Pada sesi belajar kali ini, kita akan membahas konsep suhu dan kalor. Modul ini tersusun atas bagian utama : Uraian Materi, Contoh soal dan Latihan soal yang disertai kunci jawabannya.
CARA BELAJAR
1. Jangan lupa baca do’a dulu.
2. Sebelum kalian mengerjakan latihan soal, anda pelajari dulu uraian singkat dan contoh-contoh soal, sehingga kalian memiliki modal yang cukup untuk berlatih.
3. Kerjakan latihan soal tanpa melihat kunci jawaban.
4. Evaluasi diri kamu sendiri, dengan melihat kunci jawaban, jika nilai kamu >70 maka anda boleh melanjutkan ke modul yang lain namun jika nilaimu <70 maka ulangi lagi belajarmu sampai nilaimu bagus. OK. Mari kita mulai belajarnya.
TUJUAN PEMBELAJARAN
Setelah kalian mempelajari modul ini, diharapkan kalian dapat :
1. Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan suhu benda.
2. Menganalisis pengaruh perubahan suhu benda terhadap ukuran benda (pemuaian).
3. Menganalisis pengaruh kalor terhadap perubahan wujud benda.
4. Menganalisis perpindahan kalor dengan cara konduksi.
5. Menganalisis perpindahan kalor dengan cara konveksi.
6. Menganalisis perpindahan kalor dengan cara radiasi.
7. Mendeskripsikan perbedaan kalor yang diserap dan kalor yang dilepas.
8. Menerapkan asas Black dalam peristiwa pertukaran kalor.
URAIAN MATERI
SUHU
Suhu merupakan ukuran panas dinginnya suatu benda. Sedangkan termometer adalah alat ukur suhu. Ada empat skala termometer yang perlu kalian ketahui, yaitu termometer Celcius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin. Dengan sifat pemuaian yang digunakan maka kesetaraan skala termometer dapat dilakukan dengan cara membandingkan. Perbandingan tiap skala akan sama. Jika termometer X dan Y digunakan untuk mengukur suhu suatu zat, maka akan berlaku perbandingan sebagai berikut :
Tx - Xb Ty - Yb
---------- = ----------
Xa - Xb Ya - Yb
di mana :
Tx = suhu yang ditunjukan oleh termometer X
Ty = suhu yang ditunjukan oleh termometer Y
Xb = titik tetap bawah termometer X
Xa = titik tetap atas termometer X
Yb = titik tetap bawah termometer X
Ya = titik tetap atas termometer X
PEMUAIAN ZAT
Jika suatu zat baik berupa padat, cair maupun gas dipanaskan maka ukuran zat akan bertambah ke segala arah (baik panjang, luas maupun volum bertambah).
Muai Panjang
Jika suatu zat padat memiliki luas penampang sangat kecil sehingga dapat diabaikan (misal kawat atau jarum), maka zat tersebut dikatakan mengalami pemuaian panjang.
∆l = α.l0.∆T
lt = l0 + ∆l
lt = l0{1 + α.∆T}
∆l = pertambahan panjang (m); l0 = panjang mula-mula (m); lt = panjang setelah pemuaian (m); ∆T=pertambahan suhu (ᵒC), α = koefisien muai panjang ((ᵒC)-1).
Muai Luas
Jika suatu zat padat berbentuk plat tipis dipanaskan, maka zat tersebut dikatakan mengalami pemuaian luas.
∆A = β.A0.∆T
At = A0 + ∆A
At = A0{1 + β.∆T}
∆A = pertambahan luas (m2); A0 = luas mula-mula (m2); At = luas setelah pemuaian (m2); ∆T=pertambahan suhu (ᵒC), β = koefisien muai luas ((ᵒC)-1), di mana β = 2α.
Muai Volum
Jika suatu zat padat, cair maupun gas dipanaskan, maka zat tersebut akan mengalami pemuaian volum.
