air dan es batu sama banyak). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air dan es batu tersebut. Karena pada mulanya termometer lebih panas dari air es, maka setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom air raksa akan berkurang. Biarkan sampai panjang kolom air raksa tidak berubah (si air raksa tidak jalan-jalan lagi). Ketika panjang kolom air raksa tidak berubah, campuran es batu dan air telah berada dalam keseimbangan termal. Tandai posisi kolom air raksa tersebut (tandai bagian ujung kolom air raksa). Ini adalah suhu titik es alias titik beku normal air. Amati gambar di bawah biar paham.

termometer-dan-skala-suhu-eAir sudah dipanaskan belum ? kalau belum, silahkan memanaskan air. Masukkan si termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Tunggu sampai si air kepanasan dan berdisko ria dalam wadah (maksudnya si air mendidih). Jika panjang kolom air raksa sudah tidak berubah lagi, tandai ujung kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih normal air alias titik uap. Amati gambar di bawah.

termometer-dan-skala-suhu-fJika dirimu ingin membuat skala Celcius, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 100 garis/titik. Usahakan jarak antara setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 0o C, sedangkan tanda bagian atas = 100o C. Lihat gambar di bawah…

termometer-dan-skala-suhu-gJika dirimu ingin membuat skala Fahrenheit, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 180 garis/titik. Usahakan panjang setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 32 oF, sedangkan tanda bagian atas = 212 oF. 32 oF tuh baru suhu titik es. Karenanya dirimu bisa menambahkan garis atau titik sampai 0 oF. Tambahkan juga garis/titik di sebelah atas 212 oF. Panjang setiap garis/titik harus sama dengan sebelumnya.

Catatan :

Suhu titik es dan suhu titik uap tergantung pada tekanan udara. Karenanya termometer yang dikalibrasi di tempat yang tekanannya berbeda akan memberikan hasil berbeda. Termometer biasa seperti termometer air raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah atau suhu yang sangat tinggi.

Termometer Gas Volume-Konstan dan Skala Kelvin

Sebelumnya kita sudah mempelajari cara mengkalibrasi suatu termometer. Termometer yang kita gunakan adalah termometer air raksa yang belum punya skala. Btw, seandainya kita mengkalibrasi 2 termometer yang jenisnya berbeda, misalnya termometer air raksa dan termometer alkohol, skala kedua termometer tersebut mungkin hanya cocok pada 0 oC (atau 32 oF) dan 100 oC (atau 212 oF). Apabila kita menggunakan kedua termometer tersebut untuk mengukur suhu ruangan, angka yang ditunjukkan belum tentu sama. Bisa saja termometer air raksa menujukkan angka 48 oC, sedangkan termometer alkohol menunjukkan angka 46 oC. Hal ini disebabkan karena kecepatan pemuaian setiap materi berbeda2. Demikian juga dengan jenis termometer yang lain, seperti termometer bimetal dkk. Skala suhu yang ditetapkan dengan cara ini sangat bergantung pada sifat materi yang digunakan. Materi yang gurumuda maksud adalah si air raksa, alkohol, keping bimetal dkk.

Karena skala suhu yang ditetapkan menggunakan termometer biasa mempunyai keterbatasan (skala suhu tergantung pada sifat materi yang digunakan), maka kita membutuhkan sebuah termometer standar. Adanya termometer standar membantu kita untuk menetapkan skala suhu secara lebih tepat, tanpa harus bergantung pada sifat suatu materi.

Termometer yang nyaris sempurna/ideal adalah termometer gas volume-konstan. Prinsip kerja si termometer gas volume-konstan adalah sebagai berikut. Volume gas dijaga agar selalu tetap alias tidak berubah. Nah, ketika suhu bertambah, tekanan gas juga ikut2an bertambah.

termometer-dan-skala-suhu-hIni cuma gambaran kasarnya saja. Termometer gas volume konstan sekarang canggih2… Dalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu konstan, dengan cara menaikan atau menurunkan pipa 2 sehingga permukaan air raksa dalam pipa 1 selalu berada pada tanda acuan. Jika suhu alias temperatur meningkat, tekanan gas dalam tabung juga ikut2an bertambah. Karenanya, pipa 2 harus diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan. Tekanan gas bisa diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2. Kalau pakai cara manual, ingat saja kolom air raksa setinggi 760 mm = tekanan 1 atm (1 atmosfir). Mengenai hal ini bisa dipelajari pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida. Materinya sudah ada di blog ini. Biasanya pada termometer gas volume konstan yang canggih sudah ada alat penghitung tekanan. Wadah yang berisi gas juga sudah dirancang agar gas selalu berada dalam volume yang tetap. Jadi yang diukur cuma perubahan tekanannya saja…

Untuk mengkalibrasi termometer gas volume konstan, kita bisa mengukur tekanan gas pada 2 suhu. Misalnya kita gunakan suhu titik es dan suhu titik uap. Suhu titik es dan suhu titik uap bergantung pada tekanan udara. Biasanya pada tekanan 1 atm, suhu titik es = 0 oC dan suhu titik uap = 100 oC. Anggap saja kita mengkalibrasi termometer gas volume konstan pada tempat yang mempunyai tekanan udara 1 atm.

Pertama, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 harus diturunkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan. Btw, kalau pakai termometer gas yang canggih, tabung yang berisi gas langsung dicelup saja ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Sudah ada alat pengukur tekanan, tinggal dibaca saja tekanan gas berapa… Catat besar tekanan gas tersebut (anggap saja ini tekanan 1 = P1)

Kedua, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi air yang lagi dipanaskan. Seperti biasa, volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 dinaikkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan gas…. (anggap saja ini tekanan 2 = P2)

Ketiga, buat grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan suhu… lihat contoh di bawah.

termometer-dan-skala-suhu-iP1 adalah tekanan gas untuk suhu titik es (0 oC) dan P2 adalah tekanan gas untuk suhu titik uap (100 oC). Gambarkan sebuah garis yang menghubungkan titik temu P1 dan 0 oC dan titik temu P2 dan 100 oC. Dengan berpedoman pada grafik, walaupun kita hanya mengetahui besar tekanan gas, besar suhu juga bisa diketahui dengan mudah bahkan bisa diramalkan.

Skala Kelvin

Sekarang tataplah grafik di atas dengan penuh kelembutan….. Jika garis miring ditarik ke kiri sampai memotong sumbu T oC, kita akan menemukan bahwa ketika tekanan gas = 0, besar suhu = -273,15 oC. Mungkin kita berpikir bahwa besar suhu tersebut berbeda-beda, tergantung pada jenis gas yang dikurung dalam tabung termometer gas volume konstan. Btw, berdasarkan hasil percobaan, walaupun jenis gas berbeda, ketika tekanan gas menjadi nol, besar suhu tetap bernilai -273,15 oC. Dengan demikian, kita bisa menggunakan besar suhu ini sebagai patokan skala suhu (disebut juga sebagai suhu alias temperatur nol mutlak).

Temperatur nol mutlak ini dikenal dengan julukan skala mutlak alias skala suhu Kelvin. Kirain skala suhu gurumuda ;) Kelvin adalah nama almahrum Lord Kelvin (1824-1907), mantan fisikawan Inggris. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka, karenanya gurumuda menyebutnya mantan fisikawan. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K). Selang antara derajat sama sperti pada skala celcius, tetapi harga nol digeser hingga 0 K. Jadi 0 K = -273,15 oC dan 273,15 K = 0 oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis, bisa ditulis sebagai berikut :

T (K) = T (oC) + 273,15

T (oC) = T (K) – 273,15

Contoh soal 1 :

20 oC = …. K ?

Panduan juawaban….

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Contoh soal 2 :

293,15 K = …. oC ?

Panduan juawaban….

T = 293,15 – 273,15

T = 20 oC

Contoh soal 3 :

100 oF = ….. K ?

Yang ini buat PR di rumah ;) ubah dulu si Fahrenheit ke Celcius. Setelah itu baru ubah si celcius ke Kelvin. Guampang kok….. bye

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Pemuaian


Pengantar

Pernah naik kereta api-kah ? Kalau ingin naik kereta api lagi, jangan cuma lirik cewe atau cowo cakep :) Sekali2 perhatikan juga bentuk rel (rel tuh jalan raya-nya kereta api… he2… ). Di setiap sambungan rel pasti ada celahnya… kenapa ya, harus pake celah segala. Atau si insinyur lagi ngantuk kali waktu bikin tuh rel. Kalau belum pernah lihat rel, mungkin pernah lihat jembatan ? Maksud gurumuda jembatan yang strukturnya pakai besi, bukan jembatan kayu… Mirip seperti celah di rel, biasanya besi yang pemuaian-xxada di jembatan (di permukaan jalan) juga ada celahnya. Apalagi ya, selain rel dan jembatan… oh, yang ini kasusnya mirip. Atap rumahmu pakai genteng atau seng ? kalau atap rumahmu pakai seng, kadang kalau lagi panas sengnya bisa bunyi sendiri… serius… kalau tidak percaya, bongkar saja atap rumahmu, terus ganti pakai seng… piss….

Aneh ya, rel kereta api kok harus ada celah segala. Besi atau baja di jembatan juga sama… lebih aneh lagi atap rumah yang pake seng. Kalau lagi kepanasan atau kedinginan, seng bisa ribut2…. Kenapa ya… Dirimu bingung-kah ? biasa aja tuh… yee, dalam hati pasti penasaran juga. Gampang kok jelasinnya… met belajar ya….

 

Pemuaian

Sebagian besar benda biasanya akan memuai ketika kepanasan atau menyusut jika kedinginan ;) Atap seng bisa ribut2 di siang hari yang panas karena adanya pemuaian. Jika kepanasan, rel kereta api juga bisa memuai. Karenanya sambungan rel harus ada celahnya. Jika tidak ada celah, kemungkinan besar rel (biasanya terbuat dari besi/baja) bisa bengkok apabila rel tersebut memuai. Demikian juga besi atau baja pada jembatan. Botol air yang penuh terisi air dan tertutup rapat juga bisa hancur lebur kalau botol tersebut dipanaskan. Masih banyak contoh lain. Sisanya dipikirkan sendiri ya…

Btw, besarnya pemuaian sangat bergantung pada sifat benda tersebut. Walaupun panas yang dirasakan sama, pemuaian yang dialami setiap benda berbeda-beda. Mengenai hal ini akan gurumuda jelaskan kemudian.

Pada umumnya, pemuaian benda bisa dikelompokkan menjadi 2 jenis, yakni pemuaian panjang dan pemuaian volume. Kita pelajari pemuaian panjang terlebih dahulu. Setelah itu baru kita bahas pemuaian volume.

Pemuaian Panjang

Jika terjadi perubahan suhu, kebanyakan benda padat biasanya mengalami pemuaian panjang. Pemuaian panjang di sini bisa berarti panjang benda bertambah atau panjang benda berkurang. Biasanya panjang benda bertambah ketika suhu meningkat, sebaliknya panjang benda berkurang (benda memendek) ketika suhu menurun. Oya, dirimu jangan membayangkan bahwa pemuaian panjang hanya bisa terjadi pada benda2 seperti kawat, beton dkk… setiap benda padat, apapun itu pasti mengalami pemuaian panjang, meskipun tidak semua bagian benda itu mengalami pemuaian panjang. Contoh… misalnya kita tinjau sebuah mobil yang lagi diparkir di pinggir jalan. Ketika si mobil kepanasan, lempeng besi bisa bertambah tebal atau panjang sisinya bisa bertambah walaupun sangat kecil. Atap rumah yang terbuat dari seng juga bisa mengalami pemuaian panjang. Dalam hal ini, ketika seng kepanasan, tepi seng bisa bertambah lebar. Seng juga bisa bertambah tebal. Hal yang sama juga terjadi pada rel kereta api dan besi/baja pada jembatan.

Karena kebanyakan benda padat bisa memuai ketika terjadi perubahan suhu, maka kita juga perlu tahu bagaimana pengaruh perubahan suhu terhadap besarnya pemuaian. Hal ini sangat membantu kita dalam merancang suatu peralatan, bangunan, kendaraan dll. Contohnya celah pada rel kereta api… Biasanya rel kereta api dibuat dari besi/baja. Para insinyur sudah memperhitungkan lebar celah antara setiap rel. Pada siang hari yang panas, rel akan memuai sejauh sekian centimeter… ketika digesek2 oleh kereta api, rel pasti kepanasan juga. Besarnya pemuaian rel kira2 berapa…. Pada malam hari yang dingin, rel mengerut sejauh berapa centimeter…. Berdasarkan hasil perhitungan tersebut, para insinyur memutuskan kira2 panjang celah antara rel berapa, sehingga kalau lagi kepanasan, rel tidak saling berciuman. Ini cuma salah satu contoh saja…. Btw, untuk mengetahui hubungan antara perubahan suhu dengan pemuaian panjang, kita membutuhkan rumus… rumus lagi, rumus lagi… guampang kok. Pahami saja jalan ceritanya…

Untuk membantu kita menurunkan persamaan yang menyatakan hubungan antara perubahan suhu dengan besarnya pemuaian panjang, alangkah baiknya jika kita tinjau sebuah benda padat. Tujuannya biar penjelasan menjadi lebih mudah dan dirimu juga bisa cepat nyambung dengan penjelasan dari gurumuda. Ok, tancap gas…. Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

pemuaian-a

Pada saat suhu benda = To (benda masih dingin), panjang benda = Lo. Pada saat suhu benda = T (benda kepanasan), panjang benda = L. Sambil perhatikan gambar ya… Berdasarkan hasil pengamatan dan percobaan, perubahan panjang benda sebanding dengan perubahan suhu. Jika suhu semakin meningkat, panjang benda juga semakin bertambah. Sebaliknya ketika suhu menurun, panjang benda juga ikut2an berkurang.

