Standar Kompetensi 7. Menerapkan konsep suhu dan kalor

Kompetensi Dasar 7. 1 Menguasai konsep suhu dan kalor 7. 2 Menguasai pengaruh kalor terhadap zat 7. 3 Mengukur suhu dan kalor 7. 4 Menghitung kalor 8. 1 Menguasai hukum fluida statis 8. 2 Menguasai hukum fluida dinamis 8. 3 Menghitung fluida statis 8. 4 Menghitung fluida dinamis 9. 1 Menguasai hukum Termodinamika 9. 2 Menggunakan hukum Termodinamika dalam perhitungan 10. 1 Menguasai hukum getaran, gelombang, dan bunyi 10. 2 Membedakan getaran, gelombang, dan bunyi 10. 3 Menghitung getaran, gelombang, dan bunyi 11. 1 Menguasai konsep kemagnetan 11. 2 Menguasai hukum magnet dan elektromagnet 11. 3 Menggunakan magnet 11. 4 Menggunakan electromagnet 12. 1 Membedakan konsep cermin dan lensa 12. 2 Menggunakan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya 12. 3 Menggunakan cermin dan lensa

8. Menerapkan konsep fluida

9. Menerapkan hukum Termodinamika 10. Menerapkan getaran, gelombang, dan bunyi 11. Menerapkan konsep magnet dan elektromagnet 12. Menerapkan konsep optik

Suhu dan Kalor

Tujuan: 1) Menguasai konsep suhu dan kalor 2) Menguasai pengaruh kalor terhadap zat 3) Memahami konsep perpindahan kalor dan manfaatnya

Konsep Suhu dan Kalor

Suhu dan Kalor merupakan dua besaran yang saling berkaitan Suhu menunjukkan derajat panas suatu benda. Semakin tinggi suhu suatu benda, maka semakin panas benda tersebut. Satuan suhu mutlak adalah kelvin (K), satuan lainnya adalah: celcius (C), reamur (R), fahrenheit (F).

Kalor adalah energi yang berpindah akibat perubahan suhu. Kalor bergerak dari daerah/benda bersuhu tinggi ke daerah/benda bersuhu rendah. Satuan kalor seperti energi yang lain adalah joule (J)

Pengukuran Suhu

Pengukuran suhu suatu benda dapat menggunakan alat ukur yang disebut termometer. Cara menggunakan termometer adalah dengan menempelkan termometer pada benda tersebut.

Jenis-jenis Termometer

Berdasarkan skala:

Termometer Celcius Termometer Fahrenheit Termometer Reamur Termometer Kelvin dll

Berdasarkan penggunaan:

Termometer ruangan Termometer cuaca Termometer bumi/tanah Termometer badan dll

Perbandingan Skala Termometer

Termometer Celcius, air membeku pada 0 C dan mendidih pada 100 C Termometer Reamur, air membeku pada 0 R dan mendidih pada 80 R Termometer Fahrenheit, air membeku pada 32 F dan mendidih pada 212 F Termometer Kelvin, air membeku pada 273 K dan mendidih pada 373 K

Perbandingan Skala Termometer

Skala

Celcius

Reamur

Fahrenheit

Kelvin

Titik Beku

0 C

0 R

32 F

273 K

Titik Didih

100 C

80 R

212 F

373 K

Konversi Suhu

Perbandingan antara satu jenis termometer dengan termometer lainnya mengikuti persamaan berikut:

C:R:(F-32) = 5:4:9 dan K=C + 273 C = skala celcius R = skala reamur F = skala fahrenheit K = skala kelvin

Ket:

Cara KonversiCelciusReamur ReamurKelvin C 5 ( K273)4 = R= R 4 5 R5 R5 C= K =( )+ 273 4 4 C4 Fahrenheit Kelvin R= 5 ( K 273)9 F= +32 5 CelciusKelvin K =C273 ( F32)5 K= +273 C=K 273 9CelciusFahrenheit C : (F32)=5: 9 ( F32)5 C= 9 C9 F= +32 5 ReamurFahrenheit R :( F32)=4 :9 (F 32)4 R= 9 R9 F= +32 4

