Suhu dan Kalor 1. Pengertian suhu (temperatur):

Presentasi berjudul: "Suhu dan Kalor 1. Pengertian suhu (temperatur):"— Transcript presentasi:

1 Suhu dan Kalor 1. Pengertian suhu (temperatur):
Suhu didefinisikan sebagai tingkatan (derajat) panas atau dinginnya suatu benda. Secara mikroskopik suhu menunjukkan pergerakan atau kandungan energi kinetik dari partikel-partikel benda tersebut. Semakin tinggi suhu suatu benda makin cepat partikel penyusun benda bergerak atau bergetar, semakin rendah suhu suatu benda semakin lambat partikel penyusun benda bergerak atau bergetar. Para Fisikawan mengukur suhu dalam skala Kelvin, yang unit satuannya disebut kelvin, dalam perkembangannya beberapa ilmuan menetapkan derajat panas lain, seperti, derajat Celcius, Fahrenheit, Reamur ataupun Rankin. 2. Hukum ke – 0 Termodinamika Sifat material / benda akan berubah bilamana suhuya mengalami perubahan misalnya dengan memindahkan benda tersebut dari kulkas ke oven, sejalan dengan peningkatan suhu ini perubahan panjang, volume ataupun peningkatan hambatan listrik meningkat. Demikian bilamana benda diletakan disuatu ruangan maka suhunya akan mengalami perubahan dalam kesetimbangan dengan ruangan. fakta perlakuan yang dialami tertuang didalam hukum ke-nol termodinamika.sebagai : jika benda A dan B masing –masing dalam kesetimbangan termal dengan benda ke tiga T (pembaca perubahan temparetur), maka benda A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dalam bahasa sederhana : setiap benda memiliki properti yang disebut temperatur, ketika dua benda berada dalam kesetimbangan termal , derajat temperaturnya sama.

2 3. Mengukur temperatur : 4. Termometer Gas dalam Volume Konstan.
Pertama kali mendefinisikan dan mengukur suhu pada skala kelvin kemudian mengkalibrasi alat termoskop menjadi termometer. Penulisan suhu Kelvin tidak diikuti lambang derajat. Misalkan 300 K dibaca “tigaratus kelvin. 4. Termometer Gas dalam Volume Konstan. Termometer standar, terhadap mana semua termometer dikalibrasi, didasarkan pada tekanan gas dalam volume tetap, seperti gambar dibawah ini. menunjukan termometer gas volume konstan, yang terdiri atas bulb diisi gas yang Dihubungkan oleh sebuah tabung kemanometer merkuri. uap es air Bulb termometer gas Titik Tripel air: Air dalam bentuk cair, es dan uap air (gas) dapat berdampingan dalam kesetimbangan termal hanya pada satu set nilai tekanan dan suhu. Gambar disamping menunjukan sel tripel point, dimana tiga titik dapat dibuktikan dalam percobaan laboraorium. Sesuai dalam perjanjian internasioanal titik tripel air ditentukan pada nilai 273,16 K sebagai suhu standar untuk kalibrasi termometer, yaitu T3 = 273,16 K (titik tripel temperatur) . Subskrip tiga artinya “tiga titik (1) Persetujuan ini juga menentapkan ukuran kelvin sebagai perbedaan antara nol mutlak dan titik tripel suhu air sebesar 1/

3 Dengan mengatur ketinggian reservoir R, tingkat ketinggian merkuri dilengan kiri tabung selalu dapat dibawa ke sekala nol, untuk menjaga volume gas konstan (variasi volume gas mempengaruhi pengukuran suhu). Suhu benda yang bersinggungan secara termal dengan tabung kaca seperti cairan yang mengelilingi tabung kaca pada gambar didefinisikan sebagai: Karena tekanan p diukur diatas tekanan po . Jika diletakan tabung kaca berikutnya dalam sebuah sel titik tripel , pada gambar halmn 2. suhu yang sekarang diukur adalah T3 = Cp3. (4) dimana p3 adalah tekanan gas sekarang. Dengan mengeliminir dari kedua persamaan diatas akan didapatkn suhu (5) T=Cp ...(2) dimana p adalah tekanan yang diberikan oleh gas dan C adalah konstanta. Dari persamaan tekanan hidrostatika p=p0–ρgh. (3) Dimana po adalah tekanan atmosfir tabung terbuka, ρ (rho) adalah densitas merkuri dalam manometer dan h adalah perbedaan tinggi yang diukur antara tingkat merkuri dari dua lengan tabung. Tanda minus dipergunakan dalam pers. diatas 2 1 3 4 5 R h Bulb gas T

