Goesmart - Termodinamika

suhu dan kalor

TERMOMETER

        Alat untuk mengukur suhu adalah trmometer. Termometer memanfaatkan sifat termometrik zat untuk mengukur suhu. Sifat termometrik zat adalah sifat fisis zat yang berubah ketika dipanaskan, misalnya volume zat cair, panjang logam, hambatan listrik seutas kawat platina, tekanan gas pada volume tetap, dan warna pijar kawat (filamen) lampu.

      Ada beberapa jenis termometer, tetapi pengoprasiannya selalu bergantung pada jumlah kandungan unsur yang berubah dengan temperatur. Termometer yang paling umum bergantung pada pemuaian bahan sesuai peningkatan temperatur.

Jenis-jenis Termometer yaitu :

a) Termometer berdasarkan isinya :

1) Termometer zat padat

     Termometer zat padat menggunakan prinsip perubahan hambatan logam konduktor terhadapap suhu sehingga sering juga disebut sebagai termometer hambatan. Biasanya termometer ini menggunakan kawat platina halus yang dililitkan pada mika dan dimasukkan dalam tabung perak tipis tahan panasp.

2) Termometer zat cair

          Termometer zat cair dibuat berdasarkan perubahan volume. Zat cair yang digunakan biasanya raksa atau alkohol. Keduanya dipilih karena masing-masing mempunyai kelebihan yaitu:

1. Raksa

Kelebihan :

Ø Raksa membeku pada suhu -39°C dan mendidih pada suhu 357°C sehingga termometer raksa paling tepat untuk mengukur suhu-suhu tinggi sampai dengan 357°C

Ø Raksa mengkilap sehingga mudah untuk dilihat

Ø Raksa tampak jelas saat naik atau turun akibat memuai atau menyusut karena mengalami pemanasan atau pendinginan.

Ø Tidak membasahi dinding

Ø Raksa merupakan penghantar panas yang baik

Ø Pemuainnya teratu

Kekurangan:

Ø Bila pecah dapat menimbulkan bahaya

Ø Harga mahal

2. Alkohol

Kelebihan :

Ø Alkohol membeku pada suhu –114,9°C dan mendidih pada suhu 78°C sehingga termometer alkohol paling sesuai untuk mengukur suhu-suhu rendah sampai dengan –144,9°C

Ø Pemuaiannya 6 kali lebih besar daripada raksa sehingga pengukuran mudah diamati

Ø bahaya yang ditimbulkan sangat kecil ketika terjadi kasus kerusakan pada termometer

Ø harganya lebih murah

Kekurangan :

Ø membasahi dinding kaca

Ø pemuaiannya tidak teratur

Ø tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi

Ø tidak berwarna sehingga susah untuk dilihat

3) Termometer gas

      Termomter gas menggunakan prinsip pengaruh suhu terhadap tekanan. Bagan alat ini sama seperti nanometer. Pipa U yang berisi raksa mula-mula permukaannya sama tinggi. Jika salah satu ujungnya dihubungkan dengan ruangan yang bersisi gas bertekanan, maka akan terjadi selisih tinggi.

b) Termometer berdasarkan penggunaannya yaitu:

1)   termometer klinis

      Termometer ini khusus digunakan untuk mendiaknosa penyakit dan bisanya diisi dengan raksa atau alkhohol. Termometer ini mempunyai lekukan sempit diatas wadahnya yang berfungsi untuk menjaga supaya suhu yang ditunjukkan setelah pengukuran tidak berubah setelah termometer diangkat dari badan pasien. Skala pada termometer ini antara 35°C sampai 42°C.

2) termometer laboratorium

       Termometer ini menggunakan cairan raksa atau alkhohol. Jika cairan bertambah panas maka raksa atau alkhohol akan memuai sehingga skala nya bertambah. Agar termometer sensitif terhadap suhu maka ukuran pipa harus dibuat kecil (pipa kapiler) dan agar peka terhadap perubahan suhu maka dinding termometer (reservoir) dibuat setipis mungkin dan bila memungkinkan dibuat dari bahan yang konduktor.

3)   termometer ruangan

        Termometer ini berfungsi untuk mengukur suhu pada sebuah ruangan. Pada dasarnya termometer ini sama dengan termometer yang lain hanya saja skalanya yang berbeda. Skala termometer ini antara -50°C sampai 50°C .