∆V = ϒ.V0.∆T
Vt = V0 + ∆V
Vt = V0{1 + ϒ.∆T}
∆V = pertambahan luas (m3); V0 = luas mula-mula (m3); Vt = luas setelah pemuaian (m3); ∆V=pertambahan suhu (ᵒC), ϒ = koefisien muai volum ((ᵒC)-1), di mana ϒ = 3α= 3β/2.
Anomali air
Anomali air adalah sifat ketidak teraturan pemuaian air terhadap perubahan suhu. Zat cair umumnya mencapai massa jenis maksimum pada titik bekunya, tetapi air mencapai massa jenis maksimum pada suhu 4ᵒC (bukan pada 0ᵒC). Hal ini dapat terjadi karena pada titik bekunya, antar partikel air memaksimalkan ikatan hidrogennya, sehingga terdapat ruangan-ruangan kosong akibat susunan molekul air membentuk heksagonal. Jika suhu dinaikkan sampai 4ᵒC, volum menyusut akibat rusaknya susunan heksagonal oleh pengaruh suhu menyebabkan sebagian ruangan-ruangan kosong menjadi berkurang akibatnya volum mengecil. Jika suhu dinaikkan lagi, volum berangsung-angsur naik akibat jarak antar partikelnya menjauh (mengalami pemuaian).
Pemuaian gas
1. Pada suhu tetap (isotermal) berlaku : P1.V1 =P2.V2
2. Pada tekanan tetap (isobarik) berlaku: V1.T2 =V2.T1
3. Pada volum tetap (isokhorik) berlaku : P1.T2 = P2.T1
Hukum Boyle-Gay Lussac
(P1.V1)/T1 =(P2.V2)/T2
P1, V1 dan T1 masing-masing adalah tekanan, volum dan suhu awal sedangkan P2, V2 dan T2 masing-masing adalah tekanan, volum dan suhu akhir.
KALOR
Kalor (Q) adalah suatu bentuk energi panas yang merambat dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan suhu. Satuan kalor adalah joule atau kalori.
1 joule = 4,2 J atau 1 J = 0,24 kalori.
Kalor jenis benda (c) adalah banyaknya kalor yang diperlukan tiap 1 gram zat untuk menaikkan suhu 1 ᵒC. Satuan c adalah J/kg.ᵒC
Kapasitas kalor (C) adalah banyaknya kalor yang diperlukan zat untuk menaikkan suhu sebesar 1 ᵒC. Satuan C adalah J/ᵒC atau J/K.
Hubungan kalor, kalor jenis dan kapasitas kalor :
Q = m.c.∆T
Q = C.∆T
C = m.c
PERUBAHAN WUJUD
Jumlah kalor yang diperlukan oleh suatu zat padat untuk melebur dipengaruhi oleh massa zat dan kalor leburnya. Pada peristiwa melebur, suhu tetap sehingga ∆T =0. Kalor lebur zat (L) adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 kg zat padat menjadi zat cair pada titik leburnya.
Secara matematis : Q = m.L
Jumlah kalor yang diperlukan oleh suatu zat cair untuk menguap dipengaruhi oleh massa zat dan kalor uapnya. Pada peristiwa menguap, suhu tetap. Kalor uap zat (U) adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 kg zat cair menjadi uap pada titik didihnya.
Secara matematis : Q = m.U
Hal-hal yang dapat mempercepat penguapan zat cair :
a. Pemanasan
b. Luas permukaan zat
c. Adanya tiupan udara
d. Penurunan tekanan
e. Penyemburan zat cair
Perubahan wujud zat dapat digambarkan dalam bentuk grafik. Misal pada perubahan wujud m kg es menjadi uap, seperti ditunjukkan oleh gambar berikut :
Air dapat mengalami tiga kali perubahan suhu dan dua kali perubahan wujud. Pada saat mencair (Q2) dan menguap (Q4) membutuhkan kalor perubahan wujud Q = m.L. Sedangkan kalor Q1, Q3 dan Q5 merupakan kalor perubahan suhu : Q = m.c.Δt.
Jumlah total kalor yang diserap : Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
AZAS BLACK
Jika dua zat yang suhunya berbeda dicampur, zat yang suhunya lebih tinggi akan melepas kalor yang jumlahnya sama dengan kalor yang diserap oleh zat yang suhunya lebih rendah.
