Suhu dan kalor

SUHU DAN KALOR

A.    Pendahuluan

Suhu dan Kalor merupakan Pokok Bahasan yang pertama dalam pembahasan Fisika Dasar bagian Termofisika. Pokok Bahasan ini dimulai dari konsep atau pengertian suhu, pengukuran suhu, pengaruh perubahan suhu terhadap benda seperti ekspansi termal, dilanjutkan dengan konsep kalor, pengaruh kalor terhadap zat, perubahan fase atau perubahan wujud, sampai ke pemaparan panas. Pokok Bahasan ini juga dilengkapi dengan contoh-contoh soal, dan tugas terstruktur yang akan dikerjakan oleh mahasiswa.

B.     Konsep Suhu 

Suhu/temperature  didefinisikan  sebagai tingkat atau derajat  panas atau dinginnya suatu benda secara relative. Apabila kita meraba sebuah benda, maka perasaan kita dapat menaksir suhu benda tersebut, secara kira-kira, seperti halnya kita dapat menaksir besar kecilnya suatu gaya dengan otot-otot kita. Jelaslah bahwa perasaan kita ini sangat terbatas sekali kesanggupannya untuk menentukan dengan tepat panas dinginnya  suatu benda, apalagi dalam hal keteknikan atau keilmuan. Untuk mengukur suhu kita harus menggunakan suatu sifat fisis yang dapat diukur, yang berubah dengan berubahnya suhu. Alat yang digunakan untuk mengukur suhu disebut termometer.

1.      Termometer

B                A Gambar 1.1

Beberapa sifat fisis yang berubah karena suhu adalah panjang benda, volum zat cair, tahanan kawat terhadap aliran listrik, atau warna filament lampu pijar. Pada hakekat nya, perubahan-perubahan inilah yang digunakan pada konstruksi bermacam-macam thermometer. Salah satu di antaranya adalah thermometer zat cair dalam gelas.Alat ini, seperti dilukiskan pada Gambar 1, terdiri dari bola gelas A yang berdinding tipis. Bagian atas dari bola ini dihubungkan dengan pipa kapiler panjang dari bahan yang sama, yakni B. Zat cair,misalnya air raksa, atau alcohol berwarna mengisi bola dan sebagian pipa tersebut, sedangkan bagian di atas zat cair tertutup dan dibuat hampa udara. Untuk mengukur tingginya permkaan zat cair dalam pipa B, diadakan pembagian skala yang digoreskan pada pipa tersebut. Jika suhu thermometer naik, maka volume zat cair, dan akan bertambah. Jika pemuaian zat cair dan pemuaian gelas sama, maka tinggi permukaan zat cair dalam pipa B tidak berubah. Namun sesungguhnya,zat cair lebih cepat memuai dari gelas, sehingga tinggi permukaan zat cair pada pipa akan lebih tinggi bila suhu thermometer naik, dan lebih rendah bila suhu tuun.  Berdasarkan selisih pemuaian zat cair dan pemuaian gelas inilah skala pada thermometer itu dibuat.

2. Skala Temperatur

Pemberian  skala termometer didasarkan  kepada  dua titik tetap standar,  misalnya titik lebur es  dan titik  didih air.  Di antara  dua titik  tetap ini termometer dibagi atas bagian-bagian yang sama sebagai skala termometer.  Berikut ini  diberikan  perbandingan  nilai  skala  dari 4 jenis termometer  yaitu  Kelvin (K), Celcius ( C ) , Reamur ( R ) , Fahrenheit (F)  dan Rankine (Ra).

 

                            

         100                100                  80                   180                 180               skala                             

Gambar 1.2

Hubungan antara satu skala thermometer dengan skala thermometer lainnya, ditentukan berdasarkan angka yang tertera pada titik tetap atas dan titik tetap bawah, serta jumlah skala yang diberikan di antara dua titik tetap ini. Hubungan antara skala Kelvin, Celsius, Reamur, Fahreiheit, dan Rankine dapat ditulis sebagai berikut

atau

Contoh soal  1

Panjang kolom air raksa  pada termometer air raksa  5 cm.  Bila termometer dihubungkan dengan air pada titik tripelnya  tentukanlah  :

·        Suhu  yang di ukur bila panjang kolom  air raksa 6 cm

·        Panjang kolom air raksa  bila termometer dihubungkan  dengan air pada titik didihnya

Solusi

a.            =    =  327,6 K

b.            sehingga     cm

Contoh soal  2

Pada angka temperatur berapa termometer  Celcius dan  Fahrenheit menunjukkan  angka yang sama ?