Perubahan panjang suatu benda juga sebanding dengan panjang benda mula-mula (Lo). Maksudnya kalau besar perubahan suhu sama, benda yang panjangnya 10 meter, misalnya, akan mengalami perubahan panjang 2x lipat dibandingkan dengan benda yang panjangnya hanya 5 meter. Jadi semakin panjang benda, semakin besar pemuaian benda tersebut. Sebaliknya, semakin pendek suatu benda, semakin kecil pemuaian yang dialami benda tersebut.

Untuk membantu kita meramalkan perubahan panjang suatu benda akibat adanya perubahan suhu, alangkah baiknya jika kita menurunkan persamaan pemuaian panjang.

Pertama, perubahan panjang benda (delta L) sebanding dengan perubahan suhu (delta T). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

pemuaian-bKedua, perubahan panjang benda (delta L) sebanding dengan panjang benda mula-mula (Lo). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

pemuaian-cKetiga, perubahan panjang untuk setiap benda ternyata berbeda-beda. Walaupun besar perubahan suhu sama, pemuaian yang dialami besi tidak sama dengan kaca. Demikian juga dengan benda yang lain. Jadi pemuaian panjang ternyata bergantung pada koofisien muai panjang setiap benda. Koofisien muai panjang untuk setiap benda diperoleh melalui percobaan (tuh ada tabel koofisien muai panjang benda di bawah). Semakin besar koofisien muai panjang, semakin besar pertambahan panjang. Sebaliknya semakin kecil koofisien muai panjang, semakin kecil pertambahan panjang. Kita bisa mengatakan bahwa perubahan panjang benda sebanding dengan koofisien muai panjang. Secara matematis bisa ditulis seperti :

pemuaian-dKetiga perbandingan di atas bisa ditulis kembali menjadi seperti di bawah :

pemuaian-ePersamaan 1 bisa digunakan untuk menentukan perubahan panjang suatu benda akibat adanya perubahan suhu. Nilai koofisien muai panjang untuk benda padat bisa dilihat pada tabel di bawah.

Sekarang kita oprek persamaan 1 untuk memperoleh persamaan koofisien muai panjang.

pemuaian-fPersamaan 2 bisa digunakan untuk menentukan koofisien muai panjang suatu benda.

Keterangan :

pemuaian-g

Panjang total sebuah benda setelah mengalami pemuaian atau penyusutan, bisa kita peroleh dengan menjumlahkan panjang benda mula-mula (Lo) dan perubahan panjang benda (delta L).

pemuaian-h

Keterangan :

pemuaian-i

Catatan :

Apabila perubahan suhu (T-To) bernilai negatif, maka perubahan panjang (L-Lo) juga bernilai negatif. Dalam hal ini panjang benda berkurang. Sebaliknya jika perubahan suhu (T-To) bernilai positif, maka perubahan panjang (L-Lo) juga bernilai positif. Dalam hal ini benda bertambah panjang….

Berikut ini data koofisien muai panjang benda padat, pada suhu 20 oC. Bentuk zat cair dan zat gas berubah2 sehingga kedua jenis zat ini tidak bisa mengalami pemuaian panjang. Koofisien muai panjang benda padat bergantung juga pada suhu alias temperatur. Pada suhu yang berbeda, koofisien muai panjang benda padat juga berbeda2. Btw, jika perbedaan suhu tidak terlalu besar maka perbedaan koofisien muai panjang juga tidak terlalu besar, karenanya bisa diabaikan.

Benda Padat Koofisien muai panjang( K-1 atau (Co)-1 )
Timah hitam 29 x 10-6
Aluminium 24 x 10-6
Kuningan 19 x 10-6
Tembaga 17 x 10-6
Besi atau Baja 12 x 10-6
Beton dan Bata Mendekati 12 x 10-6
Kaca (Biasa) 9 x 10-6
Grafit 7,9 x 10-6
Kaca (Pyrex) 3 x 10-6
Marmer 1,4 – 3,5 x 10-6
Intan 1,2 x 10-6
Invar (Paduan besi – nikel) 0,9 x 10-6
Kwarsa 0,4 x 10-6

Tambahan :

Kalau dirimu bingung satuan koofisien muai panjang tuh asalnya dari mana, pahami penjelasan gurumuda berikut ini. Kita bisa menurunkan satuan koofisien muai panjang menggunakan persamaan koofisien muai panjang (Persamaan 2)

pemuaian-jKita gunakan satuan Sistem Internasional. Ingat ya, interval atau jarak antara setiap skala pada skala Kelvin dan skala Celcius tuh sama. Karenanya, selain menggunakan K-1 sebagai satuan koofisien muai panjang, kita juga bisa menggunakan (Co)-1. Sama saja…. Oya, hubungan antara skala Kelvin dan Skala Celcius bisa dibaca di postingan Termometer dan Skala Suhu (di bagian akhir postingan). Sudah gurumuda muat di blog ini…..

Contoh soal 1 :

Sebuah besi panjangnya = 10 meter. Berapakah pertambahan panjang besi jika suhu berubah dari 40oC menjadi 60oC ?

Panduan jawaban :

Panjang besi mula-mula (Lo) = 10 meter

Suhu awal (To) = 40 oC

Suhu akhir (T) = 60 oC

Perubahan suhu = T – To = 60 oC – 40 oC = 20 Co

Koofisien muai panjang besi = 12 x 10-6 (Co)-1 (lihat tabel di atas)

Sekarang kita tentukan besar pertambahan panjang besi :

pemuaian-k

Guampang….

Contoh soal 2 :

Pada suhu 40 oC, panjang sebuah kawat tembaga = 100 meter. Jika suhu meningkat menjadi 60 oC, kawat tersebut memuai (bertambah panjang). Berapakah panjang total kawat tersebut setelah memuai ?

Panduan jawaban :

Panjang kawat tembaga mula-mula (Lo) = 100 meter

Suhu awal (To) = 40 oC

Suhu akhir (T) = 60 oC

Perubahan suhu = T – To = 60 oC – 40 oC = 20 Co

Koofisien muai panjang tembaga = 17 x 10-6 (Co)-1 (lihat tabel di atas)

Ingat ya, yang ditanyakan adalah panjang total kawat (panjang mula2 + pertambahan panjang). Kita punya 2 pilihan….

Pertama, langsung menggunakan persamaan panjang total (persamaan 3) untuk menghitung panjang total kawat, atau

Kedua, menghitung terlebih dahulu pertambahan panjang kawat (persamaan 2). Setelah memperoleh pertambahan panjang kawat, baru kita jumlahkan dengan panjang kawat mula-mula.

Banyak jalan menuju roma, banyak cara mengoprek soal. Gurumuda pakai persamaan 2 cara saja, biar dirimu paham….. btw, dirimu jangan hafal tuh persamaan ya… pahami saja cara penurunannya, terus sering2 latihan soal biar otomatis diingat. Ok, tancap gas….

Cara 1 :

pemuaian-lCara 2 :

pemuaian-m

Wah, ternyata hasilnya sama…… Panjang total kawat tembaga = 100,034 meter

Catatan :

Seperti yang sudah gurumuda jelaskan pada postingan Termometer dan Skala Suhu, jika kita menyebut besar suhu maka kita menggunakan derajat celcius (oC). Sebaliknya, kalau kita menyebut selisih atau perubahan suhu maka kita menggunakan Celcius Derajat (Co).

Contoh :

Mula-mula, suhu kawat tembaga = 30 oC. Setelah dipanaskan, suhu kawat tembaga menjadi 60 oC. Perubahan suhu kawat tembaga = 60 oC – 30 oC = 30 Co (30 Celcius derajat). Biar paham, perhatikan lagi contoh soal di atas atau di bawah….

Contoh soal 3 :

Pada suhu 60 oC, panjang sebuah kawat besi = 100 meter. Berapakah panjang besi tersebut jika suhu berkurang menjadi 40 oC ?

Panduan Jawaban :

Panjang besi mula-mula (Lo) = 100 meter

Suhu awal (To) = 60 oC

Suhu akhir (T) = 40 oC

Perubahan suhu = T – To = 40 oC – 60 oC = -20 Co

Koofisien muai panjang besi = 12 x 10-6 (Co)-1 (lihat tabel di atas)

Gurumuda pakai cara panjang saja… Ok, tancap gas… Panjang kawat besi = panjang mula2 + perubahan panjang kawat

pemuaian-n

Ternyata panjang kawat besi berkurang. Kawat besi memendek karena suhunya menurun.

Pemuaian Volume

Sebelumnya kita sudah mempelajari pemuaian panjang. Kali ini kita akan membahas pemuaian volume. Kalau pemuaian panjang kebanyakan dialami oleh benda padat, maka pemuaian volume dialami oleh semua benda/zat, baik padat, cair maupun gas… biar tidak kelamaan, kita langsung menurunkan persamaan yang menyatakan hubungan antara perubahan suhu dengan besarnya pemuaian volume yang dialami benda. Btw, dirimu ngerti volume khan ? volume kubus, volume balok dkk…. ingat lagi pelajaran SD dan SMP…. Lanjut ya…

Persamaan pemuaian volume mirip dengan persamaan pemuaian panjang. Cuma beda tipis… Gurumuda tulis rumus pemuaian panjang dulu ya….

pemuaian-oSekarang mari kita oprek persamaan pemuaian panjang menjadi persamaan pemuaian volume. Gantikan lambang panjang (L) pada persamaan di atas dengan lambang volume (V). Koofisien muai panjang diganti dengan koofisien muai volume.

pemuaian-pBiar paham, bandingkan 3 persamaan ini dengan 3 persamaan di atas….

Keterangan :

pemuaian-q

Benda Koofisien muai volume( K-1 atau (Co)-1 )
Padat Timah hitam 87 x 10-6
Aluminium 75 x 10-6
Kuningan 56 x 10-6
Tembaga 51 x 10-6
Besi atau Baja 36 x 10-6
Beton dan Bata Mendekati 36 x 10-6
Kaca (Biasa) 27 x 10-6
Grafit 23,7 x 10-6
Kaca (Pyrex) 9 x 10-6
Marmer 4 – 10 x 10-6
Intan 3,6 x 10-6
Invar (Paduan besi – nikel) 2,7 x 10-6
Kwarsa 1 x 10-6
Cair Karbon disulfida 1150 x 10-6
Ethyl alkohol 1100 x 10-6
Bensin 950 x 10-6
Etanol 750 x 10-6
Gliserin 500 x 10-6
Air 210 x 10-6
Air Raksa 180 x 10-6
Gas Udara 3400 x 10-6

Catatan :

Persamaan pemuaian volume yang telah kita turunkan di atas hanya berlaku ketika perubahan volume benda (baik padat, cair maupun gas) lebih kecil dari panjang benda mula2 atau volume benda mula2. Apabila perubahan volume suatu benda lebih besar dari volume benda mula2 maka persamaan pemuaian volume tidak memberikan hasil yang tepat. Btw, biasanya perubahan volume yang dialami oleh benda padat tidak terlalu besar. Karenanya benda padat tidak terlalu bermasalah…. Yang menjadi persoalan adalah zat cair dan zat gas. Perhatikan tabel di atas… koofisien volume zat cair lumayan besar. Apalagi koofisien zat gas, lebih besar lagi…. Koofisien volume untuk zat gas juga sangat sensitiv terhadap perubahan suhu. Karenanya, mengenai zat gas akan kita oprek lebih lanjut pada pembahasan mengenai Teori Kinetik Gas (tunggu tahun depan. Materi kelas XIB)

Contoh soal :

Tangki sepeda motor seorang teman terbuat dari besi. Tangki tersebut berukuran 5 liter. Ketika sepeda motornya kehausan, teman tersebut mengisi bensin sampai penuh. Mumpung masih punya duit, tanggal muda lagi…. karena penasaran dengan seorang cewe cakep yang lagi mangkal di sebuah konter HP, maka teman tersebut memarkir motornya dipinggir jalan dan dengan semangat 45 ia menghampiri si cewe. Ketika mengisi bensin, suhu udara di sekitar pom bensin = 20 oC. Karena sepeda motor butut tersebut dijemur dipinggir jalan, maka tangki bensin kepanasan. Jika suhu tangki yang lagi kepanasan = 50 oC, duit teman gurumuda tekor berapa rupiah ? anggap saja 1 liter bensin = Rp. 5000

Panduan jawaban :

Malas ah…. bantu dunk….