4 Masih ada masalah pada termometer ini, jika untuk mengukur titik didih air akan ditemukan Gas yang berbeda dalam bohlam memberikan hasil yang sedikit berbeda, namun penggunaan yang sedikit lebih kecil untukmengisi bulb, pembacaan akan kembali ke suhu tunggal, tidak peduli gas apa yang dipakai. Sehingga kunci untuk mengukur suhu dengan termometer gas adalah (6) , kunci dari semua ini adalah menetapkan untuk mengukur suhu T yang belum diketahui sebagai berikut: Isi tabung termometer dengan jumlah tertentu gas apapun (misalnya Nitrogen, dan mengukur p3 (menggunakan sel tripel dan p tekanan gas pada suhu yang diukur (volume gas yang smam ) hitung rasio p/p3. kemudian ulangi pengukuran ke duanya dengan jumlah gas yang lebih sedikit didalam tabung.- dan menghitung rasio sekali lagi,. Lanjutkan cara ini dengan jumlah gas yang lebih kecil , sampai kita mendapatkan perkiraan rasio p/p3 nilainya sama denga bila tidak ada gas dalam tabung. Hitung suhu T dengan mensubstitusikan rasio yang telah diekplorasi kepersamaan diatas ( suhu disebut suhu ideal) Temperatur diukur oleh termometer gas volume konstan, dengan tabung kaca dibenamkan dalam cairan mendidih. Ketiga korva konvergen untuk 373,125 173.50 N2 173.40 173.30 H2 173.20 173.10 He P3 Kpa 20 40 60 80 100 120

5 5. Skala Celsius dan Fahrenhait :
Skala Celsius yang sebelumnya disebut skala derajat (centigrade) adalah skala pilihan untuk peggunaan yang lebih populer, komersial dan masih dalam aturan ilmiah. Suhu celsius diukur dalam derajat dan derajat celsius memiliki ukuran yang sama dengan kelvin, namun nilai nol pada skala celsius digeser yang nilai lebih pasti dibanding nilai nol mutlak. Jika Tc adalah suhu selcius dan T adalah suhu kelvin maka Tc = T - 273, (7) Misalkan T=300 K , maka Tc = ,16 = C. Skala Fahrenheit digunakan di Amerika dalam beberapa alat termometer ruangan dicantumkan pembacaan derajat suhu masing masing untuk derajat Celsius dan derajat Fahrenheit. Hubungan derajat Celcius dengan derajat Fahrenheit yaitu : TF = 9/5 Tc (8) Dimana Tf adalah temperatur Fahrfenheit . Konversi antara dua skala dapat dilakukan dengan mudah dengan mengingat poin yang sesuai seperti titik beku dan titik didih air. Seperti pada tabel dan gambar Beberapa temperatur yang berkaitan Titik tripel air 273,16 K 0.01 0C 32.020F Temperatur 0C 0F Titik didih air Suhu tubuh normal Suhu sejuk Titik beku air Titik nol Fahrenheit Persinggungan skala 100 37.0 20 ~ -18 40 212 98.6 68 32 -40 Nol Mutlak 0 K -273,16 0C F

6 Contoh soal: 1. Ada suatu cacatan ilmiah tua penggambaran skala suhu yang disebut z , dimana titik didih air adalah Z dan titik beku adallah -14,00 Z . Pada suhu berapakah suhu yang sebanding dengan dengan T= Z untuk suhu pada skala Fahrenheit. Asumsikan bahwa skala Z adalah linear, yaitu nilai derajat Z adalah sama disemua titik pada skala Z. penyelesaian.: Salah satu ide kunci yang dpat disini adalah dengan mengaitkan suhu T dalam skala suhu yang telah dikenal sebelumnya pada skala Z. Karena nilai T= Z dekat dengan titik beku ( Z) dari pada titik didih (65.00 Z), maka akan digunakan titik beku sebagai acuan. Kemudian kita perhatikan bahwa nilai T di bawah titik oleh Z-(-98.00Z =84,00Z (lihat gambar baca perbedan ini sebagai “84,0 dengan Z”) Konversi antara Z dengan F, perbedaan titik didih dan titik beku Z adalah : 65.00 Z- ( Z) = Z Pada F perbedaan nya adalah : 2120F F = 1800F. Demikian perbedaan 79.00Z setara dengan 1800F. Maka rasio F/79.00Z sebagai konversi . Karena T berada dibawah titik beku yaitu Z, maka T berada juga dibawah titik beku sebesar : (84.00Z ) 1800F/79.00Z= 1910F. Karena titik beku berada 32.00F, hal ini dapat berarati: T = F -191 F =-159 0F membeku mendidih 65.00 Z 79.00Z -14.00Z 84.00Z T=-98.0Z 2120F 1800 F 320F T= ? Z F Gbr. Sebuah skala suhu yang tidak diketahui dibandingkan dengan skala temperatu Fahrenheit