Solusi

Misalkan angka yang sama yang ditunjukkan oleh kedua thermometer adalah x, maka

   atau     atau x = - 40 ^o

Contoh soal  3

Suatu termometer X jika dihubungkan  dengan es yang  sedang melebur  menunjukkan  bacaan 40⁰ dan  jika dihubungkan dengan air yang sedang mendidih  menunjukkan bacaan  120⁰.   Tentukanlah berapa bacaan termometer Reamur jika termometer X menunjukkan bacaan  60⁰ ?

Solusi

Hubungan antara skala yang ditunjukkan oleh thermometer X dan Reamur adalah

.

 Untuk  X = 60,   ,  diperoleh R  =  20⁰.

C. Ekspansi Termal

Pada umumnya  ukuran (dimensi ) sebuah benda bertambah besar jika  suhunya dinaikkan.   Pada air  ada pengecualian,  yaitu justru  dimensinya berkurang  jika suhunya dinaikkan   dari  0⁰ C s.d  4⁰ C  yang dikenal dengan anomaly air, seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Grafik pada Gambar 2 memperlihatkan penurunan volume air ketika suhunya dinaikkan dari 0⁰ C s.d  4⁰ C, dan mengembang seperti lazimnya benda jika suhunya dinaikkan dari 4⁰ C. 

 

Gambar 1.3. Diagram   Anomali Air

Ekspansi  (muai) termal  suatu benda   dapat dibedakan atas   3 macam, yaitu :

1.      Ekspansi  linier (muai panjang)  :    (p, l, t)

2.      Ekspansi  luas  (muai luas )        :   ( p x l )

3.      Ekspansi volume (muai volume) :   (p x l x t)

L0                                                              ΔL                                     L Gambar 1.4

Misalkan suatu  batang  panjangnya mula-mula  L0 dan suhunya t0 .  Batang dipanasi sampai suhunya naik menjadi  t  dan panjangnya menjadi  Lt. Pertambahan panjang batang ΔL berbanding lurus dengan panjang batang mula-mula, dan berbanding lurus pula dengan perubahan suhu. Secara matematis hubungan ini dapat ditulis

ΔL ∞ L₀ dan  ΔL ∞ Δt, atau  ΔL ∞ L₀ Δt

Persamaan-persamaan di atas dapat ditulis

ΔL =  α L₀ Δt.                                                   (1-1)

α  adalah  koefisien  muai panjang atau koefisien ekspansi linier, didefenisikan sebagai perubahan panjang relative per kenaikan suhu,  yakni

.                                                   (1-2)

Selanjutnya persamaan (1-1) dapat ditulis dalam bentuk lain

   atau                     (1-3)

Analog  untuk muai  luas  dan muai  volume, berlaku

         dan                                       .(1-4)

dengan   β = 2α  = koefisien muai luas    dan  γ  = 3α  =  koefisien muai  volume

Contoh soal  4

Bejana kuningan  dengan  koefisien muai volumenya γ = 6,2.10^{-5 (}C^o)^-1, pada temperatur 25⁰C  volumenya 250 cm³,  Bejana penuh berisi gliserin.  Setelah dipanasi sampai 50⁰ C   ada gliserin yang tumpah.  Jika γ_gl = kofisien muai volume gliserin  =  49.10^-5 (C^o)^-1. Berapa  banyak gliserin yang tumpah ?

Solusi

Banyak gliserin yang tumpah  =  pertambahan volume gliserin – pertambahan volume bejana. Jadi

 = (49-6,2).10 ^–5(250)(50-25)= 2,987 cm³

Contoh soal  5

Sebatang baja  pada 25 ⁰C panjangnya 2 m.  Hitung  panjangnya  pada suhu  35⁰C  bila α baja  1,2 x 10^-5 (C^o)^-1.

Solusi

Pertambahan panjang batang baja adalah

  m

sehingga panjang  batang  baja pada suhu 35⁰C = (2 + 0,00024) m = 2,00024 m

Contoh soal  6

Panjang logam A  dua kali  panjang logam B  dan koefisien   ekspansi linier logam B  empat kali  koefisien ekspansi linier  logam A.  Jika pertambahan  panjang logam B  untuk kenaikan temperatur  sebesar 40  C^o  adalah 10 mm, tentukanlah  pertambahan panjang  logam A  untuk kenaikan temperatur yang sama.

