Thursday, May 30, 2013

SUHU DAN KALOR



Di SLTP anda telah mempelajari tentang suhu sebagai besaran yang menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda, yang diukur dengan  termometer. Termometer menggunakan sifat termometrik zat jika dipanaskan, misalnya volum raksa dalam tabung kaca memuai jika dipanaskan. Di SLTP anda anda telah mempelajari cara menetapkan skala pada termometer Celcius, Fahrenheit, dan Kelvin. Dalam  bab ini topik tersebut dibahas ulang dan lebih di tekankan pada penetapan skala sembarang untuk termometer yang belum berskala.
Di SLTP anda hanya mengetahui bahwa zat yang di panaskan akan memuai . Dalam bab ini akan di tunjukkan bahwa ada zat, contohnya air yang dapat memuai atau menyusut ketika di panaskan Hampir pasti air memuai ketika dipanaskan, namun jika air dipanaskan antara suhu 00C sampai dengan 40C, maka air justru akan menyusut, jika bahasan pemuaian di SLTP lebih ditekankan pada pembahasan kualitatif (pemahaman konsep), maka dalam bab ini pemuaian zat padat maupun zat cair lebih ditekankan pada pembahasan kualitatif (hitungan. Sedangkan pembahasan kualitatif tentang pemuaian bab baru akan dibahas secara kuantitatif (hitungan) sedangkan pembahasan kualitatif tentang pemuaian gas baru akan dibahas secara kuantitatif dalam bab teori kinetik gas di kelas 2 semester 2 (jilid 2B).
Suhu, energi dalam dan kalor adalah tiga besaran yang sering dipahami dengan konsep yang salah oleh siswa. Suhu berkaitan dengan energi kinetik zat per satu molekul. Energi adalah energi total (energi kinetik + energi potensial yang dimiliki oleh molekul dalam zat. Sedangkan kalor adalah perpindahan sebagian energi dalam suatu zat ke zat lainnya karena perbedaan suhu. Jadi kalor lebih mirip dengan usaha ,  karena hanya terdefinisi jika energi (dalam) berubah. Jadi suatu istilah yang konsep jika menyatakan suatu benda memiliki kalor atu suatu usaha. Kalor yang diberikan pada suatu benda umumnya digunakan untuk menaikkan suhu benda. Tetapi ketika benda berubah wujud, misalnya es menjadi air, maka kalor tidak menaikkan suhu benda.
Di SLTP anda juga telah mempelajari tentang perpindahan kalor yaitu bahwa kalor dapat berpindah secara konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi umumnya terjadi dalam zat padat, konfekti terjadi pada fluida (zat cait dan gas), dan radiasi adalah perpindahan yang dapat melalui vakum atau ruang hampa misalnya kalor dari matahari dapat sampai ke bumi. Jika di SLTP perpindahan kalor dibahas hanya secara kualitatif, maka dalam bab ini bahasan itu diperluas secara kuantitatif.


Suhu

Bagaimana caranya mengukur suhu ?

Dalam buku jilid 1A telah dikatakan bahwa suhu termasuk suatu besaran pokok. Suhu menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Di SLTP anda telah mendemonstrasikan bahwa tangan anda tidak dapat digunakan sebagai alat pengukur suhu. Dapatkah anda memberi alasan mengapa tangan tidak dapat digunakan sebagai sensor suhu ? Jika anda tidak dapat menjawab pertanyaan ini, bacalah kembali buku Sains Fisika jilid 2A SLTP halaman 2 dan 3

            Alat untuk mengukur suhu adalah termometer. Di SLTP anda telah ketahui bahwa termometer memanfaatkan sifat termometrik zat untuk mengukur suhu. Sifat termometrik zat adalah adalah sifat fisis zat yang berubah jika dipanaskan, misalnya volum zat cair, panjang logam, hambatan listrik, seutas kawat platina, tekanan gas pada volum tetap, dan warna pijar kawat (filamin) lampu.


Ada berapa jenis termometer ?
Termometar paling umum digunakan untuk mengukur suhu dalam keseharian adalah termometer yang terbuat dari kaca dan diisi dengan zat cair. Di SLTP  telah anda ketahui bahwa yang tergolong termometer zat cair adalah termometer klinis, termometer dinding, dan termometer maksimum/minimum.
Selain termometer zat cair, jenis-jenis termometer lainnya adalah termometer bimetal, termometer hambatan, termokopel, termometer gas, dan pirometer. Prinsip kerja termometer-termometer ini telah dibahas di SLTP. Supaya anda tidak lupa tentang termometer-termometer ini, kerjakanlah kegiatan 6.1 berikut ini