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Anomali air


Pengantar

Pernah minum teh botol, coca cola botol ;) dkk ? Coba perhatikan botolnya…. bandingkan dengan botol bir bintang atau botol anggur orang tua. Kenapa ya, botol coca cola atau botol teh kok lebih tebal dari botol bir bintang atau botol anggur orang tua. Biasanya botol minuman dingin lebih tebal dari botol minuman panas :) tuh tujuannya untuk apa ya ? bingung-kah ? hiks2….

Biar dirimu paham, coba lakukan percobaan kecil2an berikut ini. Siapkan sebuah botol bir bintang atau botol anggur orang tua. Kalau tidak ada, gunakan saja botol lain, asalkan botolnya tidak tebal alias tipis. Di rumah ada kulkas ? coba masukan air ke dalam botol lalu simpan botol di dalam kulkas. Tutup pintu kulkas dan biarkan sampai air yang ada di dalam botol membeku…. setelah itu, segera kabur dari rumah biar tidak diomelin ayah atau ibu ;) Botolnya bisa pecah kalau air membeku… masa sich ? buktikan saja sendiri kalau tidak percaya…

 

Kalau orang mau bikin es batu, biasanya air dibungkus dalam plastik. Sebenarnya ada tujuannya juga, bukan asal bungkus dengan plastik. Plastik tuh elastis (mirip karet), sehingga ketika es batu mengembung, plastik pun ikut2an mengembung… Plastik menjadi lebih gemuk setelah air berubah menjadi es batu. Aneh khan ? seharusnya benda menyusut kalau suhunya berkurang… Air kok berperilaku menyimpang ya

Anomali alias keanehan Air

Seperti yang telah gurumuda jelaskan dalam pokok bahasan pemuaian, kebanyakan benda akan memuai (volume benda bertambah) jika suhunya bertambah dan benda menyusut (volume benda berkurang) ketika suhunya berkurang. Air mau beda sendiri… Keanehan air terjadi antara suhu 0 oC sampai 4 oC.

Antara suhu 0 oC sampai 4 oC volume air berkurang (air menyusut) seiring bertambahnya suhu. Misalnya jika kita memanaskan air pada suhu 0 oC, semakin panas si air, semakin berkurang volumenya. Proses penyusutan akan terhenti ketika air mencapai suhu 4 oC. Di atas 4 oC, air menjadi benda yang normal lagi. Maksudnya, volumenya akan bertambah (terjadi pemuaian) seiring bertambahnya suhu.

Sebaliknya, air akan memuai (volume air bertambah) ketika mendingin dari 4 oC sampai 0 oC. Misalnya air kita masukan ke dalam kulkas. Mula-mula suhu air 30 oC. Ketika dikurung dalam kulkas, air mulai kedinginan (suhu air menurun). Pada saat suhu air menurun, volume air juga berkurang (air mengalami penyusutan). Nah, ketika mencapai suhu 4 oC, air akan memuai (volumenya bertambah). Pemuaian akan terhenti ketika suhunya mencapai 0 oC. Volume air juga semakin bertambah ketika ia membeku menjadi es. Sangat berbeda dengan benda lain yang menyusut (volume benda berkurang) ketika benda semakin dingin.

Ingat ya, massa jenis suatu benda akan bertambah ketika benda tersebut menyusut (volume benda berkurang). Sebaliknya, massa jenis benda akan berkurang ketika benda memuai (volume benda bertambah). Ini persamaannya : Massa jenis = massa / volume. Massa benda selalu tetap. Sedangkan volumenya bisa berubah-ubah, tergantung dari suhu. Ketika volume benda berkurang, massa jenisnya akan bertambah. Semakin kecil volume, semakin besar massa jenis benda. Sebaliknya, jika volume benda bertambah, massa jenis benda akan berkurang. Nah, si air khan cuma bisa menyusut (volume air berkurang) sampai suhu 4 oC. Karenanya, air memiliki massa jenis paling tinggi pada suhu 4 oC. Sampai di sini, ar yu andersten ? ;)

Perhatikan grafik di bawah. Grafik ini menyatakan hubungan antara volume dan suhu air.

anomali-airJangan tanya gurumuda, mengapa air kok jadi aneh seperti itu. Anggap saja ini takdir :) Seandainya antara 0 oC sampai 4oC air tidak berperilaku menyimpang, makhluk hidup yang tinggal di bawah air akan punah ketika musim dingin tiba. Masa sich ?

Ketika musim dingin tiba, udara akan kedinginan (suhu udara menurun). Karena permukaan air danau atau air sungai juga bersentuhan dengan udara, maka air yang ada di permukaan sungai atau danau juga ikut2an kedinginan. Karena suhu air menurun, maka volume air juga berkurang. Karena volume air berkurang, maka massa jenis air bertambah. Air yang ada di permukaan memiliki massa jenis yang lebih besar daripada temannya yag ada di sebelah bawah. Akibatnya, si air yang ada di permukaan terjun bebas ke dasar. Temannya yang ada di sebelah bawah segera meluncur ke atas, menggantikan posisi si air yang tenggelam tadi. Ikan2 yang ada di dasar pada stress… kok tiba2 jadi dingin. Karena kedinginan, ikan2 pun berpelukan… musim dingin tiba, ikan2 makin romantis saja… Proses ini terjadi sampai suhu air mencapai 4 oC. Ingat ya, air menyusut (volume air berkurang) hanya sampai 4 oC. Karenanya, air memiliki massa jenis paling tinggi pada suhu 4 oC.

Ketika suhu air di permukaan sungai atau danau lebih kecil dari 4 oC, air yang ada di permukaan memuai (volumenya bertambah). Akibatnya, massa jenis air yang ada di permukaan menjadi kecil. Karena massa jenis air yang ada di permukaan lebih kecil dari massa jenis air yang ada di sebelah bawah, maka air yang ada di permukaan tidak bisa terjun bebas lagi ke bawah. Air yang ada di permukaan tetap berada di atas dan akan membeku duluan seiring dengan menurunnya suhu… Jika suhu udara semakin rendah, temannya yang ada di sebelah bawah ikut2an membeku. Demikian seterusnya… jadi urutan perbekuan ;) dimulai dari atas… Air yang ada di dasar danau atau dasar sungai biasanya tidak membeku, karena suhu tidak sangat dingin. Kecuali kalau di kutub utara atau selatan, semuanya pasti membeku. Karena air yang ada di dasar tidak mendapat jatah es batu, maka ikan2 selamat dari malapetaka musim dingin. Mereka berpelukan ria di dasar sungai atau danau… kata ikan, biar kedinginan asal tidak kejepit es batu :)

Seandainya air tidak berperilaku menyimpang pada suhu 4 oC, maka ketika musim dingin tiba, semua ikan akan mati karena kejepit es batu. Air yang telah mencapai suhu 4 oC akan mengalami penyusutan, bukan pemuaian. Dalam hal ini, volume air akan berkurang. Ketika volumenya berkurang, massa jenis alias kerapatan air bertambah. Karenanya air akan terjun bebas ke dasar sungai, danau, kolam dkk… Proses ini akan berulang secara terus menerus seiring dengan menurunnya suhu hingga di bawah 4 oC.

Dengan demikian, proses perbekuan akan dimulai dari dasar. Dengan kata lain, bagian dasar sungai, danau, kolam dkk akan penuh terisi es batu… ikan dkk akan kejepit es batu dan menghembuskan napas terakhir… Sudah kedinginan, mati secara menggenaskan pula. Tapi kenyataannya tidak seperti itu… Tuhan pencipta alam semesta melindungi mereka, dengan membuat air berperilaku sedikit menyimpang pada suhu 4 oC… Kalau benda lain makin dingin makin menyusut (volume berkurang), maka air beda sendiri… Ketika si air kedinginan hingga 4 oC, air bukannya menyusut tetapi malah memuai.

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Kalor, Kalor Jenis & Kalor Laten


Pengantar

kalau orang yang gemuk ingin mengurangi lemak, maka ia harus banyak berolahraga, misalnya lari-lari di malam hari ;) atau berenang di kolam renang. Pokoknya olahraga-lah…. Kenapa ya, si gemuk di suruh harus banyak olahraga. Semuanya kok mau jadi atlet….

Btw, dirimu suka makan khan ? ya, iyalah… paling hobi kalau soal makan. Pagi ngemil, sore pun ngemil… Kalau beli biskuit, dirimu biasa baca2 tulisan yang ada di bungkusan tidak ? Protein 30 kkal. lemak 20 kkal. karbohidrat 40 kkal. besi 10 kkal. batu 15 kkal. pasir 90 kkal… tuh maksudnya apa ya ? Hiks2… Bingungkah ? Met belajar ya…

 

Catatan :

Lebih baik gurumuda pakai istilah kalor saja. Memang nama lain dari kalor adalah panas, tapi nanti dirimu bisa bingung… Masalahnya kata panas (dalam hal ini panas = kalor), mirip dengan kata panas dalam kalimat : tubuh yang panas, air panas dkk. Jadi biar lebih aman, gurumuda pakai kata kalor saja. Btw, dirimu jangan lupa ya, nama lain dari kalor tuh panas…

Konsep Kalor

Pernah minum es teh, es susu, es sirup dkk ? Nah, ketika membuat es teh, biasanya kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Air panas atau air hangat memiliki suhu yang lebih tinggi, sebaliknya es batu memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah bersenggolan beberapa saat, campuran es batu dan teh panas pun berubah menjadi es teh (campuran es batu dan teh hangat telah mencapai suhu yang sama). Proses yang sama terjadi ketika kita mencampur air panas dengan air dingin. Setelah bersentuhan, air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat… (Campuran air panas dan air dingin telah mencapai suhu yang sama). Btw, mengapa bisa terjadi seperti itu ? maksudnya, mengapa setelah bersentuhan benda-benda tersebut bisa mencapai suhu yang sama ? bingun, sebel, pusink… huft. he2…

Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor mengalir dari besi menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu (misalnya kalau dirimu lagi demam), kalor mengalir dari tubuhmu menuju termometer. Kalor akan berhenti mengalir kalau tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Kalau termometernya pakai air raksa, maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, air raksa tidak jalan-jalan lagi. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu. Kalau termometer yang dipakai berupa termometer digital, angka pada bagian tengah termometer akan terhenti setelah tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama. Angka yang ditunjukkan termometer adalah suhu tubuhmu.

Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan. Jangan tanya gurumuda mengapa demikian… dari sononya memang sudah begitu. Mirip seperti kalau dirimu lihat cewek atau cowok cakep, dirimu penasaran. Lagi kangen berat sama pacar, malamnya cuma bolak balik di tempat tidur. Mengapa bisa demikian ? dari sononya sudah begitu :) mengapa laki2 harus kawin dengan perempuan ? dari sononya sudah begitu… mengapa tikus tidak pacaran dengan kucing ? dari sononya sudah begitu…

Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.

Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.

kalor-1

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.

Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).

Dirimu jangan pake bingung dengan konsep usaha dan energi ini… Mirip seperti ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok. Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi dalam tubuhmu berkurang, di mana sebagian energi dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa motor, v = kecepatan motor). Energi sepeda motor ini sebenarnya berasal dari energi tubuhmu. Kesimpulan : kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha/kerja pada motor, energi dari tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor. Kasus ini mirip dengan percobaan om Jimi di atas. Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari pengaduk ini yang membuat si air kepanasan (suhu air meningkat).

Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena adanya aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat). Amati gambar di bawah….

kalor-2Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakan pemindahan energi. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu). Kalor adalah energi yang berpindah. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda2 yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 Co (Tepatnya dari 14,5 oC menjadi 15,5 oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda2 untuk suhu air yang berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 oC hanya terjadi antara suhu 14,5 oC sampai 15,5 oC. Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).

Satuan kalor untuk sistem Bristish adalah Btu (British thermal unit = satuan termal Inggris). 1 Btu = jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pound air sebesar 1 Fo (Tepatnya dari 63 oF menjadi 64 oF) .

Kalor memiliki keterkaitan dengan energi (Dalam hal ini, kalor merupakan “energi yang berpindah”), karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh om Jimi dan percobaan2 sejenis lainnya, diketahui bahwa usaha alias kerja sebesar 4,186 Joule setara dengan 1 kalori kalor.

1 kalori = 4,186 Joule

1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule

(1 kalori = 4,186 Joule dan 1 kkal = 4186 dikenal dengan julukan tara kalor mekanik)

Catatan :

Kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule. Gunakan tara kalor mekanik di atas untuk mengoprek Joule ke kal dan kkal, atau sebaliknya kal dan kkal dioprek menjadi Joule.

Contoh soal 1 :

Pada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ?

Panduan Jawaban :

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule

Catatan :

Tubuh kita tidak mengubah semua karbohidrat menjadi energi. Sebagian energi pasti terbuang selama berlangsungnya proses pencernaan….. Efisiensinya sebesar 20 %. Jadi hanya 20 % yang dipakai tubuh, 80 % energi terbuang.