Solusi

Pertambahan panjang logam B adalah

ΔL_B =  α_B L_B  Δt = 10^-2 m

Pertambahan panjang logam A adalah

 =  α_B L_B  Δt =.10^-2 m = 0,5 cm

Jadi pertambahan panjang logam A adalah 0,5 cm

D.   Konsep Kalor

Bila  dua benda yang suhunya  berbeda melakukan kontak termal  satu sama lainnya,  maka setelah beberapa saat   ternyata suhu kedua benda  menjadi sama. Hal ini terjadi karena perpindahan   energi  dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.   Aliran atau perpindahan energi  ini disebut dengan kalor .  

Kalor diartikan sebagai  aliran atau perpindahan energi akibat perbedaan suhu.   Kalor mengalir dari benda atau bahagian benda yang bersuhu tinggi, ke bahagian benda yang bersuhu rendah.  Secara terpisah tidak dapat dikatakan  benda yang bersuhu tinggi  mempunyai kalor lebih tinggi dibanding  benda yang bersuhu rendah.   Istilah kalor hanya digunakan pada saat terjadinya aliran /perpindahan (musyafir) energi  dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

Satuan kalor adalah  kalori  (kal), yang didefenisikan sebagai banyaknya  kalor yang diperlukan  untuk menaikkan  temperaturnya 1 gram air  1 C^o .  

                                  1 kilo kalori (K)   =  10³ kalori,

                                  1 kalori            =   4,2  Joule,

Apabila  kalor sebesar ΔQ  diberikan  kepada suatu benda, sehingga benda  tersebut  nail temperaturnya  sebesar Δt,  maka besarnya  kapasitas kalor ( C ) benda  memenuhi  persamaan  : 

    joule /⁰C.                                            (1-5)

dan besarnya kapasitas kalor  (C ) tiap satuan massa benda (m) disebut dengan kalor jenis  benda (c) memenuhi persamaan  :

                  J/kg ⁰C   atau 

  ;    ;  .      (1-6)

Kalor jenis molar (c_m) zat/benda  didefinisikan  sebagai  besarnya  kapasitas kalor tiap  satuan mol zat (n)    = C/n   joule/kmol⁰C  sehingga :

                                            (1-7)

dengan

n = m/M     ; M = berat molekul

Bila dua buah benda  yang temperaturnya berbeda, dilakukan kontak termal satu sama lainnya ,  maka  benda  yang temperaturnya lebih tinggi  akan melepas kalor dan  benda yang temperaturnya rendah akan menyerap kalor  tersebut.  Bila  dianggap perpindahan kalor hanya terjadi  antara kedua benda tersebut, maka   jumlah kalor yang  dilepas benda yang suhunya lebih tinggi  sama dengan  jumlah kalor yang diserap benda yang suhunya lebih rendah sampai kesetimbangan termal terjadi, memenuhi azas Black :

Q_dilepas = Q_diserap                                                                            (1-8)

Contoh Soal  7

200 cm³ air pada  suhu 95^oC dituangkan ke dalam  gelas  yang  massanya 300 gr dari suhu  25⁰C.  Bila diketahui  ρ_air = 1000 kg/m³, c_air  = 1 kkal/kg⁰C  dan c_kaca =0,2 kkal/kg⁰C, tentukanlah  suhu akhir  setelah tercapai  kesetimbangan termal .

Solusi

Massa air    m = ρV = 1000x200.10^-6  kg  0,2 kg = 200 gr.

Q_{diberikan  air}  = Q_{diterima  gelas}

200x1x(95-t_a) = 300x0,2x(t_a- 25)

 diperoleh suhu akhir t_a = 73,65⁰C

Contoh soal 8

Sebuah benda massanya 100 gr temperaturnya  200⁰C  dimasukkan ke dalam temperature yang terbuat dari almunium  yang massanya  200 gr.   Bila kalorumeter berisi 500 gr air  pada temperature  25 ⁰C . Jika temperature  naik menjadi  30⁰C ,  dan diketahui kalor jenis  almunium  0,125  kal/gr⁰C  dan kalor jenis air 1 kal/gr⁰C, Tentukanlah  kalor jenis  benda tersebut

Solusi

Menurut azas Black : Kalor  yang dilepas  = kalor yang diterima

                    

             

100 x c_x (200-30) = 200 x 0,125 x (30-25) + 500 x 1 x (30-25)

diperoleh kalor jenis  benda  c_x = 0,16 kal/gC^o.