Membuat Rangkuman
Tujuan : membuat rangkuman tentang jenis-jenis unsur termometer.
Alat dan Bahan :
Buku Sains Fisika Jilid 2A SLTP dan buku-buku referensi Fisika tentang Termometer
Langkah Kerja
1.      Bacalah buku- buku referensi Fisika yang Anda miliki atau anda pinjam, yang membahas tentang jenis-jenis termometer.
2.      Rangkumlah hasil bacaanmu dan sajikan dalam bentuk tabel seperti Tabel 6.1 berikut, sehingga mudah untuk anda pelajari ulang. Contoh diberikan untuk termometer raksa, dan anda diminta melanjutkan untuk termometer jenis lainnya.
Tabel 6.1 Rangkuman tentang jenis-jenis termometer
Jenis Termometer
Prinsip
Jangkauan Ukur (K)
Keuntungan (+)
Kerugian (-)
Raksa dalam tabung kaca
Ketika suhu naik, raksa memuai dan bergerak naik dalam sautu pipa kapiler
234 s/d 700
+   Dapat dipindah-pindah
-    tidak terlalu teliti
-    mudah pecah
Apa yang dimaksud dengan kalibrasi termometer ?
Kalibrasi termometer adalah kegiatan menetapkan skala sebuah termometer yang belum memiliki skala. Kalibrasi termometer juga telah anda pelajari di SLTP. Kita adakan membahas ulang topik ini.

Standar suhu dan Skala Celcius
Suhu termasuh besaran pokok dalam fisika. Oleh karena itu, seperti besaran-besaran pokok yang lain, suhu mempunyai standar. Standar untuk suhu disebut titik tetap. Ada dua titik tetap, yaitu ttik tetap bawah dan titik tetap atas.
Pada kenyataannya, suhu yang diketahui tetap ialah pada waktu benda mengalami perubahan wujud. Untuk pengukuran suhu yang tidak begitu tinggi digunakan titik lebus es sebagai titik tetap bawah dan titik didih aiar sebagai titik tetap atas. Menurut termometer yang banyak digunakan saat ini, titik tetap adalah titik lebur es murni dan ditandai dengan angka 0 (Gambar 6.1a). Alasan menyebut es murni karena ketidakmurnian es (misalnya bercampur dengan garam) akan menyebabkan titik lebur es (dibawah nol). Titik tetap atas adalah suhu uap diatas air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm dan ditandai dengan angka 100 (gambar 61b). Alasan menyebut tekanan 1 atm adalah karena titik didih air sangat dipengeruhi oleh tekanan udara diatas permukaan air. Mengapa suhu air mendidih tidak digunakan sebagai titik tetap atas? Hal ini dikarenakan kemurnian akan menyebabkan titik didih air lebih tinggi (diatas 100), sedangkan suhu uap tidak terpengaruh.
Skala suhu yang ditetapkan berdasarkan titik lebur es dan titik didih air disebut skala celcius, sesuai dengan nama orang yang pertama kali mengancurkan cara ini, yaitu seorang astronom Swedia bernama Anders Celcius ( 1701 – 1744).


Kalibrasi sebuah termometer ialah penetapan tanda-tanda untuk pembagian skala sebuah termometer. Empat langkah yang diperlukan dalam kalibrasi sebuah termometer adalah sebagai berikut.

1. Menentukan titik tetap bawah. Masukkanlah tabung termometer secara tegak ke dalam wadah corong yang berisi es murni (Gambar 6.1a). Ketika air hasil leburan menetas jatuh dari corong, itu berarti es sedang melebur. Biarkan termometer iti beberapa lama sampai tinggi permukaan raksa sudah tidak berubah. Ini berarti telah tercapai keseimbangan termal antara es yang sedang melebur dengan termometer. Tanda ketinggian raksa dengan garis dan tulis angka di sampingnya. Pasa skala Celcius, titik tetap bawah ditandai dengan angka 00C.

2.  Menentukan  titik tetap atas. Masukkan termometer ke dalam bejana yang berisi air murni (gambar 6.1b) dengan ujung tabing berada sedikit diatas permukaan air (jangan sampai menyentuh permukaan air). Panaskan air tersebut sampai mendidih. Biarkan beberapa lama sampai tercapai keseimbanagn termal antara uap air dan termometer. Tanda ketinggian raksa dengan garis dan tulis angka disampinya. Pada skala Celcius, titik tetap atas ditandai dengan angka 1000C.

3.  Bagilah jarak antara kedua titik tetap tersebut menjadi beberapa bagian yang sama. Pada skala Celcius, jarak antara kedua titik tetap dibagi atas 100 bagian, dan tiap bagian adalah 10C. Jadi 10C = 1/100 bagian.