Qlepas = Qserap
m1.c1.(T2-Tx) = m2.c2.(Tx-T1)
PERPINDAHAN KALOR
1. Secara konduksi
Adalah perpindahan kalor yang melalui zat perantara tanpa diikuti partikel-partikel zat tersebut. Jumlah kalor yang berpindah melalui zat tiap sekon disebut laju perpindahan kalor (Q/t).
Q k.A.∆T
---- = -----------
t l
Q k.A.∆T
---- = -----------
t l
Q/t = laju perpindahan kalor (J/s)
k = konduktivitas termal bahan (W/m2K)
A = luas penampang bahan (m2)
∆T = perbedaan suhu ujung-ujung logam (K)
l = panjang atau tebal bahan (m)
Benda yang memiliki kemampuan konduksi yang baik disebut konduktor, sedangkan benda yang memiliki kemampuan konduksi yang jelek disebut isolator.
2. Secara konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat. Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas.
Laju perpindahan kalor secara konveksi :
H = Q/t = h.A.∆T
H =Q/t = laju perpindahan kalor (W atau J/s)
h = koefisien konveksi (W/m2K)
A = luas penampang (m2)
∆T= kenaikan suhu (K)
Contoh perpindahan kalor secara konveksi :
a. Perpindahan kalor pada air saat direbus.
b. Sistem pendingin ruangan
c. Aliran udara dari kipas angin
d. Kulkas
3. Secara radiasi
Perpindahan kalor yang tidak memerlukan zat perantara (medium) disebut radiasi.
Laju pancaran kalor :
H = Q/t = e.σ.A.T4
e = emisivitas bahan (untuk benda hitam sempurna e =1)
σ = tetapan Stefan (5,67 x 10-8 W/m2K4)
A = luas penampang (m2)
T = suhu mutlak (K)
Contoh :
a. Pancaran kalor dari api unggun
b. Pancaran kalor dari lampu
c. Cahaya dari matahari
CONTOH-CONTOH SOAL
1. Suatu termometer A, mengukur suhu es melebur pada 10ᵒA dan mengukur suhu air mendidih pada 130ᵒA. Suhu suatu benda diukur dengan termometer celcius menunjuk angka 50ᵒC. Tentukan suhu benda tersebut jika diukur dengan termometer A.
Diket : Xb = 10ᵒA, Xa = 130ᵒA, Yb = 0ᵒC, Ya = 100ᵒC, Ty = 50ᵒC
Dit : Tx =.....ᵒA
Jawab :
(Tx-Xb)/(Xa-Xb) = (Ty-Yb)/(Ya-Yb)
(Tx-10)/(110-10) = (50-0)/(100-0)
(Tx-10)/100 = 50/100
Tx-10= 50
Tx = 50 + 10 = 60ᵒA
2. Hitung jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah 500 gram es pada suhu -20ᵒC menjadi uap pada suhu 100ᵒC (c es = 0,5 kal/gᵒC, c air = 1 kal/gᵒC, L es = 80 kal/g, U = 540 kal/g).
Diket : T1 = -20ᵒC, T2 = 0ᵒC, T3 = 0ᵒC, T4 = 100ᵒC, T5 = 100ᵒC
Dit : Q total diserap.
Jawab :
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
Q = m.c es.(T2-T1) + m.L es + m.c air.(T4-T3) + m.U
Q = 500.0,5.(0-(-20)) + 500.80 + 500.1.(100-0) + 500.540
Q = 5000 + 40000 + 50000 + 270000
Q = 365000 kal = 365 kkal
3. Untuk mengubah 200 gram zat padat menjadi zat cair pada titik leburnya diperlukan kalor sebesar 45000 J. Tentukan kalor lebur zat tersebut.
Diket : m = 200 g, Q = 45000 J
Dit : L
Jawab :
L = Q/m = (45000 J)/200 g = 225 J/g
4. Sebanyak 400 g es pada 0ᵒC dicampur dengan 800 gram air pada 80ᵒC. tentukan suhu campuran pada keadaan setimbang jika c es = 0,5 kal/gᵒC, c air = 1 kal/gᵒC, L es = 80 kal/g.
