Transcript suhu-dan-kalor (1)

SUHU DAN KALOR
FISIKA KELAS X SEM. 2
OLEH:
YUYUN WAHYUNI R,S.SI
SMK 3 KOTA BIMA
Standar Kompetensi:
4. Menerapkan konsep kalor dan prinsip
konservasi energi pada berbagai perubahan
energi
Kompetensi dasar:
4.1 Menganalisis pengaruh kalor terhadap suatu zat
4.2 Menganalisis cara perpindahan kalor
Indikator:
• Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan
suhu benda
• Menganalisis pengaruh perubahan suhu benda
terhadap ukuran benda (pemuaian)
• Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan
wujud benda
• Menganalisis perpindahan kalor dengan cara
konduksi
• Menganalisis perpindahan kalor dengan cara
konveksi
• Menganalisis perpindahan kalor dengan cara
radiasi
SUHU/TEMPERATUR
SUHU
Suhu didefinisikan sebagai derajat panas dinginnya suatu benda. Alat
untuk mengukur suhu adalah termometer, termometer ini memiliki sifat
termometrik zat yang berubah jika dipanaskan. Jenis dan paparan
skala pada termometer ada beberapa macam, coba sebutkan?. Pada
prinsipnya semua termometer mempunyai acuan yang sama dalam
menetapkan skala, titik lebur es murni dipakai sebagai titik tetap
bawah, sedangkan suhu uap diatas air yang sedang mendidih pada
tekanan 1 atm sebagai titik tetap atas. Termometer Celcius menandai
titik tetap bawah dengan angka 0 oC dan titik tetap atas dengan 100 oC,
jarak antara kedua titik tetap dibagi atas 100 skala dan tiap bagian adalah
1 oC. Termometer Reamur menggunakan skala dari 0 oR sampai dengan
80 oR. Pada Termometer Fahrenheit titik lebur es diberi angka 32 oF dan
titik didih air diberi angka 212 oF sehingga memiliki range 180 skala.
Sedangkan skala Kelvin yang disepakati sebagai satuan Internasional
memiliki skala dari 273 Ksampai dengan 373 K. Maka tiap-tiap termometer
dapat dikalibrasi skalanya dengan termometer lainnya.
SKALA SUHU
Gambar 1:
Perbandingan skala Celcius(C), Kelvin(K), Fahrenheit(F), dan Reamur(R).
100 --
d
C-- l
c
0 --
373--
K --
212--
g
k
273--
F--
80--
s
f
32--
titik tetap atas(tta)
R-r
0--
titik tetap bawah(ttb)
LKS 1:
1. Dari gambar diatas, isilah tabel di bawah ini.
Termometer
C
K
F
R
Titik lebur es Titik didih air
( ttb )
( tta )
...
...
…
…
...
...
…
…
Pembagian
skala
( tta – ttb )
...
...
…
…
2. Berdasarkan tabel diatas, maka:
0°C = … K
= … °F
= … °R
3. Menentukan hubungan antara C, K, F,
dan R.
a. Hubungan antara C dengan K.
c
k