1.      Pengaruh Kalor  Terhadap Zat

Apabila  terhadap suatu benda/zat  terjadi  aliran kalor,  maka  kemungkinan pada benda /zat itu  akan terjadi perubahan suhu, perubahan fase, perubahan warna, perubahan hambatan listrik dan sebagainya.  Hal ini  sangat tergantung pada keadaan mula-mula benda atau zat dan sifat zat itu. 

Zat dapat dalam  keadaan berwujud (fase)  padat, cair atau gas.   Untuk air   fase padatnya adalah dalam bentuk es,  fase cair nya air, dan fase  gasnya adalah uap air.  Peralihan(transisi)  zat dari  fase yang satu ke fase yang lain  disertai  oleh  penyerapan atau  pelepasan  kalor.  Selama perubahan fase  tekanan dan temperature  zat adalah tetap.  Diagram perubahan fase itu  dinyatakan pada gambar  berikut ini :

Padat

Gambar 1.5. Diagram Perubahan Fase

     Ambillah segumpal es dari suhu -10⁰C lalu masukkan ke dalam sebuah bejana.

Panaskan bejana  berisi  es ini dengan laju  pemanasan yang konstan, maka es tersebut suhunya akan naik  sampai 0⁰C.  Selanjutnya es mulai mencair (melebur)  menjadi air  (perubahan  fase padat ke fase cair) . Selama perubahan fase ini suhu tetap 0⁰C sampai seluruh es menjadi air .  Begitu  es habis mencair,  suhunya naik lagi   sampai mencapai 100⁰C . Selanjutnya  air mulai menguap (perubahan fase cair menjadi  fase uap) .  Selama  perubahan  fase ini suhunya tetap 100⁰C sampai seluruh  air menjadi uap. 

A.               

Gambar 1.6. Grafik  perubahan fase es yang dipanaskan menjadi  uap air

Selama perubahan fase kalor yang diterima zat tidak digunakan untuk perubahan suhu  tetapi digunakan untuk perubahan fase.  Kalor  yang digunakan untuk  perubahan fase ini disebut kalor laten (tersembunyi), karena tidak berdampak pada perubahan suhu.  Yang termasuk  ke dalam kalor laten (L)  adalah  kalor  peleburan, kalor penguapan, kalor beku, dan kalor pengembunan.

Yang dimaksud dengan kalor lebur adalah banyaknya kalor  yang diperlukan tiap gram atau tiap  kilogram  zat melebur pada titik leburnya, sedangkan kalor  penguapan adalah  banyaknya kalor  yang diperlukan tiap gram atau tiap kilogram zat  menjadi uap. Apabila arahnya dari  fase uap berubah menjadi cair, maka kalor yang diperlukan  dinamakan kalor pengembunan, sehingga

Kalor peleburan   = kalor beku

Kalor uap             = kalor pengembunan

Hubungan  banyaknya kalor yang dilepas/diterima (Q) dengan kalor laten (L) memenuhi persamaan :

Q = mL                                                     (1-9)

Contoh soal 9

Hitunglah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg es bersuhu – 10 ^oC, menjadi uap bersuhu 100 ^oC, jika diketahui kalor jenis es = 0,5 kal/gramC^o, kalor lebur es = 80 kalori/gram, dan kalor uap = 540 kal/gram.

Solusi :

Seluruh proses dapat digambarkan sebagai berikut

t ^oC

 

100

                                                                                                  Q₄

 

