Kalor

Daftar isi

1. Tujuan Pembelajaran
2. Pemuaian Zat
   1. Pemuaian Zat Cair
   2. Pemuaian Zat Padat
      1. Muai Panjang
      2. Muai Luas
      3. Muai Volume
   3. Pemuaian Zat Gas
      1. Isobarik
      2. Isokhorik
      3. Isotermis
   4. Perpindahan Kalor
      1. Konduksi
      2. Konveksi
      3. Radiasi

Tujuan Pembelajaran

Setelah kegiatan pembelajaran 2 ini, diharapkan peserta didik dapat:

1. menentukan panjang benda setelah mengalami muai panjang;
2. menentukan luas benda setelah mengalami muai luas; 
3. menentukan volume benda setelah mengalami muai volume; 
4. menentukan jumlah kalor yang dibutuhkn untuk menaikkan suhu;
5. menentukan jumlah kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat; dan
6. menentukan laju aliran kalor secara konduksi, konvesi maupun radiasi.

Pemuaian Zat

Gambar diatas menunjukkan gambar sambungan antar rel kereta api yang dibuat agak renggang untuk memberi ruang saat rel mengalami pemuaian.

Pemuaian zat umumnya terjadi ke segala arah, ke arah panjang, ke arah lebar dan ke arah tebal. Namun, pada pembahasan tertentu mungkin kita hanya memandang pemuaian ke satu arah tertentu, misalnya ke arah panjang, sehingga kita hanya hanya membahas pemuaian panjang. 

Pemuaian Zat Cair

Pada umumnya setiap zat memuai jika dipanaskan, kecuali air jika dipanaskan dari ${\displaystyle 0°C}$ sampai ${\displaystyle 4°C}$ akan menyusut. Sifat keanehan air seperti itu disebut anomali air.

Grafik anomali air seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini.

 

Keterangan:

Pada suhu ${\displaystyle 4°C}$ diperoleh:

a) volume air terkecil

b) massa jenis air terbesar

Karena pada zat cair hanya mengalami pemuaian volume, maka pada pemuaian zat cair hanya diperoleh persamaan berikut.

${\displaystyle V_t=V_0(1+\gamma \Delta T)}$

${\displaystyle \Delta V=\gamma V_0\Delta T}$

Tabel Koefisien Muai Ruang Zat Cair untuk Beberapa Jenis Zat dalam Satuan $$ K - 1

No.	Jenis Zat Cair	Koefisien muai Panjang
1.	Alkohol	0,0012
2.	Air	0,0004
3.	Gliserin	0,0005
4.	Minyak parafin	0,0009
5.	Raksa	0,0002

Pemuaian Zat Padat

Muai Panjang

Pemuaian panjang disebut juga dengan pemuaian linier. Pemuaian panjang zat padat berlaku jika zat padat itu hanya dipandang sebagai satu dimensi (berbentuk garis)

Untuk pemuaian panjang digunakan konsep koefisien muai panjang atau koefisien muai linier yang dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang zat dengan panjang mula-mula zat, untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu.

Jika koefisien muai panjang dilambangkan dengan ${\displaystyle \alpha }$ dan pertambahan panjang ${\displaystyle \Delta L}$, panjang mula-mula ${\displaystyle L_0}$ dan perubahan suhu ${\displaystyle \Delta T}$ maka koefisien muai panjang dapat dinyatakan dengan persamaan:

$\alpha =\frac{\Delta L}{L.\Delta T}$

Sehingga satuan dari ${\displaystyle \alpha }$ adalah ${\displaystyle \frac{1}{K}}$ atau ${\displaystyle K^{-1}}$. Dari persamaan di atas, diperoleh pula persamaan berikut.