(

)

Contoh Soal

Suatu ruangan memiliki suhu dengan skala 10 C. Berapakah nilai suhu tersebut pada:

Skala kelvin Skala reamur Skala fahrenheit

JawabDik. C=10 Dit. K , R , F0

Rumus: C : R : F32=5: 4 : 9 K =C273 Peny. K =C273 K =10273 K =283 K

C 5 = R 4 R 4 = C 5 C4 R= 5 104 R= 5 40 R= 5 0 R=8 R

C 5 = F32 9 F32 9 = C 5 C9 F32= 5 109 F32= 5 F32=18 F=18+ 32 0 F=50 F

Latihan Soal

Diketahui suhu 120 C. Hitunglah suhu tersebut dalam:

Diketahui suhu 423 K. Hitunglah suhu tersebut dalam:

Kelvin Reamur Fahrenheit

Celcius Reamur Fahrenheit

Diketahui suhu 40 R. Hitunglah suhu tersebut dalam:

Diketahui suhu 482 F. Hitunglah suhu tersebut dalam:

Celcius Kelvin Fahrenheit

Celcius Reamur Kelvin

Pengaruh Kalor Terhadap Benda

Mengubah suhu benda (menaikkan atau menurunkan suhu benda) Mengubah ukuran dimensi benda (menambah atau menyusutkan ukuran dimensi benda) Mengubah fasa benda

Kalor

Kuantitas atau jumlah banyaknya panas (kalor) dalam suatu zat dilambangkan dengan Q. Dan perubahan kalor adalah Q yang berkaitan dengan perubahan suhu T.

Q adalah selisih antara jumlah kalor akhir dengan jumlah kalor mula-mula. T adalah selisih antara besar suhu akhir dengan suhu mula-mula

Besar Q adalah kalor yang diperlukan untuk meningkatkan suhu benda dari T1 menjadi T2

Q berbanding lurus dengan:

Massa benda m; semakin besar massa benda yang akan dipanaskan, maka semakin besar pula Q yang diperlukan. Jenis benda atau sifat alami benda (kalor jenis benda)

Q=m c TQ= perubahan kuantitas kalor (J) m = massa benda (kg) c = kalor jenis benda (J/kgC atau J/kg K) T= perubahan suhu benda (C atau K)

Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor

Kalor jenis (c) adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan 1 C dalam setiap 1 kg massa. Kapasitas kalor (C) adalah besar kalor yang diperlukan untuk meningkatkan suhu zat tanpa memperhatikan massa zat.

Q=C TQ= perubahan kuantitas kalor (J) C = kapasitas kalor (J/C atau J/K) T= perubahan suhu benda (C atau K)

Contoh Harga Kalor JenisBahan Aluminium Berilium Tembaga Etanol Es Kalor Jenis (J/kgC) 910 1970 390 2428 2100 Besi Batu kapur (CaCO3) Raksa (Hg) Perak Air Bahan Kalor Jenis (J/kgC) 470 879 138 234 4200

Contoh Soal

Berapakah besar kalor yang diperlukan untuk memanaskan 2 kg air dari suhu 32 C menjadi 80 C?

Peny. Dik. Q=mc air T m=2 kg 0 3 T 1=32 C=32273=305 K =2 kg4.210 J / kg K48 K 0 =403.2103 J T 2=80 C =80273=353 K 2 3 =4.03210 10 J T =T 2 T 1 =353 K 305 K =48 K 5 3 =4.03210 J c air =4200 J /kg K=4.210 J /kg K Dit.Q=...?