Contoh soal 2 :

Setelah menghabiskan banyak cemilan, seorang gadis yang sangat cantik baru sadar kalau ia telah kelebihan makan 200 Kalori (huruf K besar). Si gadis ingin mengurangi kelebihan energi yang diperolehnya dari cemilan. Karenanya ia memutuskan untuk mengangkat batu dari permukaan tanah hingga ketinggian 1 meter. Jika massa batu = 10 kg, berapa kalikah si gadis harus mengangkat batu tersebut ?

Panduan Jawaban :

1 Kalori = 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

200 kkal = (200)(4186 Joule) = 837.200 Joule

Ketika mengangkat batu, si gadis melakukan usaha alias kerja pada batu. Besarnya usaha yang dilakukan adalah :

Usaha (W) = Gaya (F) x Perpindahan (s) = Gaya berat (w) x ketinggian (h) = massa (m) x percepatan gravitasi (g) x Ketinggian (h)

Usaha (W) = (10 kg)(10 m/s2)(1 m)

Usaha (W) = 100 N.m = 100 Joule

Untuk mengangkat batu setinggi 1 meter, besarnya usaha yang dilakukan = 100 Joule. Pertanyaannya, berapa kali si gadis harus mengangkat batu…

837.200 Joule / 100 Joule = 8372.

Hahaha….. si gadis harus mengangkat batu 8372 kali ;) sampai teler

Catatan :

Pertama, tidak semua makanan diubah menjadi energi. Selama proses pencernaan, pasti ada energi yang terbuang. Kedua, jika gadis tersebut mengangkat batu bermassa 10 kg hingga ketinggian 1 meter maka ia harus mengangkat batu tersebut sebanyak 8372 kali. Jika gadis tersebut tidak ingin mengangkat batu sebanyak 8372 kali, ia bisa menambah massa batu atau menambah ketinggian.

PERSAMAAN KALOR

Jika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, dengan sendirinya kalor mengalir dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang memiliki suhu rendah. Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda mencapai suhu yang sama. Kita bisa mengatakan bahwa aliran kalor menyebabkan perubahan suhu pada benda yang bersentuhan. Berdasarkan penjelasan singkat ini, bisa disimpulkan bahwa kalor (Q) memiliki keterkaitan dengan suatu benda dan perubahan suhu (delta T) yang dialami benda tersebut. Ingat ya, setiap benda pasti mempunyai massa (m) dan jenis benda juga berbeda-beda.

Pada kesempatan ini, kita mencoba menyelidiki bagaimana hubungan antara jumlah kalor (Q) dengan besarnya perubahan suhu (delta T), massa benda dan jenis benda. Untuk membantu menurunkan hubungan ini, alangkah baiknya jika kita tinjau 2 benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Misalnya kita memanaskan air menggunakan nyala api kompor.

Catatan :

Perlu diketahui bahwa gurumuda hanya membuat penalaran saja dan contoh yang gurumuda pakai juga dekat dengan kehidupanmu, karenanya mudah2an dirimu cepat paham. Kalau bingung dengan penjelasan gurumuda, dirimu bisa melakukan percobaan (di rumah atau di sekolah).

Hubungan antara Kalor (Q) dan Perubahan suhu (delta T)

Misalnya kita ingin memanaskan segelas air. Setelah dipanaskan, suhu air pasti bertambah (air mengalami perubahan suhu). Apabila nyala api kecil, perubahan suhu yang dialami air juga kecil. Sebaliknya jika ketika memanaskan air, nyala api lebih besar, perubahan suhu yang dialami air pasti lebih besar (air lebih cepat panas)

Untuk membantu memahami persoalan ini, coba lakukan percobaan kecil2an berikut ini. Sediakan dua gelas air, termometer dan pemanas air (gunakan pemanas yang bisa dikontrol, misalnya kompor dll). Percobaan 1 : Masukan segelas air dalam sebuah wadah dan panaskan air tersebut selama 5 menit. Gunakan termometer untuk mengukur suhu akhir (suhu air setelah dipanaskan selama 5 menit). Catat suhu air tersebut… Percobaan 2 : Kalau wadahnya masih panas, dinginkan terlebih dahulu. Buang saja air yang sudah kepanasan tadi dan ganti dengan segelas air yang masih dingin. Kali ini nyala api diperbesar 2 kali… Silahkan panaskan air tersebut selama 5 menit. Setelah itu ukur suhu akhir air… Bandingkan suhu akhir air yang diperoleh pada percobaan 2 dengan percobaan 1. Manakah yang mengalami perubahan suhu yang lebih besar ? Kalau percobaan dilakukan dengan baik dan benar, dirimu pasti setuju kalau gurumuda mengatakan bahwa perubahan suhu air dalam percobaan 2 lebih besar daripada perubahan suhu air pada percobaan 1.

Nyala api dalam percobaan mewakili jumlah kalor (Q). Pada percobaan 1, nyala api kecil (Q kecil). Sebaliknya pada percobaan 2, nyala api besar (Q besar). Apabila Q kecil, perubahan suhu juga kecil. Sebaliknya jika Q besar, perubahan suhu juga besar. Semakin besar Q, semakin besar perubahan suhu benda. Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan perubahan suhu yang dialami benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

kalor-a1Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m)

Sekarang mari kita tinjau hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m). Mula-mula kita memanaskan segelas air, setelah itu kita memanaskan 2 gelas air. Jika nyala api sama dan suhu air mula2 juga sama, manakah yang lebih cepat panas : segelas air atau 2 gelas air ? Jika dirimu pernah memanaskan air, dirimu akan setuju kalau gurumuda mengatakan segelas air akan lebih cepat panas daripada 2 gelas air. Dengan kata lain, untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air membutuhkan selang waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan 2 gelas air. Jika kita ingin agar selang waktu kenaikan suhu segelas air dan 2 gelas air sama, maka ketika memanaskan 2 gelas air, nyala api harus diperbesar 2 kali.

Besarnya nyala api mewakili jumlah kalor (Q) sedangkan segelas air dan 2 gelas air mewakili massa air tersebut. Segelas air mempunyai massa (m) yang lebih kecil, sedangkan 2 gelas air mempunyai massa (m) yang lebih besar. Untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air (m kecil) membutuhkan nyala api yang lebih kecil (Q kecil) sedangkan 2 gelas air (m besar) membutuhkan nyala api yang lebih besar (Q besar). Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa air. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa (m) dapat ditulis sebagai berikut :

kalor-b

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan Jenis benda (m)

Untuk membantu menurunkan hubungan antara kalor (Q) dan jenis benda, lakukan percobaan berikut ini. Siapkan sepotong besi dan sepotong kayu (usahakan panjangnya harus sama). Panaskan besi dan kayu tersebut dengan nyala lilin. Walaupun nyala lilin sama, biasanya besi akan lebih cepat panas daripada kayu (malah kayu bisa kebakar ;) ). Pada dasarnya, jika jenis benda berbeda maka perubahan suhu yang dialami benda juga berbeda-beda. Hal ini disebabkan karena sifat setiap benda berbeda. Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :

kalor-cPersamaan 1, persamaan 2 dan persamaan 3 bisa ditulis kembali sebagai berikut :

kalor-d1

Persamaan ini menyatakan hubungan antara Kalor (Q) dengan massa benda (m), kalor jenis (c) dan perubahan suhu (delta T).

Keterangan :

kalor-e

KALOR JENIS (c – huruf c kecil)

Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :

kapasitas-kalor-2

Keterangan :

c = kalor jenis

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T2) – suhu awal (T1). Satuannya K

(J = Joule, K = Kelvin)

Satuan kalor jenis benda (c)

Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :

kapasitas-kalor-3

Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K

KAPASITAS KALOR BENDA (C – huruf C besar)

Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

Satuan kapasitas kalor benda (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

kapasitas-kalor-4

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (tuh di atas).

Tabel Kalor Jenis benda (Pada tekanan 1 atm dan suhu 20 oC)

Catatan :

Kalor jenis benda biasanya bergantung pada suhu. Btw, apabila perubahan suhu tidak terlalu besar maka besar kalor jenis bisa dianggap tetap

Jenis Benda Kalor Jenis (c)
J/kg Co kkal/kg Co
Air 4180 1,00
Alkohol (ethyl) 2400 0,57
Es 2100 0,50
Kayu 1700 0,40
Aluminium 900 0,22
Marmer 860 0,20
Kaca 840 0,20
Besi / baja 450 0,11
Tembaga 390 0,093
Perak 230 0,056
Raksa 140 0,034
Timah hitam 130 0,031
Emas 126 0,030

Contoh soal 1 :

Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebuah kawat tembaga yang bermassa 2 kg, dari 20 oC sampai 80 oC ?

Panduan Jawaban :

kalor-gContoh soal 2 :

Berapakah kalor yang harus dilepaskan untuk menurunkan suhu lempeng besi yang bermassa 20 kg, dari 80 oC menjadi 20 oC ?

Panduan Jawaban :

kalor-hTanda negatif menunjukkan bahwa kalor tersebut dilepas

KALOR LATEN

Apabila kita memanaskan suatu benda, air misalnya, semakin lama si air bersentuhan dengan sumber panas (misalnya nyala api), suhu air semakin bertambah. Dalam hal ini air mengalami perubahan suhu akibat adanya tambahan kalor dari nyala api. Perlu diketahui bahwa adanya tambahan kalor tidak selamanya menyebabkan perubahan suhu. Hal ini biasanya terjadi selama proses perubahan wujud suatu benda. Untuk membuktikan hal ini, dirimu bisa melakukan percobaan kecil2an berikut ini…

Siapkan es batu secukupnya, termometer dan pemanas (gunakan saja pemanas listrik kalau ada). Masukan termometer ke dalam wadah yang berisi es batu dan tunggu sampai permukaan air raksa berhenti bergerak. Selanjutnya, nyalakan pemanas listrik. Karena mendapat tambahan kalor dari pemanas listrik maka es batu perlahan-lahan mencair. Seiring dengan mencairnya es batu, permukaan air raksa dalam termometer akan bergerak naik. Meskipun es batu selalu mendapat tambahan kalor, pada suatu titik tertentu, permukaan air raksa akan berhenti bergerak selama beberapa saat. Es batu memang tetap mencair, tapi suhunya tidak berubah. Biasanya hal ini terjadi pada titik es alias titik beku normal air. Pada tekanan atm, titik es berada pada 0 oC. Ingat ya, titik es berubah terhadap tekanan, karenanya termometer yang dirimu pakai belum tentu menunjuk angka 0 oC.

Setelah parkir sebentar di titik es, permukaan air raksa akan jalan-jalan lagi. Semakin banyak kalor yang diserap air, semakin panas air tersebut. Bertambahnya suhu air ditunjukkan oleh kenaikan permukaan air raksa dalam termometer. Walaupun tetap mendapat tambahan kalor, ketika suhu air mencapai titik uap alias titik didih normal air, permukaan air raksa akan berhenti jalan-jalan (suhu air tetap). Pada tekanan atm, titik uap berada pada 100 oC. Tambahan kalor yang diperoleh air dari pemanas listrik tidak membuat suhu air berubah. Tambahan kalor tersebut hanya mengubah air menjadi uap. Amati grafik di bawah….

kalor-iGrafik ini menunjukkan proses perubahan suhu dan perubahan wujud air setelah pendapat tambahan kalor (pada tekanan 1 atm). Penambahan kalor dari b – c tidak menyebabkan perubahan suhu, tetapi hanya meleburkan es menjadi air. Demikian juga penambahan kalor dari d – e hanya mengubah air menjadi uap. Air hanya salah satu contoh saja. Pada dasarnya semua benda akan mengalami proses yang sama jika benda tersebut dipanaskan.

Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud padat menjadi cair disebut kalor peleburan. Kalor peleburan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari cair menjadi padat. Lambang kalor lebur = LF (F = fusion). Perlu diketahui bahwa kalor yang terlibat dalam perubahan wujud benda tidak hanya bergantung pada kalor peleburan saja, tetapi juga massa benda tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Q = m LF

Keterangan :

Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses pencairan atau pembekuan

m = massa benda

LF = Kalor peleburan

Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud cair ke gas dinamakan kalor penguapan. Kalor penguapan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari gas menjadi cair. Lambang kalor penguapan = LV (v = vaporization). Secara matematis, kalor yang diperlukan atau kalor yang dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan bisa ditulis sebagai berikut :

Q = m LV

Keterangan :

Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan

m = massa benda

LF = Kalor penguapan

Kalor Peleburan dan Kalor Penguapan dikenal juga dengan julukan Kalor Laten. Lambang kalor Laten = L

Catatan :

Setiap benda mempunyai titik lebur dan titik didih yang berbeda-beda. Kalor peleburan dan kalor penguapan setiap benda juga berbeda2. Lihat tabel di bawah.