${\displaystyle \Delta L=\alpha L\Delta T}$

Dimana

${\displaystyle \Delta L=L_t–L_0}$,

${\displaystyle L_t–L_0=\alpha L_0\Delta T}$

${\displaystyle L_t=L_0+\alpha L_0\Delta T}$

${\displaystyle L_t=L_0(1+\alpha \Delta T)}$

Keterangan:

${\displaystyle L_t}$ = panjang benda saat dipanaskan (${\displaystyle m}$)

${\displaystyle L_0}$ = panjang benda mula-mula (${\displaystyle m}$)

${\displaystyle \alpha }$ = koefisien muai linear/panjang (${\displaystyle /°C}$)

${\displaystyle \Delta T}$ = perubahan suhu (${\displaystyle °C}$)

Tabel Koefisien Muai Panjang dari Beberapa Jenis Zat Padat

Jenis Bahan	Koefisien muai Panjang (dalam ${\displaystyle K^{-1}}$)
Kaca	0,000009
Baja/besi	0,000011
Aluminium	0,000026
Pirex (Pyrex)	0,000003
Platina	0,000009
Tembaga	0,000017

Muai Luas

Jika zat padat tersebut mempunyai 2 dimensi (panjang dan lebar), kemudian dipanasi tentu baik panjang maupun lebarnya mengalami pemuaian atau dengan kata lain luas zat padat tersebut mengalami pemuaian. Koefisien muai pada pemuaian luas ini disebut dengan koefisien muai luas yang diberi lambang ${\displaystyle \beta }$ Analog dengan pemuaian panjang, maka jika luas mula-mula ${\displaystyle A_0}$, pertambahan luas ${\displaystyle \Delta A}$ dan perubahan suhu ${\displaystyle \Delta T}$, maka koefisien muai luas dapat dinyatakan dengan persamaan:

${\displaystyle \beta =\frac{\Delta A}{A.\Delta T}}$

Dari persamaan di atas, diperoleh pula persamaan berikut

${\displaystyle \Delta A=\beta A\Delta T}$

Dimana ${\displaystyle \Delta A=A_t–A_0}$, sehingga persamaan menjadi:

${\displaystyle A_t–A_0=\beta A_0\Delta T}$

${\displaystyle A_t=A_0+\beta A_0\Delta T}$

${\displaystyle A_t=A_0(1+\beta \Delta T)}$

Nilai ${\displaystyle \beta =2\alpha }$ sehingga persamaan diatas dapat juga ditulis sebagai berikut.

${\displaystyle A_t=A_0(1+2\alpha \Delta T)}$

Keterangan:

${\displaystyle A_t}$ = luas benda saat dipanaskan (${\displaystyle m^2}$)

${\displaystyle A_0}$ = luas benda mula-mula (${\displaystyle m^2}$)

${\displaystyle \beta }$ = ${\displaystyle 2\alpha }$ = koefisien muai luas (${\displaystyle /°C}$)

${\displaystyle \Delta T}$ = perubahan suhu (${\displaystyle °C}$)

Muai Volume

Zat padat yang mempunyai bentuk ruang, jika dipanaskan mengalami pemuaian volum. Koefisien pemuaian pada pemuaian volum ini disebut dengan koefisien muai volum atau koefisien muai ruang yang diberi lambang ${\displaystyle \gamma }$. Jika volum mula-mula ${\displaystyle V_0}$, pertambahan volum ${\displaystyle \Delta V}$ dan perubahan suhu ${\displaystyle \Delta T}$, maka koefisien muai volum dapat dinyatakan dengan persamaan:

${\displaystyle \Upsilon =\frac{\Delta V}{V\Delta T}}$

Dari persamaan di atas, diperoleh pula persamaan berikut.

${\displaystyle \Delta V=\Upsilon V_0\Delta T}$

Dimana ${\displaystyle \Delta V=V_t–V_0}$, sehingga menjadi:

${\displaystyle V_t–V_0=\gamma V_0\Delta T}$

${\displaystyle V_t=V_0+\gamma V_0\Delta T}$

${\displaystyle V_t=V_0(1+\gamma \Delta T)}$

nilai ${\displaystyle \gamma =3\alpha }$ sehingga persamaan diatas dapat juga ditulis sebagai berikut.

${\displaystyle V_t=V_0(1+3\alpha \Delta T)}$

Keterangan:

${\displaystyle V_t}$ = luas benda saat dipanaskan (${\displaystyle m^3}$)

${\displaystyle V_0}$ = luas benda mula-mula (${\displaystyle m^3}$)

${\displaystyle \gamma }$ = ${\displaystyle 3\alpha }$ = koefisien muai volume (${\displaystyle /°C}$)

${\displaystyle \Delta T}$ = perubahan suhu (${\displaystyle °C}$)

Pemuaian Zat Gas

Jika gas dipanaskan, maka dapat mengalami pemuaian volume dan dapat juga terjadi pemuaian tekanan. Dengan demikian pada pemuaian gas terdapat beberapa persamaan, sesuai dengan proses pemanasannya.