d
...
C= …
atau
atau
C 0
K  273

100  0
...
sehingga
K= ….
4. Tentukan hubungan antara dua skala suhu yang lain
PERCOB. JOULE
KALOR
• Kalor atau bahang adalah salah satu bentuk energi yang mengalir
karena adanya perbedaan suhu dan atau karena adanya usaha
atau kerja yang dilakukan pada sistem.
• Kalor mempunyai satuan kalori, satu kalori didefinisikan sebagai
kalor yang dibutuhkan 1 gram air untuk menaikkan suhunya 1OC.
Dalam sistem SI satuan kalor adalah Joule. Satu kalori setara
dengan 4,18 joule.
• Kalor jenis (c) adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu
setiap 1kg massa benda dan setiap 1 °C kenaikan suhu.
• Kapasitas kalor ( C ) adalah banyaknya kalor yang digunakan untuk
menaikkan suhu benda setiap 1 °C.
Dari kenyataan bahwa:
• Kalor yang diberikan pada benda sebanding dengan kenaikan suhu.
• Kalor yang diberikan pada benda menaikkan suhu sebanding
massa benda.
• Kalor yang diberikan pada benda menaikkan suhu tergantung jenis
benda.
Maka kalor (Q) secara matematis dinyatakan:
• Q = ……….
• Apa satuan dan dimensi dari kalor jenis ?
• Apa satuan dan dimensi dari kapasitas kalor ?
PERUBAHAN WUJUD ZAT
• Kita kenal ada tiga wujud zat, yaitu padat, cair, dan gas. Pada
umumnya semua zat pada suhu dan tekanan tertentu dapat
berubah dari satu wujud ke wujud yang lain. Misalkan H20 pada
wujud padat berupa es, dalam wujud cair berupa air, dan dalam
wujud gas berupa uap.
• Jumlah kalor yang diperlukan/dilepaskan saat perubahan wujud
(suhu tetap) dinyatakan dengan formula:
Q=m.L
• Q=jumlah kalor, satuannya joule.
• m=massa zat, satuannya kg.
• L=kalor laten (kalor lebur, kalor beku, kalor uap, dan kalor embun)
satuannya joule/kg.
ASAS BLACK
• Jika ada dua macam zat yang berbeda suhunya dicampurkan atau
disentuhkan, maka zat yang suhunya lebih tinggi akan melepas
kalor yang sama banyaknya dengan kalor yang diserap oleh zat
yang suhunya lebih rendah.
• Q lepas = Q serap
• Kekekalan energi pada pertukaran kalor seperti persamaan diatas
pertama kali dikemukakan oleh Black seorang ilmuwan Inggris.
Contoh Soal
1.
0,5 kg besi dinaikkan suhunya 30OC diperlukan kalor
6750 joule, tentukan:
a. kapasitas kalor
b. kalor jenis
c. kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu
sebesar 40OC
Penyelesaian:
M= 0,5 kg
ΔT= 30 OC
Q= 6759 j
Q
6750 j
0
a. C=


225
j
/
C
0
T
30 C
b.
C 225
c 
 450 j / kg.O C
m 0,5
c. Q=m.c.ΔT
=0,5 kg.450 j/kg.OC.40oC
= 9.000 j
2. Seratus gram air dengan suhu 30OC
dicampur dengan 50 gram air bersuhu
80OC, tentukan suhu campurannya! (kalor
jenis air-1 kal/gr.OC)
Penyelesaian
Air panas
t2= 80OC ;m2= 50 gr
Qdiserap=Qdilepas
Q1=Q2
m1.c1.ΔT1=m2.c2.ΔT2
t
100.1.(t-30) = 50.1.(80-t)
2t-60 = 80-t
3t = 140
Air dingin
t1=
30OC
;m1= 100 gr
t = 46,7 OC
Soal Latihan
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Untuk mengerjakan soal perhatikan konstanta berikut;
kalor lebur es 80 kal/gr; kalor jenis air.1 kal/gr°C; panas
jenis es..0,5 kal/gr °C; kalor uap air.540 kal/gr.
Untuk menaikkan suhu aluminium yang mempunyai
massa 200 gram dari 298 K menjadi 348 K diperlukan
kalor 8400 joule. Tentukan kalor jenis aluminium ….
J.kgKalor lebur suatu zat 80kal/gr, maka kalor yang
diperlukan untuk melebur 2 kg zat tersebut adalah….
Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 10 gr es
pada 0 °C menjadi air yang suhunya 20 °C!
Berapa kalori yang dibutuhkan untuk menaikkan 10 gr es
yang suhunya -5 °C menjadi uap yang suhunya 100 °C.
10 Kg air yang suhunya 80 °C dicampur dengan 5 kg air
yang suhunya 20 °C . Suhu akhir campuran adalah….
100 gr es pada suhu 0 °C dicampur dengan 200 gr air
pada suhu 50 °C . Jika suhu akhir campuran 10 °C ,
tentukan kalor lebur es?
PEMUAIAN ZAT PADAT
1. PEMUAIAN PANJANG
Dari gambar di samping, diperoleh
lo
a. lt = …
atau Δl = ….
b. Koefisien muai panjang(α) suatu
bahan adalah perbandingan
antara pertambahan panjang(Δl)
lt
terhadap panjang mula-mula(lо)
persatuan kenaikan suhu(Δt). l = initial length
o
Secara matematis dinyatakan:
lt = panjang pada suhu t
α = … atau Δl = … ,
sehingga
lt = ……………… Δl = the length increases
Δl
to = suhu awal
c.
Apa satuan
dimensinya.
α
dan
tuliskan t = suhu akhir
α = coefficient of linier expansion
2. Pemuaian Luas.
Darigambar di samping, diperoleh
a. At= … atau ΔA = ….
b. Koefisien muai luas(β) suatu
bahan adalah perbandingan
antara pertambahan luas (ΔA)
terhadap luas mula-mula (Aо)
persatuan kenaikan suhu(Δt).
Secara matematis dinyatakan:
β = … atau ΔA = … ,
sehingga At= ………………
c. Apa satuan β dan tuliskan
dimensinya.
AO
ΔA
Ao = luas mula-mula
At = luas pada suhu t
ΔA = pertambahan luas
to = suhu awal
t = suhu akhir
3. Pemuaian Volume
Dari gambar di samping, diperoleh
a.
b.
c.
Vt= … atau ΔV = ….
Koefisien muai volume(  )
suatu
bahan
adalah
perbandingan
antara
pertambahan
volume(ΔV)
terhadap
volume
mulamula(Vо)
persatuan
kenaikan suhu(Δt). Secara
matematis dinyatakan:
 = … atau ΔV = … ,
sehingga Vt= ………………
Apa satuan  dan tuliskan
dimensinya.
VO
Vt
ΔV
Vo = volume mula-mula
Vt = volume pada suhu t
ΔV = pertambahan volume
to = suhu awal
t = suhu akhir
4. Hubungan antara α , β , dan 
Persegi mula-mula mempunyai
panjang sisi 1m, dipanaskan
sampai suhunya naik 1 K.
Akibat pemanasan sisi persegi
bertambah menjadi
( 1 + α ), maka:
• Luas mula-mula, Ao = 1 m²
• Luas akhir, At = ( 1 + α )² = ….
• selisih luas, ΔA = At – Ao = ….
• sehingga koefisien luas (β) = …..
• karena α sangat kecil maka nilai
α² dapat diabaikan.