                                                                      Q₃

  0

                                     Q₂

             Q₁

    -10

Gambar 1.7

Jumah kalor yan dibutuhkan selama proses adalah

Q  =  Q₁ +  Q₂ + Q₃  + Q₄

Q₁ =  mc_esΔt = 1.000 gram x  0,5 kal/gramC^o x [ 0 – (- 10)] C^o =  5.000 kal

Q₂ =  m L = 1.000 gram x  80 kal/gram  =  80.000 kal

Q₃ =  mc_airΔt = 1.000 gram x  1 kal/gramC^o x [ 100 – 0] C^o =  100.000 kal

Q₄ =  m L = 1.000 gram x  540 kal/gram  =  540.000 kal

Q  =  Q₁ +  Q₂ + Q₃  + Q₄

Q  =  5.000 kal +  80.000 kal  + 100.000 kal  + 540.000 kal = 725.000 kal

Contoh soal 10

Sebuah kalorimeter dengan kapasitas kalor  (harga air kalorimater H) 10 kal/⁰C, berisi  500 ml air yang suhunya 10⁰C.   Ke dalam kalorimeter itu kemudian  dimasukkan  200 gr es yang suhunya –20⁰C.   Jika kalor jenis  es 0,5 kal/gr⁰C dan kalor lebur es 80 kal/gr, berapakah  suhu akhir dan bagaimana keadaan es pada saat itu (sudah melebur semua atau belum )

Solusi

Misalkan suhu akhir campuran adalah t_a. Menurut azas Black, Jumlah panas yang diberikan oleh bagian system yang suhunya lebih tinggi sama dengan jumlah panas yang diterima oleh bagian system yang suhunya lebih rendah. Bagian yang memberikan panas adalah air dan calorimeter, sedangkan yang menerima panas adalah es.

Bagian yang memberikan panas

·                     Calorimeter : Q₁ = H Δt = 10 kal/C^o.(10 -– t_a) C^o = (100 – 10 t_a)

_·                      Air       : Q₂ =  mc_airΔt = 500 gram.1 kal/gram C^o. (10 -– t_a) C^o  =  (5.000 – 500 t_a)

Bagian yang menerima panas

·         Es dari  -20 ^oC ke 0 ^oC :

Q₃ =  mc_esΔt = 200 gram x  0,5 kal/gramC^o x [ 0 – (-20)] C^o =  2000 kal

·         Air yang berasal dari es

Q₄ =  mc_airΔt = 500 gram x  1 kal/gramC^o x [ t_a – 0] C^o =  500 t_a kal

Azas Black

Q₁ +  Q₂ =  Q₃  + Q₄

         (100 – 10 t_a) kal + (5.000 – 500 t_a) kal = 2.000 kal + 500 t_a kal

diperoleh suhu akhir t_a = 3,07 ^oC.

Ini berarti semua es melebur.

2.      Perpindahan Kalor

Perpindahan  kalor hanya dapat terjadi   pada suatu benda /zat/bahan  apabila  bagian-bagian dari  benda tersebut  berada pada temperatur yang tidak sama.  Arah perpindahan  kalor adalah dari bagian  benda yang suhunya lebih tinggi ke bagian benda yang suhunya lebih rendah, yang dapat   terjadi   dengan tiga cara yaitu  :

·         Konduksi (hantaran) ; dapat  terjadi  pada zat padat, cair dan gas

·         Konveksi (aliran) ; dapat terjadi  pada zat zair dan gas

·         Radiasi (pancaran) ; dapat terjadi  melalui ruang hampa, udara  dan media transparan.

Untuk selanjutnya akan dibahas satu persatu mengenai perpindahan kalor ini

·         Konduksi (hantaran)

  Perpindahan  kalor  secara konduksi atau hantaran adalah perpindhan yang tidak disertai perpindahan  materi pada benda. Kalor hanya berpindah dari satu molekul ke molekul lainnya, sedangkan molekul sendiri tidak ikut berpindah.

L     A                              H      T2                                          T1 Gambar 1.8

Misalkan sebuah batang yang panjangnya L dan luas penampang lintangnya A, kedua ujungnya berturut-turut mempunyai suhu T2 dan T1, dengan T2  > T1, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.7.  Karena perbedaan suhu ini, kalor akan mengalir dari bagian bersuhu  tinggi ke bagian bersuhu rendah.

Jumlah kalor yang mengalir persatuan waktu H  berbanding lurus dengan luas penampang lintang batang dan perbedaan suhu kedua ujung batang, dan berbanding terbalik dengan panjang batang. Secara matematis dapat diungkapkan dengan

                       H ∞ A,   H ∞ Δ T,  dan H ∞,  atau H ∞

Perbandingan ini dapat diubah menjadi persamaan, dengan mengalikannya dengan bilangan konstan K, yag harga numeriknya tergantung dari jenis batangan tersebut. Besaran K disebut koefisien daya hantar (konduktivitas termal) bahan batangan, jadi

H   =   -    atau  H   =   -   .                (1-10)

Tanda negative dapat diartikan dengan arah arus kalor yang selalu berlawanan dengan arah kenaikan suhu. Dalam bentuk diferensial, persamaan di atas dapat pula ditulis

H   =   -   .                                           (1-11)

Besaran   , disebut gradient suhu atau perubahan suhu persatuan panjang. Dari persamaan (1-10), diperoleh satuan konduktivitas atau koefisien daya hantar termal, yakni kal.cm/cm² K s atau yang setara.

