Belajar Suhu dan Kalor

Sumber Gambar: www.alifpustaka.com

SUHU
Suhu atau Temperatur dapat didefinisikan sebagai sifat fisik suatu benda untuk menentukan apakah keduanya berada dalam kesetimbangan termal. Dua buah benda akan berada dalam kesetimbangan termal jika keduanya memiliki temperatur yang sama.

Dalam kehidupan sehari-hari, suhu merupakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Oven yang panas dikatakan bertemperatur tinggi, sementara es di danau yang beku dikatakan memiliki temperatur yang rendah. Suhu dapat diukur dengan menggunakan alat yang disebut termometer. Sifat yang diukur untuk menyatakan suhu disebut sifat termometrik. Satuan suhu adalah derajat. Zat cair yang biasa digunakan untuk mengisi termometer adalah air raksa karena raksa memiliki beberapa kebaikan seperti:

segera dapat mengambil panas benda yang akan diukur sehingga suhu air raksa segera dapat sama dengan suhu benda yang diukur
dapat dipakai untuk mengukur suhu yang rendah sampai yang tinggi sebab air raksa memiliki titik beku pada 39^oC dan titik didihnya pada suhu 357^oC
tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya menjadi lebih teliti
pemuaian air raksa teratur, artinya linier terhadap kenaikan suhu kecuali pada suhu yang sangat tinggi
mudah dilihat karena air raksa mengkilap

Alkohol dapat juga digunakan untuk mengisi tabung termometer karena alkohol dapat mengukur suhu yang lebih rendah lagi tetapi tidak dapat mengukur suhu yang tinggi sebab titik bekunya -144^oC dan titik didihnya 78^oC. Jadi termometer alkohol sangat baik untuk mengukur suhu-suhu yang rendah tetapi tidak dapat mengukur suhu-suhu yang tinggi.

Air tidak digunakan untuk mengisi termometer karena jangkauan suhu air terbatas (0^oC–100^oC), tidak berwarna sehingga sulit dilihat, membasahi dinding tempatnya dan memerlukan waktu lama sehingga mengurangi ketelitian pembacaan skala. Untuk menyatakan suhu dengan bilangan diperlukan patokan suhu yang tetap yang dapat dibuat kembali dengan mudah dan teliti. Patokan suhu yang digunakan disebut titik tetap.

Dari skala suhu yang ada sekarang telah ditetapkan:

a. Termometer skala Celsius

Memiliki titik didih air 100°C dan titik bekunya 0°C. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 0°C – 100°C dan dibagi dalam 100 skala.

b. Temometer skala Reamur

Memiliki titik didih air 80°R dan titik bekunya 0°R. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 0°R – 80°R dan dibagi dalam 80 skala.

c. Termometer skala Fahrenheit

Memiliki titik didih air 212°F dan titik bekunya 32°F. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 32°F – 212°F dan dibagi dalam 180 skala.

d. Termometer skala Kelvin

Memiliki titik didih air 373,15 K dan titik bekunya 273,15 K. Rentang temperaturnya berada pada temperatur 273,15 K – 373,15 K dan dibagi dalam 100 skala.

Jadi, jika diperhatikan pembagian skala tersebut, satu skala dalam derajat Celsius sama dengan satu skala dalam derajat Kelvin, sementara satu skala Celsius kurang dari satu skala Reamur dan satu skala Celsius lebih dari satu skala Fahrenheit. Secara matematis perbandingan keempat skala tersebut,yaitu sebagai berikut.

Kalor

sumber: https://tinyurl.com/spe4fck

Pada saat memanaskan air di panci dengan menggunakan kompor misalnya, maka api dari kompor memberikan kalor kepada air. Beberapa saat kemudian, air akan menjadi hangat dan akhirnya menjadi panas. Itu berarti air mengalami kenaikan suhu. Dari kejadian ini dapat disimpulkan bahwa kalor yang diberikan pada suatu zat dapat menaikkan suhu zat tersebut.

Kalor dapat didefinisikan sebagai proses transfer energi dari suatu zat ke zat lainnya dengan diikuti perubahan temperatur. Satuan kalor adalah joule (J) yang diambil dari nama seorang ilmuwan yang telah berjasa dalam bidang ilmu Fisika, yaitu James Joule. Satuan kalor lainnya adalah kalori. Hubungan satuan joule dan kalori, yakni 1 kalori = 4,184 joule.

Jika air telah mencapai suhu 100^oC (titik didih air) dan terus dipanaskan maka lama kelamaan air jumlah air akan semakin berkurang karena telah berubah menjadi uap atau dengan kata lain, jika suhu suatu zat telah mencapai titik didih maka kalor yang diberikan digunakan untuk mengubah wujud. Semakin banyak jumlah air yang dipanaskan maka waktu yang diperlukan untuk memanaskan air semakin lama atau dengan kata lain kalor yang diperlukan semakin banyak.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa kalor yang diberikan sebanding dengan perubahan suhu suatu zat dan juga sebanding dengan massa zat. Secara matematis dapat diuraikan berikut ini:

Besaran m .c pada persamaan kalor di atas disebut dengan kapasitas kalor (C). Secara matematis:

Jadi kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1^oC dengan satuan J/^oC.

Asas Black

Apabila suatu zat dicampur dengan zat lain yang suhunya berbeda, maka antara kedua zat itu akan terjadi pertukaran kalor hingga tercapainya keseimbangan termal dimana suhu kedua zat akan sama. Hal ini di kemukakan oleh Joseph Black (lihat gambar di atas).