Pemuaian Volume pada Tekanan Tetap (Isobarik)

Jika gas dipanaskan pada tekanan tetap maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas itu.. Secara matematik dapat dinyatakan:

${\displaystyle V~T}$

Atau secara lengkap dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut

${\displaystyle \frac{V}{T}}$ = tetap atau ${\displaystyle \frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}}$

Pemuaian Tekanan Gas pada Volume Tetap (Isokhorik)

Jika pemanasan terus dilakukan pada gas dalam ruang tertutup, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlak gas tersebut. Secara matematik dapat dinyatakan sebagai berikut.

${\displaystyle P~T}$

Atau secara lengkap dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut

${\displaystyle \frac{P}{T}}$ = tetap atau ${\displaystyle \frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}}$

Pemuaian Volume Gas pada Suhu Tetap (Isotermis)

Jika gas dipanaskan dengan suhu tetap, tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas.

${\displaystyle P=\frac{1}{V}}$

diperoleh:

${\displaystyle P.V}$ = tetap atau ${\displaystyle P_1{V}_1=P_2{V}_2}$

Jika pada proses pemuaian gas terjadi tekanan berubah, volum berubah dan suhu berubah maka dapat diselesaikan dengan persamaan hukum Boyle - Gay Lussac

${\displaystyle \frac{P.V}{T}}$ = tetap atau =${\displaystyle \frac{P{V}_1}{T_1}=\frac{P{V}_2}{T_2}}$

Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (panas) dapat dibagi menjadi tiga jenis berdasarkan medium perantaranya. Tiga jenis perpindahan kalor tersebut adalah konduksi, konveksi, dan radiasi. Gambar diatas dapat menjelaskan 3 jenis perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi secara sekaligus. Rambatan kalor api dari kompor ke panci adalah proses radiasi, kemudian air yang panas di bagian bawah panci akan bergerak ke atas bertukar posisi dengan air ddingin i bagian atas menghasilkan transfer kalor melalui konveksi, dan panas yang terdapat di pemegang panci yang terbuat dari logam dapat dihantarkan ke tangan melalui proses konduksi.

Konduksi

Gambar diatas menunjukkan sebuah batang logam yang salah satu ujungny dipanaskan datas api sementara ujung yang satu lagi dipegang tangan. Panas yang terjadi di ujung logam yang dipanaskan di atas api dirasakan juga oleh tangan yang memegang ujung logam yang lainnya. Ini membuktikan adanya aliran kalor (panas) pada logam.

Peristiwa perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai dengan perpindahan partikel partikelnya disebut konduksi. Jumlah kalor yang dipindahkan per satuan waktu, secara matematis dituliskan:

${\displaystyle \frac{Q}{\Delta T}=H=kA\frac{\Delta T}{L}}$

Dengan

${\displaystyle H}$ = jumlah kalor yang merambat tiap satuan waktu atau laju aliran kalor (${\displaystyle J{s}^{-1}}$)

${\displaystyle k}$ = koefisien konduksi termal (${\displaystyle J{m}^{-1}{s}^{-1}{K}^{-1}}$)

${\displaystyle A}$ = luas penampang batang (${\displaystyle m^2}$)

${\displaystyle L}$ = panjang batang (${\displaystyle m}$)

${\displaystyle \Delta T}$ = perbedaan suhu antara kedua ujung batang (${\displaystyle K}$)

Contoh Soal

Batang logam dengan panjang 2 meter memiliki luas penampang ${\displaystyle 20c{m}^2}$ dan perbedaan suhu kedua ujungnya ${\displaystyle 50°C}$. Jika koefisien konduksi termal ${\displaystyle 0,2kal{m}^{-1}{s}^{-1}°C^{-1}}$ tentukan laju aliran kalor !

Pembahasan

Diketahui :

${\displaystyle L=2m}$

${\displaystyle A=20c{m}^2={20.10}^{-4}{m}^2}$

${\displaystyle k=0,2kal{m}^{-1}{s}^{-1}°C^{-1}}$

${\displaystyle \Delta T=50°C}$

${\displaystyle }$Ditanyakan

${\displaystyle H}$ = ...?

Jawab

${\displaystyle H=kA(\Delta \frac{T}{L})}$

${\displaystyle H=0,2.{20.10}^{-4}.\frac{50}{2}}$

${\displaystyle H=0,01kal{s}^{-1}}$

Konveksi

Saat kalian merebus air maka akan terjadi aliran (perpindahan ) kalor dari air yang panas dibagian bawah dengan air yang dingin dibagian atas wadah. Peristiwa perpindahan kalor yang disertai perpindahan massa atau perpindahan partikel partikel zat perantaranya disebut dengan aliran kalor secara konveksi. Laju kalor secara konveksi , secara matematis dapat dirumuskan:

${\displaystyle H=hA\Delta T}$

Dengan

${\displaystyle H}$ = laju perpindahan kalor (${\displaystyle J{s}^{-1}}$)

${\displaystyle h}$= koefisen konveksi termal (${\displaystyle J{s}^{-1}{m}^{-2}{K}^{-1}}$)

${\displaystyle A}$ = luas permukaan (${\displaystyle m^2}$)

${\displaystyle \Delta T}$ = perbedaan suhu (${\displaystyle K}$)

Contoh Soal

Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal ${\displaystyle 0,01kal{m}^{-1}{s}^{-1}°C^{-1}}$, memiliki luas penampang aliran ${\displaystyle 20c{m}^2}$. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu ${\displaystyle 100°C}$ ke dinding lainnya yang bersuhu ${\displaystyle 20°C}$ dan kedua dinding sejajar, berapakah besar kalor yang dirambatkan ?

Pembahasan

Diketahui :

${\displaystyle h=0,01kal{m}^{-1}{s}^{-1}°C^{-1}}$

${\displaystyle A=20c{m}^2=20.10-4m^2}$

${\displaystyle \Delta T=100–20=80°C}$

Ditanyakan

${\displaystyle H}$ = ...?

Jawab

${\displaystyle H=hA\Delta T}$

${\displaystyle H=0,01.{20.10}^{-4}.80}$

${\displaystyle H=1,6.{10}^{-3}kal{s}^{-1}}$

Radiasi

Saat kalian berkumpul di sekitar api unggun, akan dirasakan panas dari api yang menyala. Peristiwa perpindahan kalor tanpa zat perantara disebut dengan radiasi. Besar laju aliran kalor secara matematis dirumuskan :

${\displaystyle \frac{\Delta Q}{\Delta t}=e\sigma A{T}^4}$

 

Dengan 

${\displaystyle Q}$ = Kalor yang dipancarkan (${\displaystyle J}$)

${\displaystyle T}$ = suhu mutlak (${\displaystyle K}$)

${\displaystyle e}$ = emisivitas bahan

${\displaystyle \sigma }$ = tetapan Boltzman = ${\displaystyle 5,67.{10}^{-8}W{m}^{-1}{K}^{-4}}$

${\displaystyle A}$ = luas penampang benda (${\displaystyle m^2}$)

Contoh soal

Sebuah lampu pijar menggunakan kawat wolfram dengan luas ${\displaystyle {10}^{-6}{m}^2}$ dan emisivitasnya ${\displaystyle 0,5}$. Bila bola lampu tersebut berpijar pada suhu ${\displaystyle 1000K}$ selama ${\displaystyle 5}$ sekon (${\displaystyle \sigma =5,67.{10}^{-8}W{m}^{-1}{K}^{-4}}$), Hitunglan jumlah energi radiasi yang dipancarkan!

Pembahasan

Diketahui

${\displaystyle A={10}^{-6}{m}^2}$

${\displaystyle e=0,5}$

${\displaystyle T=1000K}$

${\displaystyle t=5}$ sekon

${\displaystyle \sigma =5,67.{10}^{-8}W{m}^{-1}{K}^{-4}}$

Ditanyakan

${\displaystyle \Delta Q}$ = ..?

${\displaystyle \frac{\Delta Q}{\Delta t}=e\sigma A{T}^4}$

${\displaystyle \Delta Q=e\sigma A{T}^4\Delta t}$

${\displaystyle \Delta Q=0,5.5,67.{10}^{-8}.{10}^{-6}{1000}^4.5}$

${\displaystyle \Delta Q==14,{175.10}^{-2}J}$

Rangkuman Latihan Soal