·         Konveksi (aliran)

  Perpindahan kalor melalui konveksi atau aliran iperlihat ketika kita  memanaskan air di dalam sebuah bejana. Bagian zat cair di sebelah bawah lebih dahulu kena panas, akibatnya molekul-molekul air di bagian bawah ini akan memuai, sehingga massa jenisnya menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan zat cair yang berada pada bagian atas bejana. Hal ini menyebabkan molekul-molekul zat cair yang sudah memuai akan naik ke bagian atas, dan yang bagian atas akan turun ke bagian bawah, terjadilah perpindahan panas melalui molekul-molekul ini, sampai semua panasnya merata. Jadi pada perpindahan kalor melalui konveksi ini, kalor berpindah melalui perpindahan materi. Laju kalor konveksi  (Q/t)   sebanding dengan luas permukaan   benda (A) yang bersentuhan dengan  zat cair,  dan beda suhu  (ΔT)  antara sumber kalor dengan  zat cair yang memenuhi persamaan  :

 .                                         (1-12)

h =  koefisien konveksi

·         Radiasi (pancaran)

Perpindahan kalor dari suatu benda ke benda lainnya dapat pula terjadi, meskipun kedua benda tidak bersentuhan. Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi. Radiasi atau pancaran adalah emisi energi yang kontinu dari permukaan benda yang berwujud gelombang elektromagnetik.

Melalui percobaan-percobaan yang dilakukannya, Stefan-Boltzmann menyimpulkan bahwa energi persatuan waktu yang dipancarkan oleh suatu benda berbanding lurus dengan luas permukaan (A) benda tersebut dan berbanding lurus dengan suhu benda (T) pangkat empat. Secara matematis hal ini diungkapkan dalam bentuk

W ∞ AT⁴.

Perbandingan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan, yakni

W = e AT⁴,

dengan e adalah koefisien daya pancar atau emissivitas dari benda, yakni angka yang menyatakan kemampuan sebuah benda untuk memancarkan energi, yang nilainya berkisar antara 0 dan 1. Benda dengan e = 1, disebut benda hitam sempurna, yang mampu menyerap semua energi yang dijatuhkan atau didatangkan padanya. Kemampuan sebuah benda untuk menyerap energi sama dengan kemampuan benda itu untuk memancarkan energi. Benda akan menyerap energi ketika suhu lingkungannya lebih tinggi dari suhunya, dan sebaliknya akan memancarkan energi ketika suhu lingkungannya lebih rendah dari suhunya.

Contoh soal 11

Batang-batang dari tembaga merah, kuningan dan baja yang mempunyai luas penampang yang sama, dilas membentuk huruf Y. Suhu ujung tembaga merah tetap 100 ^oC, sedangkan suhu ujung kuningan dan baja tetap 0 ^oC. Panjang batang tembaga merah 46 cm, kuningan 13 cm, dan baja 12 cm. a). Berapakah suhu titik hubungnya ? b). Berapakah arus kalor pada masing-masing batang ? Diketahui konduktivitas tembaga merah, kuningan dan baja berturut-turut adalah 0,92, 0,26, dan 0,12 kal.cm/….

Solusi

t1 = 0 oC                     H1     H2      t1 = 0 oC kuningan                           baja                            t                   H        Tembaga merah                                                                                          t2  = 100 oC Gambar 1.9

Misal suhu titik hubung adalah t, dan luas penampang batang adalah A.  Arus kalor melalui tembaga merah adalah : H   =      .                H   =     .   Arus kalor melalui kuningan adalah   H1   =     .      H1   =     .

Arus kalor melalui

H₁   =   -    atau      H₂   =    .

    

Arus kalor yang melalui tembaga merah sama dengan jumlah arus yang melalui kuningan dan yang melalui baja, oleh sebab itu berlaku

                                           H = H₁ + H₂

 =  + .

Dari persamaan di atas diperoleh suhu titik hubung t = 66,67 ^oC.

