Penerbit Erlangga

Menguasai konsep suhu dan kalor.

Menguasai pengaruh kalor terhadap zat.

Memahami konsep perpindahan kalor dan

manfaatnya.

Pengukuran Suhu

Kalor

Pengaruh Kalor Terhadap Zat

Perpindahan Kalor

Kalor Laten

Asas Black

Untuk mengetahui besar

suhu suatu benda dapat

digunakan alat ukur yang

disebut termometer.

Caranya adalah dengan

menempelkan termometer

pada benda tersebut.

Setelah termometer

disentuhkan maka akan

terjadi aliran kalor dari

benda ke termometer.

Termometer bayi

Termometer laboratorium

Perbandingan skala dari berbagai termometer:

C R F K Rk

100 80 180 100 180

5 4 9 5 9

Suhu suatu ruangan menunjukkan angka 32 jika diukur

dengan termometer Celcius. Tentukanlah jika diukur dengan:

a. Reamur

b. Fahrenheit

c. Kelvin

d. Rankine

Penyelesaian:

a. t°R= t°C =

b. t°R= t°C+ 32=

c. tK = t°C +273 = 32+273=305K

d. t°Rk = t°C + 491=

5

4 R 4,2532

5

4

5

9 F 6,893232

5

9

5

9 kR 6,5484916,5749132

5

9

Kuantitas panas atau kalor dalam suatu bahan dilambangkan

dengan ΔQ yang berkaitan dengan perubahan suhu ΔT. Besar

kuantitas kalor Q yang diperlukan untuk meningkatkan suhu

benda dari T1 menjadi T2 berbanding lurus dengan:

Massa benda m; semakin besar massa benda yang akan

dipanaskan, maka semakin besar pula kuantitas kalor

yang diperlukan.

Jenis benda atau sifat alami benda; besar kalor yang

diperlukan untuk memanaskan 1 kg tembaga tidaklah

sama dengan yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air.

Kalor Jenis Kalor jenis adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk

meningkatkan 1°C dalam setiap 1 kg massa. Kalor jenis

dinyatakan dengan persamaan:

C = atau

Dengan c = kalor jenis (J/kg°C atau J/kg K)

m = massa zat (kg)

ΔT = perubahan suhu (°C atau K)

Tm

Q

TmcQ

Kapasitas Kalor Kapasitas kalor adalah besar kalor yang diperlukan untuk

meningkatkan suhu zat tanpa memperhatikan massa zat.

Kapasitas kalor dilambangkan dengan C (perhatikan

perbedaan simbol C dan c). Kapasitas kalor dinyatakan

dengan persamaan:

atau

T

Qc

TCQ

Tabel 5.1: Tabel Kalor Jenis

BahanKalor Jenis

(J/kg°C)Bahan

Kalor Jenis

(J/kg°C)

Alumunium 910 Besi 470

Berilium 1.970Batu kapur

(CaCO3)879

Tembaga 390 Raksa (Hg) 138

Etanol 2.428 Perak 234

Es 2.100 Air 4.200

Berapakah besar kalor yang diperlukan untuk memanaskan 2

kg air dari suhu 32oC hingga 80oC?

Diketahui: m =2 kg

Penyelesaian: Q=….?

Penyelesaian:

JTmcQ 5100224,448190.42

cTTT 48328012

Pada umumnya, benda akan mengalami ekspansi atau

memuai pada saat dipanaskan.

Ekspansi suatu benda akibat peningkatan suhu terjadi

secara menyeluruh ke segala arah yang disebut juga

ekspansi volume. Namun, keadaan ini bisa dipaksa dan

diubah menjadi ekspansi satu arah (ekspansi linear).

1. Ekspansi Linear

Sebuah tongkat dari bahan logam yang panjangnya L0 pada

temperatur awal T0. setelah tongkat dipanaskan hingga

mencapai temperatur T dengan besar perubahan temperatur

maka panjang tongkat akan mencapai L.