• Jadi β = ….. α atau α = … β
• Dengan cara yang sama cari
hubungan α dg 
AO
At
Contoh Soal:Pemuaian Zat Padat
1. Sebatang baja berpenampang kecil yang
panjangnya 20 meter bersuhu 20OC.
Baja mengalami pemanasan sampai
suhu 40OC kemudian didinginkan sampai
suhu -30OC. Berapakah perbedaan thd
pjng awal?.
b. Δl = lO α Δt
Penyelesaian:
= 20 m . 12. 10-6 /OC. (-3020)OC
αbaja= 12. 10-6 /OC
= -12 mm
a. Δl = lO α Δt
= 20 m . 12. 10-6 /OC. (40-20)OC
= 4,8 mm
2. Sebuah plat baja berbentukpersegi dengan
sisi 30 cm bersuhu 20OC. Bila Plat Baja
dipanaskan sampai 130 OC,tentukan luas
baja sekarang?.
Penyelesaian: β=2.α
ΔA = AO β Δt
= 900 cm2 . 24. 10-6 /OC. (130-30)OC
= 2,38 cm2
At = AO+ ΔA
= 900 cm2 + 2,38 cm2
= 902,38 cm2
Cara lain:
(coba dihitung)
At = AO(1+ β Δt)
3. Sebuah kubus baja dengan sisi 10 cm bersuhu
20OC. Bila kubus dipanaskan sampai 80 OC,
tentukan volume baja sekarang?.
Penyelesaian:  = 3.α
ΔV = VO γ Δt
= 1000 cm3 . 36. 10-6 /OC. (80-20)OC
= 21,6 cm3
Vt = VO+ ΔV
= 1000 cm3 + 21,6 cm3
= 1021,6 cm3
Cara lain:
(coba dihitung)
Vt = VO(1+ γ Δt)
PEMUAIAN ZAT CAIR
• Formula:
Vt = VO ( 1 +  Δ t )
Keterangan:
 = koef. Muai volume zat
cair (diket. Dari data
muai volume zat cair)
Penyelesaian:
Diket:
Ditanya: Vt?
VO = 2 liter
Δt = 50OC-20OC= 30OC