Contoh soal 12

Sebuah bejana didih dasarnya terbuat dari baja yang tebalnya 1,5 cm, sedangkan luas permukaan dasarnya 1500 cm³.  Ketika bejana diletakkan di atas perapian, ternyata setelah air mendidih, 750 gram air menguap setiap 5 menit. Tentukanlah suhu bagian bawah bejana didih.

Solusi

t1                                                      H                                   1,5 cm                 t2   Gambar 1.10

Arus kalor yang mengalir dari bagian bawah bejana ke air adalah H   =      .                H   =     .   Dalam menit, 750 gram air menguap, artinya jumlah air yang menguap dalam 1 detik adalah 2,5 gram. Untuk menguapkan 2,5 gram air diperlukan kalor sebanyak Q = mL = 2,5 gram. 540 kal/gram             =  1350 kalori

Jumlah ini sama dengan arus kalor yang mengalir dari bagian bawah bejana ke air, jadi

. =  1350 kalori

Diperoleh suhu bagian bawah bejana didih t₂ = 120,83 ^oC.

Tugas Terstruktur

Suhu dan Kalor

1.        Jika termometer X dicelupkan ke dalam es yang sedang mencair  menunjukkan angka –10⁰ X, dan bila  dicelupkan ke dalam  air yang sedang mendidih  pada tekanan 1 atm menunjukkan  angka 200⁰ X.   Suatu cairan  mempunyai titik didik  75⁰C dan titik beku 14⁰ F.  Hitunglah titik didih dan titik beku cairan tersebut menurut termometer X

2.        Sepotong tembaga  dijatuhkan  dari ketinggian 490 m di atas lantai.   Kalor yang timbul pada proses tumbukan dengan lantai,  60% diserap oleh tembaga untuk menaikkan suhunya.  Jika kalor jenis tembaga 420 joule /kg⁰C  dan percepatan gravitasi  bumi 10  m/s² , hitunglah kenaikan suhu tembaga tersebut.

3.        Sebuah silinder gelas yang isinya   2 liter   dan suhu 0⁰C  diisi penuh dengan alcohol.  Bila diketahui  koefisien muai  volume gelas  27.10^-6 dan koefisien muai  volume alcohol  10^-3, berapa  liter alkokol akan tumpah jika dipanasi sampai suhunya 40⁰ C

4.        200 gram es pada  0 ⁰C dimasukkan ke dalam kalorimeter tembaga yang massanya 250 gram dan  berisi  400 gram air pada suhu  60⁰C.   Bila  diketahui  kalor jenis tembaga  0,09 kal/grC^o dan kalor lebur es 80  kal/gr, hitunglah suhu akhir  setelah  tercapai kesetimbangan

5.        Dua batang logam sejenis , luas  penampangnya berbanding 3:4.   Bila selisih suhu kedua kedua ujung batang sama, hitunglah perbandingan  jumlah kalor  per detik yang mengalir   di dalam masing-masing batang tersebut.

6.        Satu ujung sebuah batang panjang, yang diselubungi bahan penyekat agar tidak kehilangan panas, dicelupkan di dalam air mendidih yang tekanannya 1 atm. Ujung yang kedua dimasukkan ke dalam campuran air dan es. Batang tersebut terdiri dari batang tembaga merah yang panjangnya 100 cm, (satu ujungnya dalam uap), dan bagian baja yang panjangnnya L, (satu ujungnya dalam campuran air dan es). Pada waktu tercapai keadaan seimbang, suhu titik hubung kedua logam adalah 60 ^oC. a). Berapa kalorikah yang berpindah dari tempat uap ke campuran air dan es tiap detiknya ? b). Berapa gram es yang melebur setiap detik ? c). Tentukan panjang L.

7.        Kolom air di dalam kaki sebelah kiri dari sebuah pipa U dipanasi sampai 80 ^oC, sedangkan kaki kanannya tetap 4 ^oC. a). Berapakah perbedaan tinggi kedua kolom air itu ? b). Andaikan tiap-tiap kolom air itu tingginya 10 m, sedangkan suhu bagian kiri 80 ^oC, dan suhu bangian kanan 4 ^oC, berapakah perbedaan tekanan pada dasar tabung U tersebut ?

8.        Sebuah kalorimeter dari tembaga merah, kapasitas panasnya 30 kal/gramC^o, dimuati dengan 50 gram es bersuhu 0 ^oC. Ke dalam calorimeter dimasukkan 12 gram uap bertekanan 1 atm. Tentukan suhu akhir calorimeter.