Perubahan muai panjang:

Gambar 5.4. Pemuaian panjang, biasanya terjadi pada benda-benda yang ukuran dimensi lebar

dan tingginya diabaikan.

Jika perubahan suhu yang terjadi cukup kecil, maka

perubahan panjang yang terjadi juga kecil.

L0L0

L

12 TTT

TLL 0

Contoh Ekspansi Linear:

Sebuah kawat alumunium yang panjangnya 2 m dipanaskan hingga

mengalami perubahan temperatur sebesar 50°C dari temperatur

awalnya. Hitunglah panjang kawat setelah dipanaskan!

Diketahui:

Ditanyakan: panjang akhir L =….?

Penyelesaian:

Gunakan persamaan untuk menghitung panjang secara langsung.

5

02 , 50 , 2,4 10 /L m T C C

5

0 01 ( ) 2 1 (2,4 10 )(50) 2,0024 mL L T T

2.Ekspansi Luas

Telah diungkapkan sebelumnya bahwa peningkatan temperatur

suatu benda yang berbentuk kepingan akan menimbulkan ekspansi

luas. Jika penambahan temperatur benda tidak terlalu besar,

maka pertambahan temperatur benda berbanding lurus dengan

pertambahan luas permukaan benda dan dengan koefisien muai

luas benda yang dilambangkan dengan .

Perubahan luas dapat di tulis:

TAA 0

Contoh Ekspansi Luas:

Sebuah lempengan alumunium yang luasnya 4 m2dipanaskan hingga mengalami peningkatan temperatur sebesar 40oC daritemperatur awal. Hitunglah luas lempengan setelah dipanaskan!

Diketahui:

Ditanyakan: panjang akhir A =….?

Penyelesaian:

Perhatikan urutan operasi hitung dengan saksama.

A=

C

CT

mA

/104,2

40

4

5

2

0

0 0

4

3

2

1 2 ( )

4 1 (2)(2,4 10 )(40)

4 1 1,92 10

4,00768 m

A T T

3. Ekspansi Volume

Peningkatan temperatur suatu benda dapat mengakibatkan

terjadinya ekspansi volume. Dari hasil percobaan, jika perubahan

temperatur kurang dari 100oC, maka pertambahan volume benda

akan berbanding lurus terhadap perubahan temperatur koefisien

Muai volume bahan yang dilambangkan dengan .

Perubahan muai volume:

TVV 0

Tabel Koefisien Muai Volume Beberapa Benda

Bahan Koefisien Muai Volume (/0C)

Alumunium 7,2 x 10-5

Kuningan 6,0 x 10-5

Tembaga 5,1 x 10-5

Kaca 1,2 2,7 x 10-5

Invar 0,27 x 10-5

Kuarsa 0,12 x 10-5

Baja 3,6 x 10-5

Contoh Ekspansi Luas:

Sebuah balok tembaga yang bervolume 2 m3 dipanaskan hinggamengalami peningkatan temperatur sebesar 50oC dari temperaturawal. Hitunglah volume balok tembaga tersebut setelah dipanaskan!

Diketahui:

Ditanyakan: V =….?

Penyelesaian:

Perhatikan urutan operasi hitung dengan saksama.

V=

C

CT

mV

/101,5

50

2

5

3

0

0 0

5

3

3

1 ( )

2 1 (5,1 10 )(50)

2 1 2,55 10

2,0051 m

V T T

Terdapat tiga mekanisme perpindahan kalor antar-medium:

Konduksi: konduksi adalah perpindahan kalor dengan cara

menempelkan langsung antara dua medium yang berbeda

temperatur. Misalnya, kita memasak air dengan panci

alumunium yang terhubung langsung tanpa ada pemisah.

Konveksi: konveksi adalah perpindahan kalor melalui

aliran massa suatu medium perantara. Misalnya, pada

radiator pendingin mesin menggunakan air sebagai

medium alir penghantar kalor.

Radiasi: radiasi adalah perpindahan kalor melalui

pancaran radiasi elektromagnetik. Misalnya, sinar

matahari yang sampai ke bumi tanpa medium apa pun di

ruang hampa udara.

1. Perpindahan Kalor Secara Konduksi

Laju kalor dalam peristiwa konduksi:

Dengan:

H = arus kalor(J/s)

K = konduktivitas termal (W/moC)

A = Luas penampang aliran (m2)

Tb = temperatur tinggi (oC)

Ta = temperatur tinggi (oC)

L = panjang penghantar (m)

L

TkAH

2. Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Laju kalor dalam peristiwa konveksi:

Keterangan:

H = laju kalor (watt atau J/s)

h = koefisien konveksi bahan (W m-2K-1)

A = Luas penampang yang bersentuhan dengan fluida (m2)

= beda suhu antara benda dan fluida (K atau oC)

ThAT

QH

T

2. Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Laju kalor dalam peristiwa radiasi, kemudian diberi nama Hukum

Stefan Boltzmann:

Keterangan:

P = daya/laju kalor(W )

e = emisivitas benda

= konstanta Stefan (5,67 x 10-8 W m-2 K-4)

T = suhu benda (K)

4ATeP

Kalor laten adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk

mengubah fase m kilogram zat. Misalnya es yang melebur, air

yang menguap, dan sebagainya. Saat melebur, es

menggunakan kalor untuk mengubah wujudnya. Begitu pula

ketika air menguap.

Kalor laten dinyatakan sebagai:

Q = m L

Dengan Q = besarnya kalor (J)

L = panas laten zat (J/kg)

Contoh Kalor Laten: Hitunglah besar energi kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan -5 oC bermassa100 g menjadi air bersuhu 10oC!

Diketahui: , Tlebur es = 0oC, Takhir =10oC

Ditanyakan: Q untuk meleburkan es =….?

Penyelesaian:

Hitunglah energi untuk menaikkan suhu dari -5oC hingga 0oC.

Hitunglah energi untuk meleburkan es. Gunakan panas laten peleburan.

Hitunglah energi untuk menaikkan suhu air menjadi 10oC.

Kalor total dalam proses ini adalah:

CT 50

kgJL

CkgJC

CkgJC

kggm

es

air

es

es

/10533,3

/200.4

/100.2

1,0100

5

20,1 3,333 10 33.000

es esQ m L J

30,1 4.200 10 0) 4.200

air cair airQ m c T J

JQQQQ 550.38200.4300.33050.1321

JTcmQ eseses 050.1))5(0(100.21,01

Perpindahan kalor akan berhenti saat terjadi kesetimbangan

kalor. Artinya aliran kalor akan terhenti sampai kalor benda

yang melepas kalor sama dengan benda yang menerima kalor.

Asas Black dinyatakan sebagai berikut:

Qlepas = Qditerima

Contoh Asas Black:

Sebatang besi bermassa 1 kg dipanaskan hingga mencapai suhu

100 oC. Batang besi ini kemudian dicelupkan ke dalam 1 liter air

yang berada dalam suhu kamar. Berapakah suhu akhir sistem ini?

Diketahui:

Ditanyakan: suhu akhir sistem =….?

Penyelesaian:

Kita nyatakan dulu persamaan kalor untuk besi. Besi dicelupkan

ke dalam air yang bersuhu kamar (sekitar 27 oC). Dengan,

demikian, suhu akhir besi akan turun sampai suhu akhir T, yang

pasti lebih kecil daripada 100 oC.

kgLmkgVmLV

kgm

airairairair

besi

11/000.1,1

1

3

)100(4701 TTcmQ bbbb

Nyatakan persamaan kalor untuk air yang dicelupkan besi

panas. Suhu akhir air akan naik sampai suhu T yang pasti lebih

tinggi daripada 27o C

Agar proses perpindahan panas terhenti, Qa = Qb .

1 4.200 ( 27)a a a a

Q m c T T

470(100 ) 4.200( 27)

4.700 47 420 11.340

16.040 467

34,34o

T T

T

T

T C