7 6. Ekspansi Termal: Ekspasi termal adalah : Bertambah panjangnya suatu dimensi benda karena kenaikan temperatur akibat kalor ( energi) termal yang diserap oleh benda itu. Setiap material mempunyai karakteristik ekspansi termal yang disebut koefisient termal material. Ekspasi termal dapat digolongkan pada : Ekspansi linier. jika suhu suatu batang logam dengan panjang L dinaikan sebesar ΔT. Maka batang tersebut mengalami pertambahan panjang sebesar ΔL = L α ΔT, (9) dimana α adalah koefisien ekspansi linier material dengan unit per derajat atau per kelvin. 2. Ekspansi Volume Jika semua demensi padatan memui sebanding dengan suhu , maka volume padatan tersebut juga akan berkembang. Untuk cairan ekspansi cairan volume adalah sangat berarti jika suatu suhu padatan atau volume V meningkat sebesar ΔT, maka peningkatan volume terjadi sebesar : ΔV = V β ΔT. (10) Dimana β adalah koefisien volume padatan atau cairan. Koefisien ekspansi volum dan ekspasi linier untuk padatan dihubungkan oleh. β = 3 α. (11) Contoh soal: 2. Suatu tangki diisi minyak Diesel L, suhu ditempat itu tinggi, selanjut tangki dibawa ketempat lain suhu ditempat itu dingin dengan selisih sampai 23 K. Dan minyak tersebut harus di dibongkar dipindahkan seluruh tangki, berapa minyak yang terdistribusi, β=9.50x10-4/0C Jawab: ΔV = V β ΔT. = (37000L)(9.50x10-4/0c)(-23.0K) = L jumlah volume yng didistribusikan adalah Vdst = V + (- ΔV) = 37000L+(-808L)=36192 L

8 7. Temperatur dan kalor Sebuah cola dingin diambil dari kulkas, kemudian dibiarkan diatas meja, perlahan tempuratu cola akan naik sehingga akhirnya temperatur cola sama dengan temperatur ruangan . Dalam kasus lain secangkir kopi panas dibiarkan diatas meja, suhunya akan turun sampai mencapai suhu ruang. Pada kejadian ini dapat diilustrasikan bahwa cola atau kopi sebagai sistem dengan temperatur Ts dan ruangan adalah lingkungan dengan Temperatur TE. Dari pengamatan jika Ts tidak sama dengan TE. Maka Ts. akan berubah (TE. Juga dapat berubah beberapa saat) sampai suhu keimbangan tercapai. Dalam kedua peristiwa diatas terjadi penyerapan dan pelepasan energi termal, hal ini dapat dikatakan terjadi tranfer energi, dan energi yang ditranfer disebut kalor. Dilambangkan dengan huruf Q . Nilai kalor positif jika energi ditranfer ke energi termal ke sistem tersebut dari lingkungan (panas diserap oleh sistem Ts < TE ,cola ) nilai kalor negatif ketika energi dipindahkan dari energi termal sistem ke lingkungan (panas dilepas dari sistem, Ts > TE kopi) Definisi kalor adalah : Energi yang ditranfer antara sistem dan lingkungan dikarenakan perbedaan suhu yang ada diantara sistem dan lingkungan. lingkungan sistem Ts TE Q > 0 Ts < TE Q Q = 0 Ts = TE Q < 0 Ts > TE Kalor + Kalor - tunak