Benda Titik lebur Kalor lebur (LF) Titik didih Kalor penguapan (LV)
K oC J/Kg Kkal/Kg = Kal/g K oC J/Kg Kkal/Kg = Kal/g
Helium 4,126 -268,93 20,9 x 103 5
Hidrogen 13,84 -259,31 58,6 x 103 14,1 20,26 -252,89 452 x 103 108,5
Nitrogen 63,18 -210 26 x 103 6,2 77,38 -195,8 200 x 103 48
Oksigen 54,36 -218,79 14 x 103 3,3 90,15 -183 210 x 103 51
Etanol 159 -114 104,2 x 103 239,75 351,15 78 850 x 103 204
Amonia 195,35 -77,8 33 x 103 8,0 239,75 -33,4 137 x 103 33
Raksa 234 -39 11,8 x 103 2,8 630 357 272 x 103 65,3
Air 273,15 0 334 x 103 79,5 373,15 100 2256 x 103 539
Sulfur 392 119 38,1 x 103 9,1 717,75 444,60 326 x 103 78,2
Timbal 600,5 327,3 24,5 x 103 5,9 2023 1750 871 x 103 209
Perak 1233,95 960,80 88,3 x 103 21,2 2466 2193 2336 x 103 560,6
Besi 2081,15 1808 289 x 103 69,1 3296,15 3023 6340 x 103 1520
Tembaga 1356 1083 134 x 103 32,2 1460 1187 5069 x 103 1216,6
Emas 1336,15 1063,00 64,5 x 103 15,5 2933 2660 1578 x 103 378,7

Contoh soal 1 :

Berapakah tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air ?

Panduan Jawaban :

Q = mLF —- LF air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)

Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)

Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

Untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air, diperlukan tambahan kalor sebesar 397 kkal atau tambahan energi sebesar 1,66 Joule

Contoh soal 2 :

Berapakah jumlah kalor yang harus dilepaskan untuk mengubah 5 kg air menjadi es ?

Panduan Jawaban :

Q = mLF —- LF air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)

Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)

Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

Untuk mengubah 5 kg air menjadi es, kalor yang harus dilepaskan = 397 kkal atau pengurangan energi sebesar 1,66 Joule

Contoh soal 3 :

Berapakah energi yang diperlukan untuk mencairkan 2 kg emas ?

Panduan jawaban :

Q = mLF —- LF emas = 64,5 x 103 J/kg (lihat tabel)

Q = (2 kg) (64,5 x 103 J/kg)

Q = 129 x 103 Joule

Catatan :

Perubahan wujud suatu benda dapat dijelaskan secara lengkap menggunakan Teori Kinetik Gas.

KEKEKALAN ENERGI (KALOR)

Ketika benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, kalor akan mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Ingat ya, kalor adalah energi yang berpindah. Apabila benda-benda yang bersentuhan berada dalam sistem yang tertutup, maka energi akan berpindah seluruhnya dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Sebaliknya apabila benda yang bersentuhan tidak berada dalam sistem tertutup, maka tidak semua energi dari benda bersuhu tinggi berpindah menuju benda yang bersuhu rendah.

Gurumuda pakai contoh saja… Misalnya kita mencampur air panas (suhu tinggi) dengan air dingin (suhu rendah). Apabila air panas dan air dingin dicampur dalam sebuah wadah terbuka (misalnya ember), maka tidak semua energi air panas berpindah menuju air dingin. Demikian juga air dingin tidak menerima semua energi yang disumbangkan oleh air panas. Sebagian energi air panas pasti berpindah ke udara. Jika kita ingin agar semua energi air panas dipindahkan ke air dingin maka kita harus mencampur air panas dan air dingin dalam sistem tertutup. Sistem tertutup yang dimaksudkan di sini adalah suatu sistem yang tidak memungkinkan adanya pertukaran energi dengan lingkungan. Contoh sistem tertutup adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas. Temannya isolator tuh konduktor. Konduktor = bahan yang menghantarkan panas). Ssttt… dalam kenyataannya memang banyak sistem tertutup buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya juga sangat kecil.

Lanjut ya… Apabila benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan dan benda-benda tersebut berada dalam sistem tertutup, maka ketika mencapai suhu yang sama, energi yang diterima oleh benda yang memiliki suhu yang lebih rendah = energi yang dilepaskan oleh benda yang bersuhu tinggi. Karena energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu = kalor, maka kita bisa mengatakan bahwa dalam sistem tertutup, kalor yang dilepaskan = kalor yang diterima. secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Q lepas = Q terima

Q yang hilang = Q yang dicuri ;)

Q yang dibuang = Q yang dipungut ;)

Ini adalah kekekalan energi kalor. Prinsip pertukaran energi dengan cara demikian merupakan dasar dari kalorimetri (kalorimetri = teknik alias prosedur pengukuran kuantitatif suatu pertukaran kalor). Alat ukurnya dikenal dengan julukan si kalorimeter. Pernah lihat kalorimeter-kah ? mudah2an di sekolahmu ada kalorimeter air. Kalorimeter biasanya dipakai untuk menentukan kalor jenis suatu benda. Mau praktikum ? Praktikum aja di blog gurumuda ;) Tuh ada gambar kalorimeter…..

Biar paham, kita oprek beberapa contoh soal

Contoh soal 1 :

Karena kepanasan, diriku ingin menikmati teh hangat. Setelah mencuri sepotong es batu bermassa 0,2 kg dari warung di sebelah kos, es batu tersebut dicampur dengan teh hangat yang sedang menanti sentuhan es batu dalam sebuah gelas. Massa teh hangat = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 oC, sedangkan suhu si teh hangat = 40 oC. Setelah bersenggolan dan bersentuhan selama beberapa saat, es batu dan air hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera… Pertanyaannya, berapakah suhu es teh ? Kalau bingun, tanya saja ke warung terdekat… pasti diomelin ;) anggap saja es batu dan teh hangat dicampur dalam sistem tertutup.

Panduan jawaban :

Ssttt… pahami jalan cerita-nya ya. Jangan pake hafal. Tidak akan ada soal yang sama.

T = suhu

Massa es batu = 0,2 kg

Massa teh hangat = 0,2 kg

Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg Co

Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg Co

Kalor Lebur (LF) air = 334 x 103 J/Kg

Suhu es batu (Tes batu) = -10 oC

Suhu teh hangat (T teh hangat) = 40 oC

Suhu campuran = ?

Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir

Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,2 kg teh hangat, dari 40 oC sampai 0 oC

Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)

Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (40 oC – 0 oC)

Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (40 oC)

Q lepas = 33.440 Joule = 33,44 kJ

Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 oC sampai 0 oC

Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)( T titik lebur air – T awal)

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (0 oC – (-10 oC))

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (10 oC)

Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)

Q lebur = mLF

Q lebur = (0,2 kg) (334 x 103 J/Kg)

Q lebur = 66,8 x 103 Joule = 66,8 kJ

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :

Q lepas = 33,44 kJ

Q terima = 4,2 kJ

Q lebur = 66,8 kJ

Ketika teh hangat melepaskan kalor sebanyak 33,44 kJ, suhu teh hangat berubah dari 40 oC menjadi 0 oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC. hitung2an dulu ya… 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Kalor yang tersisa = 29,24 kJ.

Nah, untuk meleburkan semua es batu menjadi air diperlukan kalor sebesar 66,8 kJ. Kalor yang tersisa hanya 29,24 kJ.

Kesimpulannya, kalor yang disumbangkan oleh teh hangat hanya digunakan untuk menaikan suhu es dari -10 oC sampai 0 oC dan meleburkan sebagian es batu. Sebagian es batu telah berubah menjadi air, sedangkan sebagiannya belum. Ingat ya, selama proses peleburan, suhu tidak berubah. Karenanya suhu akhir campuran es = 0 oC.

Catatan :

Dalam kehidupan sehar-hari, semua es batu akan mencair karena udara juga ikut2an menyumbang kalor. Untuk contoh soal di atas, kita menganggap campuran berada dalam sistem tertutup, sehingga suhu akhir akan tetap seperti itu.

Contoh soal 2 :

Massa teh panas = 0,4 kg, massa es batu = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 oC, sedangkan suhu si teh panas = 90 oC. Jika keduanya dicampur, berapakah suhu akhir campuran ? anggap saja campuran berada dalam sistem tertutup

Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg Co

Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg Co

Kalor Lebur (LF) air = 334 x 103 J/Kg

Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir

Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,4 kg teh panas, dari 90 oC sampai 0 oC

Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)

Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC – 0 oC)

Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC)

Q lepas = 150.480 Joule = 150,48 kJ

Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 oC sampai 0 oC

Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)(T titik lebur air – T awal)

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (0 oC – (-10 oC))

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (10 oC)

Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)

Q lebur = mLF

Q lebur = (0,2 kg) (334 x 103 J/Kg)

Q lebur = 66,8 x 103 Joule = 66,8 kJ

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :

Q lepas = 150,48 kJ

Q terima = 4,2 kJ

Q lebur = 66,8 kJ

Ketika teh panas melepaskan kalor sebanyak 150,48 kJ, suhu teh panas berubah dari 90 oC menjadi 0 oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC. hitung2an lagi…. 150,48 kJ – 4,2 kJ = 146,28 kJ. Kalor yang tersisa = 146,28 kJ

Nah, kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air hanya sebesar 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. Ternyata kelebihan 79,48 kJ. Teh panas tidak perlu melepaskan semua kalor hingga suhunya berkurang menjadi 0 oC. Kesimpulannya : suhu akhir campuran pasti lebih besar dari 0 oC.

Ok, tancap gas…….

Langkah Kedua : Menentukan suhu akhir (T)

Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC = 4200 Joule

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air alias kalor laten = 66.800 Joule

Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu air (air hasil peleburan semua es batu) dari 0 oC sampai T

= (massa es batu)(kalor jenis air)(T – 0 oC)

= (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (T)

= (836 T) J/Co

Kalor yang dilepaskan oleh te hangat untuk menurunkan suhunya dari 90 oC sampai T

= (massa air panas)(kalor jenis air)(90 oC – T)

= (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC – T)

= 1672 J/Co (90 oC – T)

= 150.480 J – (1672 T) J/Co

kalor-j

Pahami perlahan-lahan… Sering2 latihan soal biar jadi mudah

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Konduksi


Pengantar

Jika kita perhatikan pengendara sepeda motor di jalan raya, biasanya kebanyakan dari antara mereka menggunakan jaket atau sweater. Kayanya bukan cuma mereka… Kita juga biasa menggunakan jaket jika hendak kebut2an di jalan, terutama perjalanan yang ditempuh cukup jauh. Tuh tujuannya untuk apa ya ? Omong soal jaket, ketika udara cukup dingin kita juga biasa menggunakan jaket, kaki harus dibungkus dengan kaos kaki segala, tidur pun harus ditemani selimut yang bisa bikin sesak napas… mengapa harus demikian-kah ?

Btw, katanya kalau kita tidur di lantai ubin atau lantai keramik tanpa menggunakan kasur atau selimut, katanya bisa cepat sakit. Apa hubungannya ya… Dirimu bingung-kah ? biasa saja tuh… ;) Met belajar ya…. Baca saja sampai selesai maka dirimu akan mendapat pencerahan

Orang bilang banyak jalan menuju roma, banyak jalan juga si kalor berpindah. Untuk mengungsi dari satu tempat ke tempat lain, kalor biasanya menggunakan 3 cara, antara lain : merayap, berlari dan terbang ;) Cuma canda… Terdapat 3 jenis perpindahan kalor, yakni konduksi, konveksi dan radiasi. Istilah apa lagi ini… ;) Kali ini kita akan membahas perpindahan kalor dengan cara konduksi. Perpindahan kalor secara konveksi dan radiasi akan dibahas pada episode berikut…

Perpindahan Kalor dengan cara Konduksi

Sebelum melangkah lebih dekat, mari kita lakukan percobaan kecil2an. Siapkan sebuah lilin dan sepotong kawat. Tarik napas 100 kali lalu nyalakan lilin tersebut. Pegang salah satu ujung logam lalu sentuhkan ujung logam yang lain ke nyala api. Tunggu selama beberapa saat. Tanganmu kepanasan-kah ? hiks2… mengapa tangan bisa terasa panas ?

Ketika salah satu bagian logam bersentuhan dengan nyala lilin atau nyala api, secara otomatis kalor mengalir dari nyala lilin (suhu tinggi) menuju bagian logam tersebut (suhu rendah). Walaupun hanya salah satu bagian logam yang bersentuhan dengan nyala api, semua bagian logam tersebut akan kepanasan juga. Tanganmu bisa terasa panas, karena kalor mengalir dari logam (suhu tinggi) menuju tanganmu (suhu rendah). Kalor tuh energi yang berpindah. Kita bisa mengatakan bahwa ketika salah satu bagian benda yang bersuhu tinggi bersentuhan dengan benda yang bersuhu rendah, energi berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju bagian benda yang bersuhu rendah.