Diket : m es = 400 g, m air = 800 g, T1 = 0ᵒC, T2=80ᵒC
Dit : Tx
Jawab :
Q serap = Q lepas
m es.L + m es. c es. (Tx-T1) = m air . c air.(T2-Tx)
400.80 + 400(Tx-0) = 800.1.(80-Tx)
32000 + 400Tx = 64000 – 800Tx
1200Tx = 32000
Tx = 26,7ᵒC
5. Sebanyak 200 g benda pada suhu 100ᵒC dimasukkan ke dalam 400 g air yang suhunya 10ᵒC. jika suhu keseimbangan adalah 50ᵒC, tentukan kalor jenis zat tersebut.
Diket : m bd = 200 g, m air = 400 g, T1 = 10ᵒC, T2=100ᵒC, Tx = 50ᵒC
Dit : c bd
Jawab :
Q serap = Q lepas
m air . c air. (Tx-T1) = m bd. c bd.( T2-Tx)
400.1.(50-10) = 200.c bd (100-50)
16000.m bd = 8000
m bd = 0,5 kal/gᵒC
6. Batang logam 300 cm dipanaskan dari 25ᵒC hingga 225ᵒC sehingga mengalami pertambahan panjang 0,6 cm. Tentukan pertambahan panjang logam sejenis yang panjangnya 200 cm jika dipanaskan dari 20ᵒC sampai 320ᵒC.
Jawab :
α=∆l/(l0.∆T) = (0,006 m)/(3 m x (225-25)ᵒC) = 1 x 10-5 /ᵒC
∆l = α. l0.∆T = (1 x 10-5 /ᵒC).(2 m).(320-20)ᵒC = 6 x 10-3 m = 0,6 cm
7. Besi berbentuk kubus pada suhu 20ᵒC memiliki panjang rusuk 10 cm. Jika kubus dipanaskan hingga suhu 220ᵒC, tentukan volum kubus jika koefisien muai panjang besi 1,2.10-5/ᵒC.
Jawab :
V0 = (0,1 m) x (0,1 m) x (0,1 m) = 0,001 m3
ϒ = 3α = 3. 1,2.10-5/ᵒC = 3,6. 10-5/ᵒC
∆T = 220ᵒC-20ᵒC = 200ᵒC
Vt = V0{1 + ϒ.∆T} = 0,001 m3{1 + (3,6. 10-5/ᵒC)(200ᵒC)} = 0,0010072 m3
8. Suatu gas yang suhunya 27ᵒC dipanaskan pada tekanan tetap. Tentukan suhu gas tersebut saat volum gas menjadi 3 kali volum semula.
Jawab :
T1 = 300 K; V2 = 3.V1
V2/T2 = V1/T1
T2 = T1 x V2/ V1 = 300K x 3.V1/ V1 = 900K = 637ᵒC
9. Suatu gas di dalam ruang tertutup pada suhu 27ᵒC dan tekanan 2 atm, memiliki volum 2,4 L. Tentukan volum gas tersebut pada suhu 227ᵒC dan tekanan 3 atm.
T1 = 300K, P1 = 2 atm, V1 = 2,4 L; T2 = 500K, P2 = 3 atm
Dit : V2.
Jawab :
(P1.V1)/T1 =(P2.V2)/T2
V2 =(P1.V1.T2)/( P2 .T1) = (2 atm x 2,4 L x 500K)/(3 atm x 300K)
V2 = 2,67 L
10. Dua logam A dan B yang memiliki luas penampang dan panjang yang sama disambung menjadi satu. Suhu pada ujung bebas A adalah 20ᵒC dan suhu pada ujung bebas B adalah 120ᵒC. jika konduktivitas termal logam A dua kali konduktivitas logam B, tentukan suhu pada sambungan.
11. Tentukan jumlah kalor yang dipancarkan benda hitam berbentuk bola dengan diameter 20 cm dan suhu permukaannya 127ᵒC.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar