Fisika, Pemuaian dan Kalor

                              

    Pemuaian

      Umumnya zat akan memuai jika dipanaskan. Pemuaian dapat menimbulkan masalah, tetapi juga dapat dimanfaatkan. Masalah-masalah yang ditimbulkan pemuaian antara lain; rel kereta api dan jembatan beton melengkung, kaca jendela rumah atau mobil retak, pipa minyak membengkok, kawat telepon sengaja dibiarkan kendor agar tidak putus saat menyusut.

     

      Manfaat pemuaian antara lain: pengelingan pelat logam pelat logam pada pembuatan badan kapal; keeping bimetal yang dimanfaatkan pada saklar termal, termostat bimetal, termometer bimetal, dan lampu sen mobil; pemanasan ban baja sehingga memuai dan roda pas masuk ke ban baja dan ketika ban baja dingin, ia akan menyusut dan memegang roda dengan kuat.

Rumus Pemuaian Panjang

Bila suatu kawat yang tipis dipanaskan, maka akan terjadi perubahan ukuran panjang kawat tersebut. Perubahan ukuran tersebut merupakan salah satu contoh pemuaian panjang. Besarnya panjang zat padat untuk setiap kenaikan 1oC pada zat sepanjang 1 m disebut dengan koefisien muai panjang (α). 

Hubungan antara panjang, suhu dan koefisien muai panjang dapat ditulis sebagai berikut :

ΔL = Lo.α.ΔT

L = Lo.(1+α.ΔT)

L = panjang akhir (m)

Lo = panjang mula-mula (m)

ΔL = pertambahan panjang (m)

α = koefisien muai panjang (/oC)

ΔT = kenaikan suhu (oC)

Rumus Pemuaian Luas

Saat pelat besi dipanaskan maka akan ada perubahan ukuran panjang dan lebar dari pelat tersebut. Perubahan tersebut merupakan salah satu contoh pemuaian luas. Pertambahan luas zat padat untuk setiap kenaikan 1oC pada zat seluas 1 m2disebut dengan koefisien muai luas (β).

Hubungan antara luas, suhu dan koefisien muai luas dapat ditulis sebagai berikut :

ΔA = Ao.β.ΔT

A = Ao.(1+β.ΔT)

A = luas akhir (m2)

Ao = luas mula-mula (m2)

ΔA = pertambahan luas (m2)

β = 2α =  koefisien muai luas (/oC)

ΔT = kenaikan suhu (oC)

Rumus Pemuaian Volume

Bila suatu balok logam dipanaskan maka akan ada perubahan volume. Perubahan volume tersebut merupakan salah satu contoh pemuaian volume.

Hubungan antara volume, suhu dan koefisien muai luas adalah sebagai berikut :

ΔV = Vo.γ.ΔT

V = Vo.(1+γ.ΔT)

V = volume akhir (m3)

Vo = volume mula-mula (m3)

ΔV = pertambahan volume (m3)

γ = 3α = koefisien muai volume (/oC)

ΔT = kenaikan suhu (oC)

Perlu diingat bahwa :

β = 2α 

γ = 3α 

Kalor

Pengertian suhu, energi dalam, dan kalor. Dalam setiap materi, molekul-molekul bergerak secara tetap. Secara mudah suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata seluruh molekul. Suatu benda yang suhunya lebih tinggi memiliki molekul-molekul dengan energi kinetik yang lebih tinggi.

Energi dalam menyatakan total energi, yaitu jumlah energi kinetik dan energi potensial, yang dimiliki oleh seluruh molekul-molekul yang terdapat dalam benda.

Kalor adalah suatu istilah yang sering dicampuradukkan dengan suhu dan energi dalam, tetapi kenyataannya berbeda. Kalor adalah energi dalam yang dipindahkan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah ketika kedua benda mengalami kontak (penyentuhan maupun pencampuran).

Walaupun kalor dan suhu adalah besaran yang berbeda, keduanya berhubungan. Biasanya ketika kita memberi kalor pada suatu benda, suhunya naik. Satu kalorididefinisikan sebagai jumlah kalor yang ketika diberikan pada 1 gram air yang akan menaikkan suhu air tersebut 1^oC.

Satuan kalor menurut SI adalah joule disimbolkan dengan J, dimana:

1 kalori = 4,184 J atau mendekati 4,2 J.

Teori kalorik dan teori kinetik. Teori kalorik yang diperkenalkan oleh Lavoisiermenyatakan kalor adalah sejenis zat alir (disebut kalorik) yang terkandung dalam setiap benda dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Teori kalorik juga manyatakan bahwa benda yang suhunya tinggi mengandung lebih banyak kalorik daripada benda yang suhunya rendah. Ketika kedua benda disentuhkan, benda kaya kalorik kehilangan sebagian kaloriknya yang diberikan kepada benda miskin kalorik sampai benda mencapai suhu yang sama (tercapai keseimbangan termal). Sayangnya, teori ini tidak dapat menjelaskan fenomena mengapa kedua telapak tangan yang pada mulanya memiliki suhu yang sama dapat terasa hangat ketika digesek-gesekkan. Darimanakah datangnya kalorik? Lavoisier tidak dapat menjelaskannya.

Fenomena ini dapat dijelaskan setelah akhirnya disadari bahwa ‘kalor adalah suatu bentuk energi’. Kalor pada fenomena tersebut dihasilkan dari sebuah usaha (dalam hal ini sama dengan energi mekanik) yaitu gesekan antara kedua telapak tangan.

Teori kinetik lahir setelah orang mengetahui bahwa kalor adalah suatu bentuk energi. Teori ini menyatakan bahwa setiap zat disusun oleh partikel-partikel sangat kecil yang selalu bergerak. Dalam benda panas, partikel-partikel bergerak lebih cepat sehingga memiliki energi yang lebih besar dibandingkan dengan partike-partikel dalam benda yang lebih dingin. Ketika kedua benda disentuhkan, partikel-partikel dalam benda panas menabrak partikel-partikel dalam benda dingin sehingga terjadi perpindahan energi dari benda panas ke benda dingin. Begitu parikel-partikel dalam benda dingin menjadi lebih energetic, partikel-partikel dalam benda dingin juga memindahkan energinya ke benda panas. Pertukaran energi dari benda panas ke benda dingin  dan dari benda dingin ke benda panas akan mencapai kelajuan yang sama dan suhu yang sama (tercapai keseimbangan termal).

Kalor jenis. Ketika 1 kilokalori (4186 J) kalor diberikan kepada 1 kg air, suhu air akan naik 1 K (atau 1^oC). Tetapi untuk menaikkan suhu 1 kg gliserin 1 derajat hanya diperlukan kalor kira-kira 2510 J. Dan untuk menaikkan suhu 1 kg aluminium satu derajat hanya diperlukan 900 J. Kalor jenis didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 Kelvin (atau 1^oC). Kalor jenis diberi lambang c.Jadi c_air = 4184 J/kgK, c_gliserin = 2150 J/kgK, dan c_aluminium = 900 J/kgK..

Kapasitas kalor. Kapasitas kalor (diberi lambang C) didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar 1 derajat. Kapasitas kalor dinyatakan dalam J K^-1 atau J (^oC)^-1. Untuk benda bermassa m , hubungan antara kapasitas kalor C dan kalor jenis c adalah:

Kalor yang diterima atau dilepas, Q , oleh suatu benda bermassa m dan memiliki kalor jenis c, yang mengalami perubahan suhu ∆T derajat dinyatakan oleh:

Jika yang diketahui adalah kapasitas kalor benda, maka:

Perubahan suhu ∆T adalah 

Catatan: Jika ∆T positif, maka Q positif. Ini berarti benda menerima kalor. Jika∆T negatif, maka Q negatif. Ini berarti benda melepas kalor.

Alat yang digunakan untuk mengukur kalor disebut kalorimeter. Umumnya, kalorimeter digunakan untuk menentukan kalor jenis suatu zat.

Ada berbagai jenis kalorimeter, tiga diantaranya adalah: 1) kalorimeter aluminium, 2) kalorimeter elektrik, dan 3) kalorimeter bom, digunakan khusus untuk menentukan kandungan energi dalam makanan dan lemak.

Perubahan wujud. Berbagai proses perubahan wujud diperlihatkan pada diagram di bawah ini.

Gambar 2. Diagram proses perubahan wujud

Kalor laten. Umumnya, ketika kalor diberikan pada suatu zat, maka zat itu mengalami kenaikan suhu. Akan tetapi, jika kalor yang diterima oleh suatu zat digunakan untuk mengubah wujud, misalnya dari es (wujud padat) menjadi air (wujud cair), maka suhu zat adalah tetap selama proses perubahan wujud. Kalor yang digunakan oleh zat untuk mengubah wujud disebut kalor laten. Laten artinya tersembunyi, maksudnya untuk melukiskan bahwa kalor yang diterima oleh zat untuk mengubah wujud tidak terlihat sebagai kenaikan suhu.

Kalor laten (diberi simbol L) didefinisikan sebagai banyak energi kalor Q  yang diterima atau dilepas setiap satuan massa oleh zat untuk berubah wujud. Secara matematis ditulis:

Berdasarkan diagram perubahan wujud pada Gambar 2, ada beberapa macam kalor laten, yaitu kalor laten lebur atau kalor lebur (diberi simbol L_f, f diambil dari katafreezing), kalor laten beku atau kalor beku, kalor laten uap atau kalor uap (diberi simbolL_v , v diambil dari kata vaporizing), dan kalor laten embun atau kalor embun. Untuk suatu zat pada tekanan yang sama, belaku:

Kalor lebur   =    Kalor beku

Kalor uap     =    Kalor embun

Faktor yang mempengaruhi perubahan wujud antara lain: tekanan dan ketidakmurnian. Pengaruh tersebut adalah sebagai berikut: “Kenaikan tekanan dapat menurunkan titik lebur dan kenaikan tekanan pada permukaan air akan menaikkan titik didihnya. Sedangkan ketidakmurnian zat juga dapat menurunkan titik lebur dan titik didihnya.

Share :

Tweet

✚

Related Post