Latihan Soal

Berapakah besar kalor yang diperlukan untuk memanaskan 4 kg air dari 20 R menjadi 40 R? Sebanyak 38.220 kalori diberikan pada 1 kg aluminium bersuhu 10 C. Hitunglah suhu akhir aluminium tersebut. Petunjuk: 1 kal = 4,2 J Kompor listrik berdaya 1.200 W digunakan untuk memanaskan air 2 kg air di suhu 27 C menjadi 100 C. Hitunglah lama waktu yang dibutuhkan. Petunjuk: energi listrik = daya listrik waktu

TipsQ=m c T Q=m c (T 2T 1) Q =T 2 T 1 mc Q T 2= +T 1 mc

ReamurKelvin ( K273)4 R= 5 R5 K =( )+ 273 4

( )

E=Pt Q=m c T E=Q Pt=m c T mc T t= P

Pengaruh Kalor Terhadap Dimensi Zat

Ekspansi Linier Ekspansi Luas Ekspansi Volume

Ekspansi atau pemuaian atau pertambahan ukuran dimensi benda terjadi ketika kalor masuk pada benda atau jumlah kalor pada benda tersebut bertambah. Lawan dari pemuaian adalah penyusutan. Penyusutan ukuran dimensi benda terjadi ketika kalor keluar dari benda atau jumlah kalor pada benda tersebut berkurang.

Ekspansi LinierLt L0 L

L t =L 0 + L L=L 0 T L t =L 0 +( L 0 T ) L t =L 0 (1+ T )

Q

Ket. L0 = panjang awal (m) L = pertambahan panjang (m) Lt = panjang akhir (m) T = perubahan suhu (K) = koefisien muai panjang bahan (K-1)

Tabel Beberapa Koefisien Muai Panjang Bahan ()Bahan Aluminium Kuningan Tembaga Kaca Invar (besi campur nikel) Kuarsa (dilebur) Baja (K-1) 2,4 10-5 2,0 10-5 1,7 10-5 0,4 10-5 s/d 0,9 10-5 0,09 10-5 0,04 10-5 1,2 10-5

Ekspansi LuasA

At =A 0 + A A= A0 TAt =A 0 +( A 0 T ) At =A 0 (1+ T )

A0 Q

Q

Ket. A0 = luas awal (m2) A = pertambahan luas (m2) At = luas akhir (m2) T = perubahan suhu (K) = koefisien muai luas bahan (K-1)

Ekspansi VolumeV t =V 0 + V V =V 0 TV

At =A 0 +( A 0 T ) At =A 0 (1+ T )

V0 Q Q Q

Ket. V0 = volume awal (m3) V = pertambahan volume (m3) Vt = volume akhir (m3) V = perubahan suhu (K) = koefisien muai volume bahan (K-1)

Perbandingan Nilai , dan =2 =3

Misalnya untuk aluminium, = 2,4 10-5 K-1 Nilai = 2 2,4 10-5 K-1 = 4,8 10-5 K-1 Nilai = 3 2,4 10-5 K-1 = 7,2 10-5 K-1

Tips

Bila suhu akhir T1 lebih tinggi dari suhu awal T2 atau T bernilai positif, maka terjadi pemuaian. Bila suhu akhir T1 lebih rendah dari suhu awal T2 atau T bernilai negatif, maka terjadi penyusutan.

Perpindahan Kalor

Konduksi Konveksi Radiasi

KonduksiQ H= T T H=kA LKet. H = arus kalor (J/s) k = konduktivitas termal bahan (W/mK) A = luas penampang aliran (m2) T = selisih/perbedaan suhu (K) L = panjang penghantar (m)

Q T1 L T2

Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor dengan cara menempelkan langsung antara dua medium yang berbeda temperatur.

Tabel Konduktivitas Termal BendaJenis Bahan Aluminium Kuningan Tembaga Logam Timbal Raksa Perak Baja Konduktivitas Termal k (W/mK) 205,0 109,0 385,0 34,7 8,3 406,0 50,2

Tabel Konduktivitas Termal BendaJenis Bahan Bata isolasi Bata merah Beton Nonlogam Kaca Es Batu Kayu Konduktivitas Termal k (W/mK) 0,15 0,6 0,8 0,8 1,6 0,04 0,12 s/d 0,04

Tabel Konduktivitas Termal BendaJenis Udara Argon Gas Helium Hidrogen Oksigen Bahan Konduktivitas Termal k (W/mK) 0,024 0,016 0,14 0,14 0,023

KonveksiPerpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor melalui aliran massa suatu medium perantara.