Nah, karena mendapat tambahan energi maka molekul2 penyusun benda bergerak semakin cepat. Molekul lain yang berada di sebelahnya bergerak lebih lambat karena molekul tersebut tidak bersentuhan langsung dengan benda yang bersuhu tinggi. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik (EK = ½ mv2). Molekul2 yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menumbuk temannya yang ada di sebelah. Karena ditumbuk alias ditabrak oleh temannya, maka molekul2 yang pada mulanya bergerak lambat ikut2an bergerak lebih cepat. Ingat ya, pada mulanya si molekul bergerak lambat (v kecil) sehingga energinya juga kecil (EK = ½ mv2). Setelah bergerak lebih cepat (v besar), energi kinetiknya bertambah. Si molekul tadi menumbuk lagi temannya yang ada di sebelah… temannya yang lagi pacaran pun ikut2an bergerak lebih cepat. Karena v besar, energinya pun bertambah. Demikian seterusnya… mereka saling tumbuk menumbuk, sambil berbagi energi.

Ketika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, terdapat sejumlah kalor yang mengalir dari benda atau tempat yang bersuhu tinggi menuju benda atau tempat yang bersuhu rendah. Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Perlu diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada juga yang kurus (luas penampangnya kecil). Untuk mengetahui secara pasti hubungan antara jumlah kalor yang mengalir melalui suatu benda selama selang waktu tertentu akibat adanya perbedaan suhu, maka kita perlu menurunkan persamaan. Rumus lagi… rumus lagi ;)

Amati gambar di bawah…

perpindahan-kalor-a

Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T1) sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T2). Karena adanya perbedaan suhu (T1 – T2), kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).

Berdasarkan hasil percobaan, jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T1 – T2), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

perpindahan-kalor-b

Keterangan :

Q = Kalor (satuannya kilokalori (k) atau Joule (J) )

t = Waktu (satuannya sekon (s) )

Q/t = Laju aliran kalor (satuannya kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )

A = Luas penampang benda (Satuannya meter kuadrat (m2) )

T1 – T2 = Perbedaan suhu (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )

T1 = Suhu alias Temperatur tinggi (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )

T2 = Suhu alias Temperatur rendah (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (oC) )

l = Panjang benda (satuannya meter (m) )

T1 – T2 / l = Gradien suhu (satuannya Kelvin per meter (K/m) atau derajat celcius per meter (oC/m) )

k = Konduktivitas termal benda

Persamaan konduktivitas termal

Kita oprek persamaan laju aliran kalor di atas untuk memperoleh persamaan konduktivitas termal…

perpindahan-kalor-c

Satuan konduktivitas termal

Kita bisa menurunkan satuan konduktivitas termal dengan mengoprek persamaan konduktivitas termal :

perpindahan-kalor-d

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (sudah dijelaskan pada pokok bahasan Kalor, Kalor Jenis dan Kalor laten).

Ketiga, satuan konduktivitas termal (k) bisa juga ditulis seperti ini :

perpindahan-kalor-e

Joule/sekon = J/s = Watt (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

Berikut ini nilai konduktivitas termal beberapa benda yang diperoleh melalui percobaan.

Jenis benda Konduktivitas Termal (k)
J/m.s.Co Kkal/m.s.Co
Perak 420 1000 x 10-4
Tembaga 380 920 x 10-4
Aluminium 200 500 x 10-4
Baja 40 110 x 10-4
Es 2 5 x 10-4
Kaca (biasa) 0,84 2 x 10-4
Bata 0,84 2 x 10-4
Air 0,56 1,4 x 10-4
Tubuh manusia 0,2 0,5 x 10-4
Kayu 0,08 – 0,16 0,2 x 10-4 – 0,4 x 10-4
Gabus 0,042 0,1 x 10-4
Wol 0,040 0,1 x 10-4
Busa 0,024 0,06 x 10-4
Udara 0,023 0,055 x 10-4

Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).

Tahanan Termal (R)

Para insinyur biasanya menggunakan konsep tahanan termal (R = resistansi termal) untuk menyatakan kemampuan suatu bahan dalam menghambat aliran kalor. Tahanan termal merupakan perbandingan antara ketebalan suatu bahan dengan konduktivitas termal bahan tersebut. Secara matematis bisa dirumuskan sebagai berikut :

perpindahan-kalor-f

Keterangan :

R = tahanan alias hambatan termal

l = ketebalan bahan

k = konduktivitas termal

Tambahan :

Pada umumnya zat padat merupakan konduktor termal yang baik, sedangkan zat cair dan zat gas merupakan konduktor termal yang buruk. Konduktor termal = penghantar panas alias kalor. Zat cair dan zat gas bisa disebut juga sebagai isolator termal terbaik. Isolator termal = penghambat panas alias kalor.

Penerapan Konduksi dalam kehidupan sehari-hari

Mengapa ubin terasa lebih sejuk daripada karpet ?

Ubin memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada karpet. Karenanya ubin merupakan penghantar kalor yang bagus, sedangkan temannya si karpet merupakan pernghantar kalor yang buruk. Ketika kita menginjak karpet, kalor mengalir dari kaki menuju karpet. Hal ini terjadi karena suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu karpet. Karena si karpet merupakan penghantar kalor yang buruk maka kalor alias panas yang mengalir dari kaki kita menumpuk di permukaan karpet. Akibatnya permukaan karpet menjadi lebih hangat. Kaki mu pun ikut2an terasa hangat…

Ketika kita menginjak ubin atau keramik, kalor mengalir dari kaki menuju si ubin atau keramik. Karena si ubin merupakan penghantar kalor yang baik maka kalor alias panas yang mengalir dari kaki kita tidak tertahan di permukaan ubin. Kalor mengalir dengan lancar sehingga kaki kita terasa dingin…

Kalau rumahmu ada di malang atau bandung (daerah dingin), sebaiknya alasi lantai kamarmu dengan karpet biar kakimu tidak kedinginan. Sebaliknya, kalau rumahmu ada di jakarta, surabaya, yogya, dkk (daerah panas), sebaiknya jangan alasi lantai kamarmu dengan karpet… Bukan kesejukan yang dirimu rasakan, tapi malah bikin bete.

Ada orang yang bilang, kalau kita tidur di atas ubin (tanpa alas), kita bisa sakit. Sebenarnya hal itu disebabkan karena banyak kalor alias panas dari tubuhmu yang mengalir menuju ubin. Kalor tuh energi yang berpindah. Ketika tubuhmu kehilangan banyak kalor, maka energi dalam tubuhmu berkurang… Ini yang bikin dirimu cepat sakit. Siangnya sudah makan yang enak2 dan bergizi, malamnya dirimu membuang percuma si energi yang diperoleh dari makanan. Mending pakai saja untuk pacaran ;)

Fungsi jendela dan pintu apa sich ?

Pada malam hari, suhu udara di luar rumah lebih rendah daripada suhu udara dalam rumah. Adanya perbedaan suhu udara ini bisa menyebabkan kalor kabur keluar rumah. Karenanya, biasanya pada malam hari kita menutup pintu atau jendela. Selain bertujuan menghalau maling yang mau menggarap harta kekayaan pemilik rumah, salah satu fungsi jendela atau pintu adalah menahan kalor agar tidak kabur dari dalam rumah. Biasanya pintu atau jendela terbuat dari kayu. Konduktivitas termal kayu cukup kecil sehingga bisa berperan sebagai isolator. Fungsi lain dari jendela atau pintu adalah menahan udara. Udara yang terperangkap pada sisi dalam jendela atau pintu berfungsi sebagai isolator yang baik (penghambat kalor yang hendak kabur). Biar paham, perhatikan tabel di atas. Konduktivitas termal udara sangat kecil. Semakin kecil konduktivitas termal suatu benda, semakin sulit si kalor mengungsi melalui benda tersebut.

Pada malam hari yang dingin sebaiknya jangan suka buka pintu atau jendela kamar. Ingat ya, tanpa diperintah si kalor dengan sendirinya kabur dari benda (atau tempat) yang bersuhu tinggi menuju benda (atau tempat) yang bersuhu rendah. Kalau pintu rumahmu tidak ditutup, nanti kalor mengalir semaunya menuju luar rumah yang memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin banyak kalor yang kabur dari dalam rumah atau kamar, suhu udara dalam kamar menjadi rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara udara dalam kamar dengan tubuhmu, maka kalor akan kabur dari dalam tubuhmu menuju udara. Semakin banyak kalor yang kabur, semakin banyak energi yang terbuang percuma. Nanti dirimu bisa sakit karena tubuh kekurangan energi…. Kecuali kalau dirimu pakai jaket, selimut dkk….

Fungsi pakaian tuh apa sich ?

Selain mempertahankan status kita sebagai manusia normal, pakaian juga berfungsi untuk menjaga suhu tubuh kita agar tetap stabil. Pakaian yang kita gunakan biasanya disesuaikan dengan suhu udara. Ketika suhu udara cukup rendah, pakaian yang kita gunakan lebih tebal. Selimut atau pakaian yang tebal (jaket dkk) membuat udara tidak bisa bergerak dengan lancar. Udara terperangkap di antara kulit dan jaket/selimut. Karena terdapat perbedaan suhu antara tubuh kita dan udara yang terperangkap, maka kalor mengalir dari tubuh menuju udara tersebut. Karena mendapat sumbangan kalor dari tubuh, suhu udara yang terperangkap meningkat (udara menjadi lebih hangat). Perhatikan tabel konduktivitas termal di atas…. Nilai konduktivitas termal (kemampuan menghantar kalor) udara sangat kecil. Karenanya, kalor tidak bisa kabur keluar dari tubuh. Suhu tubuh kita pun tetap terjaga… Apabila kita tidak menggunakan jaket pada saat udara cukup dingin, kalor bisa seenaknya kabur dari tubuh kita. Semakin banyak kalor yang kabur maka tubuh bisa kehilangan banyak energi…

Mengapa kebanyakan orang yang mengendarai sepeda motor biasanya menggunakan jaket ?

Tujuannya cuma satu : mencegah agar kalor tidak kabur dari dalam tubuh. Ketika kita mengendarai sepeda motor, tubuh kita bergerak. Udara juga ikut2an bergerak (udara yang bergerak = angin). Adanya angin membuat udara yang panas digantikan oleh udara yang lebih dingin. Akibatnya akan ada perbedaan suhu antara tubuh (suhu lebih tinggi) dengan udara (suhu lebih rendah). Jika kita tidak menggunakan jaket, maka kalor dengan seenaknya kabur dari tubuh… Kasusnya mirip dengan penjelasan sebelumnya…

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | 1 Komentar

Konveksi


Pengantar

Dirimu pernah bermain ke pantai-kah ? Sayang kalau belum. Coba main ke pantai kalau ada waktu. Sekali2 perlu rekreasi, apalagi tiap hari sumpek dengan kehidupan di kota yang hiruk pikuk dan bikin sebel. Udaranya sudah panas, asap kendaraan bertebaran di mana-mana, suara bising lagi bikin kuping juga ikut2an bising ;)

Sambil memandang gulungan gelombang laut yang bergerak perlahan-lahan menuju ke tepi pantai, hembusan angin sepoi-sepoi bikin tubuh terasa segar. Belum lagi pemandangan sunset di sore hari… Apalagi sedang berduaan sama pacar kesayangan… wah, asyik sekali. Hidup serasa milik berdua :)

Banyak sekali konsep fisika yang bisa dipelajari ketika kita berada di tepi pantai. Salah satunya adalah hembusan angin laut di siang hari dan angin darat di malam hari. Hembusan angin laut di siang hari yang cukup panas membuat kita merasa sangat nyaman. Maunya bikin rumah saja di tepi pantai, biar kalau ada tsunami bisa stress…. hiks2…. Btw, mengapa selalu ada angin di tepi pantai ya ?

KONVEKSI

Selain berpindah tempat dengan cara konduksi, kalor juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain dengan cara konveksi. Konveksi tuh proses berpindahnya kalor akibat adanya perpindahan molekul-molekul suatu benda. Ingat ya, biasanya kalor berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi menuju tempat yang bersuhu rendah. Nah, jika terdapat perbedaan suhu maka molekul2 yang memiliki suhu yang lebih tinggi mengungsi ke tempat yang bersuhu rendah. Posisi molekul tersebut digantikan oleh molekul lain yang bersuhu rendah. Jika suhu molekul ini meningkat, maka ia pun ikut2an mengungsi ke tempat yang bersuhu rendah. Posisinya digantikan oleh temannya yang bersuhu rendah. Demikian seterusnya…

Perlu diketahui bahwa benda yang dimaksudkan di sini adalah zat cair atau zat gas. Walaupun merupakan penghantar kalor (konduktor termal) yang buruk, zat cair dan zat gas bisa memindahkan kalor dengan cepat menggunakan cara konveksi. Contoh zat cair adalah air, minyak goreng, oli dkk. Contoh zat gas adalah udara…

Untuk membantumu memahami perpindahan kalor dengan cara konveksi, gurumuda menggunakan contoh saja…

Proses pemanasan air

Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan. Air yang berada di dalam wadah dipanaskan dengan nyala api yang berasal dari kompor.

konveksi-a

Ketika kita memanaskan air menggunakan kompor, kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju dasar wadah (suhu lebih rendah). Karena mendapat tambahan kalor, maka suhu dasar wadah meningkat. Ingat ya, yang bersentuhan dengan nyala api adalah bagian luar dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari bagian luar dasar wadah (yang bersentuhan dengan nyala api) menuju bagian dalam dasar wadah (yang bersentuhan dengan air). Suhu bagian dalam dasar wadah pun meningkat. Karena air yang berada di permukaan wadah memiliki suhu yang lebih kecil, maka kalor mengalir dari dasar wadah (suhu lebih tinggi) menuju air (suhu lebih rendah). Perlu diketahui bahwa perpindahan kalor pada wadah terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air yang berada di permukaannya juga terjadi secara konduksi.