9 8. Penyerapan Panas oleh Padatan dan Cairan. Kapasitas kalor.
Perlu diingat bahwa energi juga dapat ditransfer antar sistem dan lingkungan sebagai usaha W melalui gaya yang bekerja pada sistem. Sebelum di sepakati para ilmuan bahwa panas adalah energi yang transfer, panas diukur dalam hal kemampuan untuk menaikan suhu air, sehingga kalor didefinisikan sebagai jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 gram air dari 14,50C sampai C. Dalam sistem satuan inggris, satuan yang digunakan adalah, British Termal Unit (BTU) yang didefinisikan sebagai : jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 lb air dari 630F hingga 640F. Pada komunitas ilmuwan memutuskan Panas (seperti usaha W) merupakan energi yang ditranfer, maka satuan SI yang digunakan untuk panas harus seperti satuan yang digunakan energi yaitu Joule. Dan besarnya adalah 1 cal = J. Tanpa mengacu pada pemanasan air. Hubungan antara berbagai satuan panas adalah : 1cal = 3,969 x 10-3 BTU = J (12) 8. Penyerapan Panas oleh Padatan dan Cairan. Kapasitas kalor. Kapasitas kalor (C) suatu obyek bernilai konstan antara panas Q yang diserap atau dilepas obyek dan perubahan suhu ΔT yang dihasilkan obyek adalah Q =C ΔT = C (Tf -Ti )......(13). Dimana Ti dan Tf adalah suhu awal dan suhu akhir. Kapasitas kalor mempunyai unit energi/derajat. ( cal/0C atau cal/kelvin. Kalor Jenis. (panas spesifik) Dua obyek yang terbuat dari bahan yang sama, misalkan sebuah marmer akan memiliki kapasitas panas sebanding dengan massanya sehingga mudah untuk mendefinisikan “kapasitas kalor persatuan massa” atau kalor jenis c yang tidak merujuk pada obyek.

10 kalor jenis c Tidak merujuk pada obyek tetapi merujuk pada satuan massa bahan penyusun obyek tersebut. Dari pers 13. dapat diturunkan menjadi Q = c m ΔT = c m ( Tf –Ti ) (14) Dalam satuan kalori dan BTU, panas spesifik air didefinisikan sebagai : C = 1 kal/gC0 =1 BTU/lb.F (15) Tabel nilai kalor jenis (panas spesifik) bahan Kalor spesifik Zat padat Kal/gK J/kg K Timbal 0.0305 128 Tungsten 0.0321 134 Perak 0.0564 236 Perunggu 0.0923 386 Aluminium 0.215 900 Kuningan 0.092 380 Granit 0.19 790 Gelas 0.20 Es (-10 0C) 0.530 2220 air 1 4186 Air raksa 0.033 140 K = 0C F = 9/5 0C R = 0F + 495,67

11 Kalor Transformasi ; Ketika energi diserap sebagai kalor oleh zat padat atau zat cair, suhu pada sampel tidak selalu naik. Sebaliknya sampel bisa berubah bentuk dari satu fase atau kekeadaan lain. Jumlah energi per satuan masa yang harus ditransfer sebagai kalor ketika suatu sampel mengalami perubahan fasa disebut Kalor transformasi L. Jadi ketika sampel massa m mengalami perubahan fasa, maka total energi yang ditranfer akan sebesar : Q = Lm ....(16) Ketika terjadi perubahan fasa dari cair ke gas (maka sampel harus menyerap panas) atau dari gas ke cair (sampel melepas panas ), kalor tranformasi disebut sebagai kalor penguapan Lv , untuk air dititik didih normal atau kondensasi suhu, Lv = 539 cal/g =40.7 kj/mol= 2256 kj/kg. (17). Ketika perubahan fasa dari padat ke cair (maka sampel harus menyerap panas) atau dari cair ke padat(sampel harus melepas panas) kalor transformasi disebut sebagai kalor penggabungan LF. Untuk air pada nilainya dititik beku normal atau suhu leleh adalah LF =79,5 cal/g = 6.01 kj/mol = 333kj/kg......(18) Tabel nilai kalor trasformasi Zat Titik leleh Panas fusi Titik didih Panas evaporasi Hidrogen (K) 58 ( KJ/kg) 20.3 (K) 455 (kJ/kg) oksigen 54.8 58.0 90.2 213 timbal 601 23.2 2017 858 tembaga 1356 207 2868 4730 air 273 333 373 2256