Q H= T H=hA TKet. H = arus kalor (J/s) h = koefisien konveksi bahan (W/m2K) A = luas penampang aliran (m2) T = selisih/perbedaan suhu (K)

RadiasiGelombang Elektromagnet

Radiasi merupakan perpindahan kalor oleh gelombang elektromagnet, seperti cahaya tampak, inframerah dan ultraviolet.

Tips

Konduksi dan konveksi sama-sama memerlukan medium, sedangkan radiasi tidak perlu medium. Massa medium pada peristiwa konduksi tidak berpindah, sedangkan pada konveksi massa medium berpindah saat menghantarkan kalor.

Kalor Laten

Selain mengubah besar suhu dan mengubah dimensi/ukuran benda, kalor juga dapat mengubah fase benda. Kalor laten merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk mengubah fase sebanyak m kilogram.

Q=mLKet. Q = besar kalor yang dibutuhkan (J) m = massa benda (kg) L = kalor laten zat (J/kg)

Contoh Harga Kalor Laten PeleburanBahan Oksigen Etil Alkohol Es Sulfur Timbal Kalor Jenis (J/kg) 1,38 104 1,04 105 3,33 105 3,81 104 2,45 104 Bahan Aluminium Perak Emas Tembaga Kalor Jenis (J/kg) 3,97 105 8,82 104 6,44 104 1,34 105

Contoh Harga Kalor Laten PenguapanBahan Oksigen Etil Alkohol Air Sulfur Timbal Kalor Jenis (J/kg) 2,13 105 8,54 105 2,26 106 3,26 105 8,70 105 Bahan Aluminium Perak Emas Tembaga Kalor Jenis (J/kg) 1,14 107 2,33 106 1,58 106 5,06 106

Grafik Pengaruh Perubahan FaseT fase padat fase cair fase gas

titik embun

perubahan suhu

perubahan fase (cair-gas) titik lebur

titik didih

titik beku

perubahan suhu

perubahan fase (padat-cair)

perubahan suhu

Tips

Kalor laten (L) digunakan untuk perubahan fase, sedangkan kalor jenis (c) digunakan untuk perubahan suhu. Kalor laten peleburan digunakan pada peristiwa perubahan fase antara fase padat dan fase cair. Kalor laten penguapan digunakan pada peristiwa perubahan fase antara fase gas dan fase cair.

Contoh Soal

Hitunglah besar energi kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan -5 C es bermassa 100 g menjadi air bersuhu 10 C!Dik. T 1=5 o C T 2 =0 o C (titik beku air ) T 3=10 o C m=100 g =0,1 kg o c es =2100 J /kg C o c air =4200 J /kg C 5 L es =3,3310 J /kg

T 12=T 2T 1 o o T 12=0 C (5 C ) o T 12=5 C T 23=T 3T 2 o o T 23=10 C 0 C T 23=10 o C

Jawabanes air T3 = 10 C

Q1 = energi kalor pada perubahan suhu T1 ke T2

Q1=mesc es T 12Q2 = energi kalor pada perubahan fase es ke air

T2 = 0 C T2 = 0 C Q2

Q3

Q1=mesL esQ3 = energi kalor pada perubahan suhu T2 ke T3

Q1

Q1=mesc air T 23T1 = -5 C

Qt = energi kalor total

Qt = Q 1+ Q 2 + Q 3

Q1=mesc es T 12 Q1=0,1 kg 2100 J /kg C5 C Q1=1050 J Q2 =mesLes 5 Q2 =0,1 kg 3,3310 J /kg Q1=33300 J Q3 =mesc air T 23 Q3 =0,1 kg 4200 J / kg C10 C Q3 =4200 J Qt = Q 1+ Q 2 + Q 3 Qt =1050 J + 33300 J + 4200 J Qt =38550 J

Latihan Soal

Hitunglah besar energi kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan -5 C es bermassa 100 g menjadi air bersuhu 10 C!