Black menemukan bahwa pada proses pencampuran ini, besarnya kalor yang dilepaskan oleh zat yang suhu awalnya lebih tinggi akan sama dengan besarnya kalor yang diterima oleh zat yang suhu awalnya lebih rendah. Black kemudian merumuskan asasnya yang berbunyi: kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima.

Asas Black merupakan bentuk lain dari hukum kekekalan energi, yaitu banyaknya energi selalu tetap. Artinya, bila sebuah benda memberikan kalor kepada benda lain, maka kalor yang diterima sama dengan kalor yang diberikan. Secara matematis:

Kalorimeter

Dengan menerapkan hukum kekekalan energi dapat dilakukan pengukuran-pengukuran kalor atau kalorimetri. Kalorimeter adalah suatu alat yang dapat digunakan untuk menentukan besarnya kalor jenis dari suatu zat. Kalorimeter bekarja berdasarkan asas Black, yaitu besarnya kalor yang dilepaskan oleh sebuah benda yang suhunya lebih tinggi akan sama dengan kalor yang diterima oleh benda yang bersuhu lebih rendah.

Kalorimeter dibuat dari bejana yang sudah diketahui kalor jenisnya (ck) misalnya tembaga atau aluminium. Bejana ini dimasukkan ke dalam bejana yang lebih besar kemudian ditutup dengan kayu. Pada tutup ini dilengkapi dengan dua buah lubang, yang satu untuk termometer dan yang satunya untuk pengaduk. Supaya tidak ada panas yang hilang, di antara bejana yang kecil dan yang besar diletakkan gabus.

Langkah-langkah penggunaan kalorimeter yaitu:

– Kalorimeter dan pengaduknya ditimbang (mk)

– Kalorimeter diisi air lalu ditimbang lagi. Hasilnya dikurangi dengan mk, maka diperoleh massa air (ma).

– Suhu kalorimeter berikut air dan pengaduknya diukur dengan termometer (ta = tk)

– Bahan yang akan diukur kalor jenisnya ditimbang (mx)

– Bahan dipanaskan kemudian diukur suhunya (tx)

– Bahan yang sudah dipanaskan dimasukkan ke dalam kalorimeter dan diaduk perlahan kemudian diukur suhu campurannya (tcp)

Dalam hal ini, yang melepaskan kalor adalah bahan yang akan dicari kalor jenisnya dan benda yang menerima kalor adalah air dan kalorimeter. Menurut hukum kekekalan energi:

Dengan memasukkan harga-harga dari hasil pengukuran di atas maka kalor jenis bahan (cx) dapat dihitung.

Perubahan Wujud Zat

Perubahan wujud zat dapat dibedakan menjadi perubahan fisika dan perubahan kimia. Perubahan fisika adalah perubahan wujud yang terjadi pada suatu zat dimana zat tersebut dapat dikembalikan lagi ke wujud semula atau dalam proses perubahan itu tidak dihasilkan zat baru. Misalnya lilin jika dibakar akan meleleh dan ketika didinginkan maka akan kembali menjadi padat.

Perubahan kimia adalah perubahan wujud zat dimana zat tersebut tidak dapat kembali ke wujud semula atau pada proses perubahan itu dihasilkan zat baru. Misalnya kertas yang dibakar akan menjadi arang dan tidak dapat kembali lagi menjadi kertas.

Dalam pokok bahasan ini akan dibahas mengenai perubahan fisika. Perubahan fisika meliputi melebur, membeku, mengembun, menguap, dan menyublim.

Melebur/mencair adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi cair sedangkan membeku adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi padat. Ketika melebur terjadi penyerapan kalor sedangkan ketika membeku terjadi pelepasan kalor. Untuk melebur ataupun membeku, suatu zat harus mencapai suatu suhu tertentu yang disebut titik lebur atau titik beku. Kalor dalam joule yang diperlukan untuk meleburkan 1 kg zat padat menjadi 1 kg zat cair pada titik leburnya disebut kalor lebur. Sebaliknya, kalor yang dilepaskan pada waktu 1 kg zat cair membeku menjadi 1 kg zat padat pada titik bekunya disebut kalor beku. Untuk zat yang sama, titik lebur sama dengan titik bekunya dan kalor lebur sama dengan kalor bekunya.

Secara matematis:

Menguap adalah perubahan wujud zat dari zat cair menjadi gas dan sebaliknya mengembun adalah perubahan wujud zat dari gas menjadi cair. Ketika menguap terjadi penyerapan kalor dan sebaliknya ketika mengembun terjadi pelepasan kalor. Zat cair dikatakan mendidih jika terjadi gelembung-gelembung uap di dalam seluruh zat cair dan dapat meninggalkan zat cair. Suhu zat ketika mendidih disebut titik didih. Banyaknya kalor dalam joule yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg zat cair menjadi 1 kg gas pada titik didihnya disebut kalor uap. Sebaliknya banyaknya kalor yang dilepaskan 1 kg gas ketika berubah menjadi zat cair disebut kalor embun. Untuk zat yang sama, kalor uap sama dengan kalor embunnya.

Secara matematis:

Menyublim adalah perubahan wujud zat padat menjadi gas tanpa melalui fase cair atau sebaliknya dari gas menjadi padat. Ketika zat padat berubah menjadi gas terjadi penyerapan kalor dan ketika gas menjadi zat padat terjadi pelepasan kalor. Contoh zat yang dapat menyublim adalah kapur barus, yodium, dan naftalin.