4.  Kita dapat memperluas skala ini dibawah titik tetap bawah (ditandai dengan angka negatif) dan diatas titik tetap atas (ditandai dengan angka yang lebih besar dari 100), seperti ditunjukkan pada gambar 6.2. 
Contoh 6.1 Kalibrasi termometer

Pada sebuah termometer y, titik beku air adalah 50oy dan titik didik air adalah 200oy
(a)    Bila sebuah benda diukur dengan termometer Celcius maka suhunya 40oC. Berapa suhu ini jika diukur dengan termometer y ?
(b)   Pada angka berapa kedua skala menunjukkan angka yang sama
Jawab
(a)    Pada skala celcius : BA = 100oC – 0oC = 100oC
Pada y : BA = 200oy – 50oy = 150oy
Rumus perbandingan  ∆ C: ∆y = 100 : 150
Pada skala Celcius ∆C = PA = 40oC – 0oC = 40oC

Skala Kelvin                                                                                                         
Di SLTP telah anda ketahui bahwa setiap zat disusun oleh partikel-partikel yang bergetar. Getaran partikel-partikel  dalam zat menghasilkan energi kinetik. Energi kinetik rata-rata partikel sebanding dengan panas benda. Bila  seatu benda bertambah panas, maka energi kinetik rata-rata partikel juga bertambah besar.
Sangat mudah untuk mencapai  menambah energi kinetik rata-rata partikel dalam zat. Pukullah sekeping uang logam dengan palu, kemudian segera sentuh. Uang logam terasa hangat. Hal ini karena pukulan palu menyebabkan partikel-partikel dalam uang logam bergerak lebih cepat dan bertabrakan. Panaskan sebuah wadah yang berisi zat cair dalam nyala api (misal air), misal partikel-partikel air bergerak lebih cepat, dan suhu air menjadi lebih hangat. Jadi, suatu zat padat, cair maupun gas menjadi lebih  hangat karena partikel-partikelnya bergerak lebih cepat sehingga menghasilkan energi kinetik rata-rata partikel lebih besar.
Berdasarkan penjelasan diatas dapat disimpulkan bahwa suhu adalah ukuran kelajuan gerak partikel-partikel dalam suatu benda; lebih umum, sihu adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel dalam suatu benda.

Ilmuwan berusaha mencari besaran yang langsung sebanding dengan suhu. Anda telah mengetahui bahwa besaran yang langsung sebanding dengan suhu adalah energi kinetik tiap partikel. Makin besar energi kinetik rata-rata partikel, makin tunggi suhunya.
Kelajuan gerak partikel secara bertahap berkurang dengan turunnya suhu. Saat suhu mencapai kira-kira -273,160C, gerak partikel berhenti, sehingga tidak ada lagi panas yang dapat diukur. Jadi pada suhu ini, energi kinetik partikel sama dengan nol. Suhu inilah yang merupakan suhu paling rendah yang mungkin dapat dimiliki suatu benda. Suhu ini disebut nol mutlak.
Ilmuwan pertama mengusulkan pengukuran suhu berdasarkan suhu nol mutlak adalah seorang ahli fisika Inggris, Lord Kelvin (1824 – 1907). Skala suhu yang ditetapkannya disebut sklala Kelvin. Suhu-suhu pada skala Kelvin diukur dalam derajat yang disebut Kelvin, diberi lambang K (bukan 0K). Suhu terendah pada skala ini diberi tanda O K yang sama dengan  -273,160C. Suatu kelvin (1 K) pada skala Kelvin sama dengan 10C pada skala Celcius. Pada skala Kelvin tidak dikenal angka-angka negatif. Kesetaraan antara angka-angka yang ditunjukkan oleh skala Celcius dan skala Kelvin ditunjukkan pada gambar 6.4.


Hubungan antara skala Celcius dan skala Celvin dapat   dinyatakan dengan persamaan berikut :
T = t + 273                                                                  (6 – 2a)
Dengan  T adalah angka pada skala Kelvin dan t adalah angka pada skala Celcius.
Untuk keperluan pengukuran lebih teliti digunakan persamaan :
T = t + 273,16                                                             (6 – 2b)
            Kalangan ilmuwan lebih menyenangi skala Kelvin karena skala ini tidak di kalibrasi berdasarkan titik lebur dan titik didih, tetapi dikalibrasi berdasarkan batasan energi yang dimiliki oleh benda itu sendiri Suhu nol mutlak berarti partikel didalam benda sama sekali tidak memiliki energi kinetik. Jika benda A memiliki energi kinetik tiap partikel sebasar 2 x energi kinetik tiap partikel benda B, maka berarti suhu mutlak benda A