12 Contoh soal:3. Berapakah banyak kalor harus diserap oleh es dengan massa es =720 g pada suhu -100C untuk mengubah kekeadaan cair pada suhu 150C. Ces= 2220 J/kg., cair = 4190 J/kg.K. Jawab. Pertama proses penyerapan/pemanasan meliputi 3 langkah. Langkah 1. ide kunci disini adalah es tidak akan mencair dibawah suhu titik beku, kalor Q1 yang diserap es hanya untuk meningkatkan suhu es dari -100C sampai suhu 00c. Pada suhu 00c ini es akan molai mencair. Jadi pers 14 Q1 = ces.m(tf-ti) = (2220 J/kg.)(0.720 kg)(00C –(-100C) = j = kj. Langkah 2. pada level suhu 00C tidak akan terjadi peningkatan level suhu sampai semua es mencair (berubah fasa) jadi semua energi Q2 yang ditranfer pada es hanya untuk mengubah es menjadi air. Pers 16. dan pers 18 atau tabel, mendapatkan : Q2 = LF.m = (333 kJ/kg)(0.720 kg) = kJ. Langkah 3. setelah es mencair semua maka suhu air sesaat masih 00C dan perlahan menyerap energi Q3 untuk meningkatkan level suhu 00C(sebagai suhu awal) Ti sampai tercapai suhu Tf =150C jadi pers Q3 = cair.m (Tf -Ti ) = (4190 J/kg.) (0.720kg) (15-0 0C)= = j = kJ. Sehingga kalor total Qtotal =Q1+Q2+Q3 = ( )kj= 300 Kj Kalor yang dibutuhkan untuk melebur jauh lebih besar dari kalor yang untuk menaikan baik dari es beku dan air. b). Jika tersedia es dengan energi total yang tersedia hanya 210 kj (sebagai kalor) bagaimana keadaan es tersebut dan berapa suhunya.

13 Penyelesaian. Dari langkah sudah didapatkan kalor yng digunakan meningkatkan suhu es ketitik leburnya, sebesar kj, maka kalor yang tersisa =210 kj kj = 194 kj. Dari langkah 2 terlihat bahwa sisa kalor tidak cukup untuk melebur massa es yang ada. Maka es tidak akan mencair seluruhnya , dari itu pasti terdapat campuran sisa es dan air harus berada pada suhu beku (00C). Dapat ditentukan es yang mencair dengan kalor sisa Qrem. Dengan pers. Q=Lm dengan LF, maka m= Qrem/LF =194 kj/ 333kj= kg =583 g. Demikian es yang tersisa adalah = ( ) g = 140 g. Jadi wujud akhir adalah 580g air dan 140 g es terapung dalam 00C. Contoh soal 4. Sebuah lempeng tembaga massa mc = 75 g, dipanaskan dioven pada suhu 3120c,tembaga ini selanjutnya dimasukan ke dalam gelas berisi air dengan massa 220 gram. Kapaitas panas dari gelas adalah 45 kal/K, suhu awal Ti air dan gelas 120C. Gelas dan air terisolasi air tidak menguap. Maka carilah suhu akhir Tf sistem berada pada kesetimbangan sistem. penyelesaian: Ide kunci pertama hanya transfer energi termal yang terjadi dalam karena sistem terisolasi. Ada tiga macam transfer kalor pada kasus ini, yaitu 1. lempeng tembaga yang melepas energi, 2. air yang menerima energi termal dan gelas yang menerima enrgi termal. Transfer energi hanya ada perubahan suhu. Tidak ada perubahan fasa. Dengan persaan 13 dan 14 akan diperoleh :

14 Untuk air Qw = cw mw (Tf-Ti) (19) Untuk gelas Qb = Cb (Tf-Ti ) (20) Untuk tembaga Qc = cc mc (Tf-Ti) (21) Ide kunci kedua, dengan sistim terisolasi, energi total sistem tidak dapat berubah berarti jumlah dari ketiga proses transfer energi adalah nol. Qw+Qb +Qc = 0 (22) dengan mensubstitusikan pers.19, 20, 21. kedalam persamaan (22) maka didapatkan : cw mw (Tf -Ti) + Cb (Tf -Ti ) + cc mc (Tf -Ti) (23). Suhu yang terdapat pada persamaan (23). Hanya berfungsi sebagai pembeda. Sedang perbedaan pada skala celsius dan Kelvin adalah identik, maka dapat digunakan salah satu skala tersebut dalam menyelesaikan Tf sehingga diperoleh : Dengan menggunakan skala celsius dan mengambil untuk cc dan cw dari tabel didapatkan Nilai dari masing masing variabel pada pembilang. ( kal/g.K)(75 g) (3120C) +(45 kal/K)(120C)+(1.00k/g.K)(220g)(120C) = kal Dan nilai pada variabel penyebut: (1.00 kal/g.K)(220 g)+45 kal/K)+).0923 kal /g.K)(75 g) = kal/C0. kemudian akan didapatkan : Dari data yang ada akan didapat: Qw = 1670 kal , Qb = 342 kal Qc = kal