Asas Black

Dua benda yang berbeda suhu dan saling bersentuhan, langsung atau tidak langsung, maka akan terjadi perpindahan kalor antara dua benda tersebut, dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor akan terhenti saat terjadi kesetimbangan kalor. Kesetimbangan kalor adalah kondisi dimana dua benda yang bersentuhan, langsung atau tidak langsung, memiliki jumlah kalor yang sama. Jumlah kalor benda yang menerima kalor sama dengan jumlah kalor benda yang melepas kalor

Q terima=Qlepas

Contoh Soal

Sebuah besi bermassa 2 kg bersuhu 20 C dicelupkan ke air bermassa 100 gram bersuhu 80 C. Hitunglah suhu akhir keduanya!Dik. T 1=20 C (suhu terendah) T 2 =80 C (suhu tertinggi ) m besi =2 kg m air =100 g =0,1 kg c besi =470 J /kg C c air =4200 J / kg C

T 1=T T 1 o T 1=T (20 C ) T 2 =T 2 T o T 2 =80 CT

PenyelesaianQ1 = energi kalor pada perubahan suhu T1 ke TT2 = 80 C

Q1=mesc es T 12

air

Q2

Q2 = energi kalor pada perubahan suhu T2 ke T

T

Q2 =mesc air T 23Asas Black

besi

Q1

Q1= Q2

T1 = 20 C

Q1=mbesic besi T 1 Q1=2 kg470 J / kg C ( T 20 C ) Q1=940 J / C (T 20 C ) Q1=(940 J / C)T 18800 J Q2 =mairc air T 2 Q2 =0,1 kg 4200 J /kg C (80 CT ) Q2 =420 J /C(80 C T ) Q2 =33600 J (420 J /C ) T Q 1= Q 2 (940 J /C )T 18800 J =33600 J (420 J / C )T (940 J /C )T +(420 J / C) T =33600 J +18800 J (1360 J / C )T =52400 J 52400 J T= 1360 J / C T =38,529411765 C T =38,53 C

Latihan Soal

Sebuah es bermassa 1 kg pada suhu 0C dimasukkan dalam 2 kg air bersuhu dalam wadah bersuhu 50 C. Hitunglah besar suhu setelah dicampurkan. Sebuah es bermassa 1 kg pada suhu -5 C dimasukkan dalam 4 kg air bersuhu dalam wadah bersuhu 80 C. Hitunglah besar suhu setelah dicampurkan.

Tips

Membuat grafik akan mempermudah dalam menyelesaikan soal-soal mengenai perpindahan kalor antar benda. Grafik dibuat dari titik terendah ke titik tertinggi dan dari fase paling kiri ke fase paling kanan. Urutan fase dari kiri ke kanan: padat cair gas Titik terendah adalah suhu terendah dari fase paling kiri yang diketahui. Titik tertinggi adalah suhu tertinggi dari fase paling kanan yang diketahui.

Soal Kompetensi

Sebuah kompor listrik berdaya 200 W digunakan untuk memanaskan 8 kg besi sepanjang 40 cm dari suhu 20 R menjadi 88 R. Kemudian besi tersebut dimasukkan dalam setumpuk es bermassa 100 gram bersuhu -16 R. Carilah:

Waktu yang diperlukan untuk memanaskan besi dengan mengunakan kompor listrik. Panjang besi ketika dipanaskan. Suhu akhir ketika mencapai kesetimbangan kalor. Panjang besi ketika dimasukkan dalam es. Besar kalor yang dimiliki kedua zat ketika mencapai kesetimbangan kalor.

Selamat Belajar...!