Adanya tambahan kalor membuat air yang menempel dengan dasar wadah mengalami peningkatan suhu. Akibatnya air tersebut memuai. Ketika memuai, volume air bertambah. Karena volume air bertambah maka massa jenis air berkurang. Kalau bingung, ingat lagi persamaan massa jenis alias kerapatan (massa jenis = massa / volume). Massa air yang memuai tidak berubah, yang berubah hanya volumeya saja. Karena volume air bertambah, maka massa jenisnya berkurang. Berkurangnya massa jenis air menyebabkan si air bergerak ke atas (kita bisa mengatakan air tersebut mengapung). Mirip seperti gabus atau kayu kering yang terapung jika dimasukan ke dalam air. Gabus atau kayu kering bisa terapung karena massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air.

Karena bergerak ke atas maka posisi air tadi digantikan oleh temannya yang berada di sebelah atas. Kali ini temannya yang menempel dengan dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari dasar wadah menuju temannya. Temannya ikut2an kepanasan juga (suhu meningkat) sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka ia bergerak ke atas. Posisinya digantikan oleh temannya yang berada di sebelah atas. Demikian seterusnya sampai semua air yang berada dalam wadah mendapat jatah kalor. Ingat ya, air yang memiliki suhu yang tinggi tidak langsung meluncur tegak lurus ke atas tetapi berputar seperti yang ditunjukkan pada gambar. Hal ini disebabkan karena temannya yang berada tepat di atasnya memiliki massa jenis yang lebih besar.

Perpindahan kalor pada proses pemanasan air merupakan salah satu contoh perpindahan kalor secara konveksi.

Catatan :

Pertama, proses perpindahan kalor dengan cara konveksi hanya terjadi dalam air. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air terjadi secara konduksi.

Kedua, seandainya nyala api bersentuhan dengan wadah, maka kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju wadah (suhu lebih rendah) dengan cara konduksi. Sebaliknya, jika nyala api tidak bersentuhan dengan wadah maka kalor mengalir dari nyala api menuju wadah dengan cara radiasi. Mengenai radiasi akan dibahas kemudian.

Ketiga, Jika nyala api cukup besar maka kalor tidak hanya mengalir dari nyala api menuju dasar wadah tetapi juga menuju dinding wadah. Perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara konduksi (apabila nyala api bersentuhan dengan dinding wadah) atau perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara radiasi (apabila nyala api tidak bersentuhan dengan dinding wadah).

Keempat, proses pemanasan air menggunakan pemanas listrik juga mirip dengan kasus di atas. Elemen pemanas memiliki suhu yang lebih tinggi sedangkan air yang berada di sekitarnya memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari elemen pemanas menuju air yang menempel dengannya. Perpindahan kalor dari elemen pemanas menuju air terjadi secara konduksi. Sebaliknya, proses perpindahan kalor dalam air terjadi secara konveksi.

Contoh lain dari perpindahan kalor secara konveksi adalah proses terjadinya angin laut dan angin darat

Angin laut

Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

konveksi-bKalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Akibatnya ketika dipanaskan oleh cahaya matahari pada siang hari, kenaikan suhu daratan lebih besar daripada kenaikan suhu air laut. Kalau bingung baca lagi pembahasan gurumuda mengenai kalor, kalor jenis dan kalor laten. Jadi walaupun mendapat jatah kalor yang sama dari matahari, daratan lebih cepat panas (suhu lebih tinggi) daripada air laut (suhu air laut lebih rendah).

Daratan yang sudah kepanasan tadi memanaskan udara yang berada tepat di atasnya sehingga suhu udara pun meningkat. Karena mengalami peningkatan suhu maka udara memuai. Ketika memuai, volumenya bertambah. Akibatnya massa jenis udara berkurang. Karena massa jenis udara berkurang, maka udara tersebut bergerak ke atas (1). Posisi udara yang bergerak ke atas tadi digantikan oleh udara yang berada di atas permukaan laut. Hal ini disebabkan karena massa jenis udara yang berada di atas permukaan laut lebih besar. Ketika bergerak ke darat, posisi udara tadi digantikan oleh temannya yang berada tepat di atasnya (2)

Sampai pada ketinggian tertentu, udara panas yang bergerak ke atas mengalami penurunan suhu. Ingat ya, ketika suhu udara menurun, volume udara juga berkurang. Berkurangnya volume udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Akibatnya, udara yang sudah mendingin tadi meluncur ke bawah untuk menggantikan posisi udara yang kabur dari permukaan laut (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dirimu menyebutnya dengan julukan angin laut. Di sebut angin laut karena udara yang berada di atas permukaan air laut melakukan pengungsian massal menuju darat. Angin laut hanya terjadi pada siang hari… Kalau malam hari kasusnya sudah berbeda.

Angin darat

konveksi-cKetika malam tiba, daratan lebih cepat dingin daripada air laut. Dengan kata lain, pada malam hari, suhu daratan lebih rendah daripada suhu air laut. Hal ini disebabkan karena kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Walaupun jumlah kalor yang dilepaskan oleh daratan dan air laut sama, tetapi karena kalor jenis daratan lebih kecil daripada kalor jenis air laut, maka penurunan suhu yang dialami oleh daratan lebih besar daripada air laut. Ingat saja rumus Q = (m)(c)(deltaT). Jika bingung berlanjut silahkan pelajari kembali pokok bahasan kalor, kalor jenis dan kalor laten.

Air laut yang memiliki suhu lebih tinggi menghangatkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas permukaan laut meningkat. Peningkatan suhu udara menyebabkan massa jenis udara berkurang sehingga udara bergerak ke atas (1)

Daratan yang memiliki suhu lebih rendah mendinginkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas daratan menurun. Penurunan suhu udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Udara yang berada di atas daratan segera meluncur ke laut (2)

Sampai pada ketinggian tertentu, udara yang bergerak ke atas mendingin (suhunya menurun). Penurunan suhu menyebabkan massa jenis udara bertambah. Si udara pun meluncur ke bawah, menggantikan posisi udara yang meluncur ke laut tadi (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dirimu menyebutnya dengan julukan angin darat. Di sebut angin darat karena udara yang berada di daratan melakukan pengungsian massal menuju laut. Angin darat hanya terjadi pada malam hari…..

Catatan :

Pertama, meningkatnya suhu daratan dan lautan yang terjadi pada siang hari merupakan korban dari perpindahan kalor secara radiasi (Daratan dan air laut mendapat sumbangan kalor dari matahari). Mengenai radiasi akan dibahas kemudian.

Kedua, perpindahan kalor dari daratan atau air laut menuju udara yang berada di atasnya terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor secara konveksi hanya terjadi pada udara saja.

Ketiga, angin adalah udara yang bergerak. Berdasarkan kasus angin darat dan angin laut di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa terjadinya angin disebabkan karena adanya perbedaan suhu udara. Jadi angin sebenarnya merupakan korban ;) dari proses perpindahan kalor secara konveksi. Coba bayangkan, apa yang terjadi jika perbedaan suhu udara sangat tinggi ? Badai pun datang melanda, membuat atap rumah ikut2an kabur bersama angin.

Cerobong Asap

Pernah lihat cerobong asap ? yang tinggal di kota pasti pernah lihat cerobong asap pabrik… mengapa asap bisa bergerak naik melalui cerobong ? emang dari sono-nya dah begitu kok… yee… anak SD juga bisa jawab kayak gini ;) Asap hasil pembakaran memiliki suhu tinggi. Karena suhunya tinggi, maka asap tersebut memuai. Ketika memuai, volume asap bertambah (massa asap tidak berubah, yang berubah hanya volumenya saja). Bertambahnya volume asap membuat massa jenisnya berkurang. Akibatnya si asap pun meluncur ke atas….

Mengapa asap hasil pembakaran cenderung bergerak ke atas ?

Kasusnya mirip dengan asap pabrik yang meluncur melalui cerobong asap…

Contoh yang lain dipikirkan sendiri ya… Jalan ceritanya sama saja seperti yang telah gurumuda jelaskan panjang lebar di atas. Btw, contoh yang telah gurumuda ulas di atas merupakan proses perpindahan kalor dengan cara konveksi yang terjadi secara alami. Ada juga konveksi yang dipaksakan. mmm… apa ya… Oya, kalau punya persoalan berkaitan dengan perpindahan kalor secara konveksi, baik yang terjadi secara alami maupun dipaksakan, silahkan masukan melalui kolom komentar. Nanti baru gurumuda bahas…. Dah ngantuk, pingin tidur ;)

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | Tinggalkan komentar

Radiasi


Pengantar

Pernah mengenakan pakaian berwarna hitam di siang hari yang panas ? Kalau belum, silahkan mencoba… Kalau tidak punya pakaian berwarna hitam, pinjam saja punya tetangga ;) Bilang saja buat percobaan fisika, pasti tidak diberi. hehe… Biar keren, kali ini dirimu tampil penuh percaya diri dengan setelan hitam-hitam. Rasanya bagaimanakah ? wah, mau mati saja rasanya… Sudah bikin gerah, dikirain penampakan lagi. Hiks2… Aneh ya, masa cuma pakai pakaian berwarna hitam tubuh bisa kepanasan. Apa hubungannya ya…

Btw, biasanya pagi hari atau sore hari rasanya tidak terlalu panas. Tapi kalau siang hari rasanya panas sekali… Kata ibu, waktu eyang butut masih hidup memang sudah begitu… Esok kalau harga bbm naik lagi mungkin berubah kali :) Mengapa ya, siang hari kok lebih panas daripada pagi hari atau sore hari… Terus Amerika, eropa, dkk tuh katanya punya 4 musim. Ada musim panas, musim dingin, musim semi, musim gugur. Kalau di Indonesia malah banyak musim. Ada musim kemarau, musim hujan, musim banjir, musim demam berdarah, musim karet, musim duren, musim mangga dkk. Mengapa orang bule punya musim panas, musim dingin segala… Kayanya tidak adil ya. Seharusnya Indonesia juga punya musim dingin, biar semuanya pada kedinginan. Oya, nyaris lupa… Mengapa di kutub utara dan selatan suhunya sangat dingin sampai semuanya pada membeku ?

Perpindahan kalor dengan cara Radiasi

Selain berpindah dari tempat yang memiliki suhu lebih tinggi menuju tempat yang memiliki suhu lebih rendah dengan cara konduksi dan konveksi, kalor juga bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Bedanya, perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi membutuhkan medium. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak membutuhkan medium. Dirimu jangan pake bingung dengan istilah medium. Yang dimaksudkan dengan medium adalah benda-benda yang berfungsi sebagai penghantar kalor. Penghantar kalor yang baik menggunakan cara konduksi adalah zat padat. Sedangkan penghantar kalor yang baik menggunakan cara konveksi adalah zat cair dan zat gas. Nah, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak menggunakan penghantar. Kok bisa ya ?…. yupz

Radiasi sebenarnya merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, seperti cahaya tampak (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dll), infra merah dan ultraviolet alias ultra ungu. Mengenai gelombang elektromagnetik akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri.

Salah satu contoh perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah perpindahan kalor dari matahari menuju bumi. Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 K), sedangkan bumi memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara matahari dan bumi, maka secara otomatis kalor mengungsi dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara alias medium, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi. Persoalannya si kalor harus melewati ruang hampa (atau hampir hampa alias kosong melompong). Jika tidak ada sumbangan kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada. Ingat ya, kalor tuh energi yang berpindah. Kehidupan kita di planet bumi sangat bergantung pada energi yang disumbangkan oleh matahari. Nah, energi bisa berpindah dari matahari ke bumi dalam bentuk kalor alias panas.

Contoh lain dari perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah panas yang dirasakan ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang kita rasakan bukan disebabkan oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. Seperti yang telah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan konveksi, biasanya udara yang kepanasan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Akibatnya, udara yang massa jenisnya berkurang tadi meluncur ke atas, tidak meluncur ke arah kita. Mirip seperti asap yang keluar lewat cerobong. Kita bisa merasa hangat atau kepanasan ketika berada di dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah). Dengan kata lain, kita bisa merasa hangat atau kepanasan karena adanya energi yang berpindah dengan cara radiasi dari nyala api menuju tubuh.