= 210. 10-6/OC
Jawab: Vt = VO ( 1 +
 Δt)
= 2 ( 1 + 210.10-6.30 )
= 2 (1,0063)
= 2,0126 liter
Contoh:
Air sebanyak 2 liter bersuhu 20OC dipanaskan
dalam panci hingga suhunya 50OC. Berapa
volume air setelah dipanaskan?(γ=210.10-6/OC)
PEMUAIAN GAS
Contoh:
• Formula:
Vt = VO ( 1 +  Δ t )
Keterangan:
 = koef. Muai volume gas
= 1/273
T = suhu harus dlm Kelvin
Maka formula dapat dalam
bentuk:
V1 V2

T1 T2
Gas sebanyak 2 liter bersuhu 27OC.
Berapa volume gas setelah
dipanaskan hingga suhunya 77OC?
Penyelesaian:
Diket:
Ditanya: V2?
V1 = 2 liter
T1= 27 +273 = 300 K
T2= 77+273= 350 K
Jawab:
V1
V2

T1
T2
2
V2

300 350
V2  2,33liter
Soal Latihan: Pemuaian
1.
2.
3.
4.
5.
Sebatang rel kereta api panjangnya 10 m dan suhu awalnya 30 OC.
Karena gesekan dengan roda kereta api suhu rel menjadi 60 OC. Jika
koefisien muai panjang rel 1,1.10-5/K , tentukan jarak renggang minimal
yang aman pada tiap sambungan agar tidak mengalami pembengkokan
pada suhu 60 OC?
Sebuah batang logam mula-mula mempunyai panjang 1m, setelah
dipanaskan hingga perubahan suhunya 100 K, batang bertambah
panjang 1/5000 m. Koefisien muai panjang batang logam tersebut
adalah….
Sebatang perak suhu awalnya 40 OC dipanaskan sehingga suhunya
naik menjadi 90 OC. Setelah diteliti ternyata batang perak tersebut
bertambah panjang 0,19 mm. Jika koefisien muai panjang perak
19.10-6 /OC.
Berapakah panjang mula-mula batang perak ?
Keping tembaga panjang 10 cm, lebar 10 cm, dan suhunya 20 OC. Bila
koefisien muai panjang tembaga 1,8.10-5/ K. Berapakah luas keping
tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 80 OC?
Suatu balok besi berukuran 4 cm x 10 cm x 5. cm Hitunglah perubahan
volume ketika temperaturnya dinaikkan dari 15 OC ke 65 OC! (koefisien
muai panjang besi 10-5/ OC).
6. Pada suhu 10OC sebuah gelas kaca volumenya 1000 mL
penuh berisi alkohol. Jika gelas dipanaskan sehingga suhu
gelas dan alkohol 50OC. Berapakah alkohol yang tumpah?
(koef. muai panjang gelas kaca = 3.10-6/OC dan koef.
muai alkohol= 10-6/OC).
7. Gas mula-mula mempunyai volume V1. Jika gas
dipanaskan pada tekanan tetap sehingga volumenya
menjadi tiga kali dari semula. Berapakah suhu gas harus
dinaikkan ? (jawaban dalam satuan celcius)
PERAMBATAN KALOR
1.
Konduksi
Perambatan kalor secara konduksi terjadi pada logam yang
dipanaskan. Partikel-partikel logam tidak berpindah, perpindahan
kalornya terjadi secara berantai oleh partikel yang bergetar semakin
cepat pada saat kalor yang masuk logam semakin besar dan getaran
partikel akan memindahkan kalor pada partikel disampingnya,
demikian dan seterusnya. (cari contohnya perambatan kalor dalam
kehidupan sehari-hari, minimal 3 contoh)
Formula:
Q
k.A