Perpindahan kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi terjadi ketika benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. Matahari dan bumi tidak saling bersentuhan, tetapi kalor bisa mengungsi dari matahari menuju bumi. Demikian juga nyala api dan tubuh kita tidak saling bersentuhan, tetapi tubuh bisa kepanasan kalau kita berdiri di dekat nyala api.

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi ditemukan sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlak (Skala Kelvin) benda tersebut. Benda yang memiliki luas permukaan yang lebih besar memiliki laju perpindahan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang memiliki luas permukaan yang lebih kecil. Demikian juga, benda yang bersuhu 2000 Kelvin, misalnya, memiliki laju perpindahan kalor sebesar 24 = 16 kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang bersuhu 1000 Kelvin. Hasil ini ditemukan oleh om Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh om Ludwig Boltzmann sekitar 5 tahun kemudian. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

radiasi-1

Keterangan :

radiasi-2

Catatan :

Pertama, kalor merupakan energi yang berpindah. Lebih tepatnya kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Kedua, laju perpindahan kalor = jumlah kalor yang berpindah tempat selama selang waktu tertentu.

Ketiga, kata radiasi bisa berarti pancaran, demikian juga kata meradiasikan bisa berarti memancarkan. Kita menggunakan kata memancarkan karena kalor berpindah tempat menggunakan gelombang elektromagnetik (tidak pake perantara).

Keempat, kata memancarkan dan menyerap tuh artinya berbeda. Kalau memancarkan, berarti kalor ditendang keluar. Tapi kalau menyerap, berarti kalor disedot habis2an.

Kelima, kadang gurumuda pakai istilah perpindahan kalor, kadang pake istilah radiasi energi. Kalor tuh energi yang berpindah. Si kalor bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Karenanya, kita juga bisa menggunakan istilah radiasi energi atau radiasi. Jangan pake bingung… Lanjut ya

Benda yang permukaannya berwarna gelap (hitam pekat, seperti arang) memiliki emisivitas mendekati 1, sedangkan benda yang berwarna terang memiliki emisivitas mendekati 0. Semakin besar emisivitas suatu benda (e mendekati 1), semakin besar laju kalor yang dipancarkan benda tersebut. Sebaliknya, semakin kecil emisivitas suatu benda (e mendekati 0), semakin kecil laju kalor yang dipancarkan. Kita bisa mengatakan bahwa benda yang berwarna gelap (warna hitam dkk) biasanya memancarkan kalor yang lebih banyak dibandingkan dengan benda yang berwarna terang (warna putih dkk).

Besarnya emisivitas tidak hanya menentukan kemampuan suatu benda dalam memancarkan kalor tetapi juga kemampuan suatu benda dalam menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang berwarna gelap) menyerap hampir semua kalor yang dipancarkan padanya. Hanya sebagian kecil saja yang dipantulkan. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) menyerap sedikit kalor yang dipancarkan padanya. Sebagian besar kalor dipantulkan oleh benda tersebut.

Benda yang menyerap semua kalor yang dipancarkan padanya memiliki emisivitas = 1. Benda jenis ini dikenal dengan julukan benda hitam. Dinamakan benda hitam bukan berarti benda tersebut berwarna hitam. Benda hitam sebenarnya merupakan sebuah benda ideal saja. Btw, konsep benda hitam ideal ini penting karena laju radiasi benda ini secara teoritis bisa dihitung. Mengenai benda hitam akan kita oprek dalam pokok bahasan tersendiri.

Berdasarkan ulasan panjang pendek di atas, bisa disimpulkan bahwa benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang nyaris hitam pekat) merupakan pemancar sekaligus sebagai penyerap kalor yang baik. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, setiap benda, apapun itu, selain memancarkan kalor, juga bisa menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Misalnya terdapat dua benda, sebut saja benda 1 dan benda 2. Benda 1 berada di dekat benda 2. Benda 1 memancarkan kalor, benda 2 juga memancarkan kalor. Nah, selain memancarkan kalor, benda 1 pasti menyerap kalor yang dipancarkan benda 2. Demikian juga sebaliknya, selain memancarkan kalor, benda 2 pasti menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda 1. Karenanya untuk menghitung laju total perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 atau benda 2, kita tidak bisa menggunakan persamaan om Stefan-Boltzmann di atas. Persamaan di atas hanya bisa digunakan untuk menentukan laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda (dengan anggapan tidak ada benda lain yang berada di sekitar benda tersebut). Jadi kita perlu mengoprek persamaan di atas untuk memperoleh persamaan yang sesuai dengan kondisi ini. Untuk menurunkan persamaan yang dimaksud, gurumuda tetap menggunakan ilustrasi benda 1 dan benda 2.

Misalnya benda 1 memiliki emisivitas e, suhu T1 dan luas permukaannya A. Laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak T1, emisivitas e dan luas permukaan A. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

radiasi-3Agar perpindahan kalor bisa terjadi maka harus terdapat perbedaan suhu. Karenanya suhu benda 1 berbeda dengan suhu benda 2. Benda 2 memiliki suhu T2. Laju kalor yang dipancarkan benda 2 sebanding dengan pangkat empat suhu T2. Karena kalor yang dipancarkan benda 2 diserap oleh benda 1, maka laju kalor yang diserap benda 1 juga sebanding dengan pangkat empat suhu T2.

Karena terdapat kalor yang dipancarkan dan kalor yang diserap oleh benda 1, maka laju total kalor yang dipancarkan oleh benda 1 adalah :

radiasi-4Ini persamaan yang kita cari. Persamaan ini digunakan untuk menentukan laju total kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Yang dimaksudkan dengan laju total kalor adalah selisih antara laju kalor yang pancarkan dan laju kalor yang diserap.

Pemancaran dan penyerapan kalor dengan cara radiasi akan terhenti jika kedua benda tersebut berada dalam keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Jadi apabila T1 = T2, maka Q/t = 0.

Apabila kalor yang dipancarkan benda 1 lebih banyak daripada kalor yang diserapnya, maka suhu benda 1 menurun sedangkan suhu benda 2 meningkat. Suhu benda 2 meningkat karena benda 2 menyerap kalor yang dipancarkan benda 1. Sebaliknya, jika kalor yang diserap benda 1 lebih banyak daripada kalor yang dipancarkannya maka suhu benda 1 meningkat sedangkan suhu benda 2 menurun.

Contoh soal 1 :

Sebuah benda berbentuk kubus dengan panjang salah satu sisi kubus = 2 meter. Suhu benda = 100 oC dan emisivitas benda = 0,2. Tentukan laju kalor yang dipancarkan benda setiap detik…

Panduan Jawaban :

Suhu benda (T) = 100 oC + 273,15 = 373,15 K (suhu benda harus diubah ke dalam skala Kelvin)

Emisivitas (e) = 0,2 (emisivitas tidak punya satuan)

Luas benda (A) = sisi x sisi = 2 m x 2 m = 4 m2

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4

Sekarang kita oprek laju aliran kalor yang dipancarkan benda

radiasi-5

Watt = Joule/sekon = J/s (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

1 Watt = 1 Joule/sekon

879,5 Watt = 879,5 Joule/sekon

Benda memancarkan 879,5 Joule per detik.

Contoh soal 2 :

Seorang anak yang lagi bugil alias tidak berpakaian sedang berada dalam sebuah kamar. Luas permukaan tubuh anak tersebut = 2 m2, suhu kulitnya = 30 oC dan emisivitasnya = 0,8. Jika suhu kamar = 20 oC, berapakah laju kalor yang hilang setiap detik dari tubuh si anak ?

Panduan Jawaban :

Suhu anak (T1) = 30 oC + 273,15 = 303,15 K

Suhu kamar (T2) = 20 oC + 273,15 = 293,15 K

Emisivitas (e) = 0,8

Luas tubuh (A) = 2 m2

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4

Ok, tancap gas….

radiasi-6

96,16 Watt = 96,16 Joule/sekon

Laju kalor yang lenyap dari tubuh si anak adalah 96,16 Joule per detik.

Laju kalor yang dipancarkan matahari (Laju radiasi matahari)

Sejak pagi sampai sore, kita selalu kebanjiran kalor dari matahari. Saking baik hatinya matahari, kalor yang disumbangkan kepada kita kadang overdosis sehingga tubuh kita kepanasan. Apalagi orang yang kulitnya agak hitam seperti gurumuda. Wah, kalau siang rasanya dingin sekali… Ok, kembali ke laptop. Seperti biasa, untuk menghitung laju perpindahan kalor dari matahari, tentu saja kita membutuhkan bantuan rumus. Rumus lagi, rumus lagi…. pusink dah ;)

Berdasarkan hasil perhitungan (sesuai dengan kenyataan), ditemukan bahwa terdapat kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi yang mengungsi dari matahari menuju planet bumi di mana dirimu dan diriku berada. Pada hari yang cerah (tidak ada awan), terdapat kalor sebesar 1000 Joule per sekon per meter persegi yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Pada hari yang tidak cerah (banyak awannya), sekitar 70 % kalor diserap oleh atmosfir bumi. Rakus juga ya si atmosfir… Jadi hanya 30 % kalor yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Besarnya kalor yang lenyap di atmosfir bumi tergantung pada banyak atau sedikitnya awan yang menggelayut manja di langit.

Jumlah kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi dikenal dengan julukan konstanta matahari. Karena Joule per sekon (J/s) = Watt, maka kita bisa menulis kembali konstanta matahari menjadi 1350 Watt per meter persegi = 1350 W/m2

Ketika kalor yang dipancarkan oleh matahari tiba di permukaan bumi, kalor tersebut diserap oleh benda hidup ;) dan benda mati yang berada di permukaan bumi. Laju penyerapan kalor bergantung pada emisivitas (e) benda tersebut, luas permukaan benda dan sudut yang dibentuk oleh sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan benda. Untuk memudahkan pemahamanmu, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

radiasi-7

Secara matematis, laju penyerapan kalor bisa ditulis sebagai berikut :

radiasi-8

Keterangan :

radiasi-9

Pada siang hari, sinar matahari sejajar atau berhimpit dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi (Sudut yang dibentuk = 0). Amati gambar di bawah…

radiasi-11

Karena sudut yang dibentuk = 0o, maka laju penyerapan kalor adalah :

radiasi-111

Laju penyerapan kalor (Q/t) bernilai maksimum jika sudut yang dibentuk sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi = 0o (cos 0 = 1). Biasanya ini terjadi pada siang hari, di mana matahari kesayangan kita tepat berada di atas kepala. Jadi tidak perlu heran kalau siang hari rasanya panas sekali.

Pada pagi hari dan sore hari, sudut yang terbentuk mendekati 90o. Amati gambar di bawah…

radiasi-12

Besar sudut yang mendekati 90o bisa saja 70o, 75o, 80o, 85o dll. Berdasarkan gambar di atas, sudut yang terbentuk sekitar 80o (Ini cuma perkiraan kasar saja). Seandainya sudut yang terbentuk adalah 80o, maka laju penyerapan kalor adalah :

radiasi-13

Laju kalor (Q/t) pada pagi hari dan sore hari bernilai minimum karena cos teta mendekati nol. Semakin kecil cos teta, semakin kecil laju penyerapan kalor (Q/t). Hal ini yang menjadi alasan mengapa pada pagi hari atau sore hari kita tidak merasa panas.

Pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur, sudut yang terbentuk = 90o. Amati gambar di bawah…

radiasi-14

Karena sudut yang dibentuk = 90o, maka laju penyerapan kalor adalah :

radiasi-15

Laju penyerapan kalor (Q/t) pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur = 0. Jadi tidak ada kalor yang disedot. Ya iyalah, sinar matahari saja tidak ada. Mau disedot apanya…. Pada siang hari matahari baik hati sekali ya, tapi kalau menjelang malam matahari berubah menjadi sangat pelit ;) Kayanya perlu dikasih pelajaran tuh

Penerapan radiasi

Salah satu penerapan perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah termografi. Alatnya dinamakan termograf. Termograf biasa digunakan untuk mendeteksi tumor, kanker dkk. Jalan ceritanya seperti ini… Biasanya proses metabolisme pada bagian tubuh yang ada tumor atau kanker cukup tinggi. Karenanya suhu bagian tubuh tersebut lebih tinggi. Ingat ya, semakin tinggi suhu, semakin banyak kalor yang dipancarkan alias diradiasikan. Nah, tugas si termograf adalah menscan alias mengukur besarnya kalor yang diradiasikan oleh semua bagian tubuh. Bagian tubuh yang memancarkan kalor paling banyak tentu saja pantas dicurigai… Selanjutnya harus dimata-matai, jika sangat membahayakan sebaiknya dipotong ;)

Konsep2nya sudah gurumuda jelaskan. Keanehan yang diulas pada bagian pengantar dijawab sendiri ya… Masukan saja melalui kolom komentar. Nanti baru kita bahas bareng2. Jika ada salah kata, salah mata atau salah malah, sehingga dirimu bingung 7 keliling, mohon jangan dimaafkan ya. Tanyakan saja melalui kolom komentar.

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Februari 4, 2011 Posted by | Materi Fisika | | 1 Komentar