(T2  T1 )
t
L
(Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W)
A
= luas penampang (m2)
L
= panjang bahan (m)
K
= kondusivitas bahan (W/m.K)
Δ T = selisih suhu (OC atau K)
2. Konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada
zat cair dan gas. Pada perpindahan kalor ini
bagian yang mendapat kalor partikel-partikelnya
akan berpindah ke suhu yang lebih rendah,
demikian dan seterusnya sehingga terjadi arus
konveksi. (cari contoh perambatan kalor ini dalam kehidupan
sehari-hari, minimal 3 contoh)
Formula:
Q
 h. A.(T2  T1 )
t
(Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W)
A
= luas penampang (m2)
h
= koef. konveksi (W/m2.K)
Δ T = selisih suhu (OC atau K)
3. Radiasi/ Pancaran
Proses perpindahan kalor secara radiasi terjadi dari
benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu
rendah yang terpisah di dalam ruang, bahkan terjadi di
ruang hampa. Jadi perpindahan kalor secara radiasi
tanpa memerlukan medium (zat perantara) dan dalam
perambatannya dalam bentuk gelombang
elektromagnetik. (cari contoh perambatan kalor ini dalam
kehidupan sehari-hari, minimal 3 contoh)
Formula:
(Q/t)= laju perpindahan kalor (J/s=W)
Q
   . A.T 4
t
Q
4
4
  . .(T1  T2 )
t
Satu benda
A
= luas penampang (m2)
σ
= koef. Stefan-Boltzman (W/m2.K4)
= 5,67 x 10-8
Dua benda
T
= suhu permukaan benda (K)
ε
= emisivitas bahan
Contoh Soal Perpindahan Kalor
1. Balok besi berpenampang kecil dengan suhu
kedua ujung dibuat tetap yaitu 500OC dan
100OC. Jika panjang besi 50 cm. Berapakah
laju kalor persatuan luas yang melewati
balok tersebut. (konduksivitas termal besi=
75 W/m.K)
Penyelesaian:
L=50 cm= 0,5 m k= 75 W/m.K
ΔT=400K
Q
k
75
 T 
400  60000W / m 2
t. A L
0,5
2. Udara dengan suhu 30OC bertiup melewati permukaan plat panas dan
kalor yang berasal dari bagian dalam plat. Ukuran plat 2 m x 5 m dan
suhu permukaan plat dijaga tetap sebesar 110OC. Jika koef. Konveksi
di permukaan plat 40 W/m2.K, tentukan: a. jumlah kalor yang
berpindah setiap detik, b. Bila plat terbuat dari alumunium tebal 20
cm, hitung suhu dalam plat tersebut. (k=200 W/m.K)
Penyelesaian:
a. ΔT= 80 K A= 10 m2
h= 40 W/m2.K
Q
= h.A.ΔT
t
= 40.10.80 = 32.000 j/s
b. L= 20 cm=0,2 m k=200 W/m.K
Q
 h. A.(T2  T1 )
t
32.000=200.
10
0,2
T = 111,6OC
(T-110)
3. Sebuah benda sumber panas mempunyai luas
permukaan 10 cm2 dan emisivitasnya 0,4 bersuhu
727OC. Hitung kalor yang dipancarkan benda
selama 1 menit.
Penyelesaian:
A=10 cm2=0,001 m2
T=727+273=1000K
t=60 sekon
ε= 0,4
σ= 5,67.10-8 W/m2.K4
Q?
Q= ε.σ.A.T4.t
= 0,4. 5,67.10-8. 0,001. (1000)4.60
= 136,08 j
Soal Latihan: Perpindahan Kalor
1.
Sebatang logam (k=4,2x10-1kj/s.m.K) memiliki luas
penampang 10-3 m2 dan panjang 2x103 m.Hitunglah
jumlah kalor yang dirambatkan oleh batang logam
selama 4 menit.
2.
Bola memiliki radius 2 cm dan dan emisivitanya 0,8.Jika
bola menyerap energi kalor dari lingkungannya sebesar
4,536 π j/s. Berapakah suhu bola tersebut?
3.
Silinder logam (T1=250OC) dengan diameter 10 cm dan
panjang 20 cm dimasukkan ke dalam bak air sehingga
air mendidih (Ta=100OC). Jika h=500 W/m2.OC,
hitunglah laju perpindahan kalor secara konveksi dari
logam tersebut.