4)   termometer digital

        Karena perkembangan teknologi maka diciptakanlah termometer digital yang prinsip kerjanya sama dengan termometer yang lainnya yaitu pemuaian. Termometer digital menggunakan logam sebagai sensor suhunya yang kemudian memuai dan pemuaiannya ini diterjemahkan oleh rangkaian elektronik dan ditampilkan dalam bentuk angka yang langsung bisa dibaca

Referensi
Kanginan, Marthen.2006.Fisika untuk SMA Kelas X.Jakarta:Erlangga

SIFAT ANOMALI AIR

        

        Kebanyakan zat memuai ketika dipanaskan. Akan tetapi hal itu tidak berlaku untuk air pada rentang suhu 0 °C hingga 4C°. Jika air dipanaskan pada rentang suhu ini, air tidak memuai justru menyusut seiring kenaikan suhu. Di atas suhu 4°C, air memuai jika dipanaskan. Perlaku aneh air ini dinamakan sifat anomali air. Pada gambar disamping menunjukkan volum yang ditempati 1 g air sebagai fungsi suhu. Nampak bahwa volum air minimum terjadi pada suhu 4°C. Karena massa jenis zat berbanding terbalik dengan volumnya, maka massa jenis air maksimum terjadi 4°C. Air juga memuai saat membeku menjadi es. Itulah sebabnya es mengapung pad permukaan air.

       

        Sifat anomali air mempunyai efek penting pada kehidupan hewan dan tumbuhan air selama musim dingin. Ketika suhu air danau berada di atas 4°C dan mulai mendingin karena kontak dengan udara dingin di atasnya, air dipermukaan tenggelam karena mempunyai massa jenis yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat di bawahnya. Proses ini berlangsung sampai suhunya mencapai 4 °C. Ketika suhu permukaan turun menjadi kurang dari 4 °C, massa jenis air di dekat permukaan menjadi lebih kecil daripada massa jenis air yang lebih hangat dipermukaannya. Akibatnya, aliran ke bawah berhenti dan air didekat permukaan tetap terjaga lebih dingin daripada air dibawahya. Pada saat air dipermukaan membeku, es terapung karena mempunyai massa jenis yang lebih kecil daripada air. Air di dasar tetap terjaga 4°C sampai seluruh air danau membeku.

        

        Jika air beprilaku seperti zat lain, penyusutan akan terjadi terus-menerus pada saat pendinginan dan pembekuaan. Sehingga air di dasar danau akan membeku terlebih dahulu. Sirkulasi akibat perubahan massa jenis akan terus mengalirkan air yang hangat kepermukaan untuk pendinginan secara efesien. Sehingga danau akan membeku dengan mudah. Tentu saja hal ini akan membinasakan dengan segera seluruh kehidupan hewan dan tumbuhan yang tidak tahan beku. Jadi, dengan adanya sifat anomali ini jarang air membeku seluruhnya. Lapisan es dipermukaan akan bertindak sebagai isolator untuk mengurangi aliran kalor dari air ke udara dingin di atasnya. Sifat aneh air tetapi menakjubkan ini memungkinkan adanya kehidupan di dasar danau pada daerah-daerah yang mengalami musim dingin.

Referensi

Ruwanto, Bambang.2007.Asas-asas Fisika. Jakrata:Erlangga

Kanginan, Marthen.2006.Fisika untuk SMA Kelas X. Jakarta:Erlangga

PENERAPAN KALOR PADA LEMARI ES

         Aplikasi dalam bidang teknologi yang menggunakan prinsip bahwa pada waktu menguap diperlukan kalor adalah pada lemari es dan pendingin ruangan. Udara yang ditiupkan melalui eter mempercepat penguapan eter. Untuk menguap, eter memerlukan kalor yang diambil dari eter cair itu sendiri sehingga eter cair mendingin, yaitu di bawah C. Pada saat yang sama, karena suhu eter rendah maka terjadi perpindahan kalor dari air ke eter, sehingga pada akhirnya air membeku menjadi es.

         Prinsip kerja mesin pendingin seperti penguapan eter. Jika pada kegiatan tersebut eter yang menguap menghilang, maka pada lemari es, zat pendingin yang telah menguap tidak dibuang tetapi dimampatkan oleh sebuah pompa sehingga mencair kembali. Alat pendingin lemari es terdiri dari pompa pembeku, penukar panas, dan katup pemuaian.

       

         Pompa menarik uap freon yang keluar dari pembeku, memampatkannya dan meneruskannya ke penukar panas pada tekanan tinggi. Suhu uap freon sekarang menjadi lebih besar daripada suhu udara sekitar penukar panas sehingga uap freon akan melepaskan kalornya ke udara sekitar, dan uap freon mengembun menjadi cair. Bukti dari pelepasan kalor ke udara sekitar adalah tangan kita yang akan merasa panas ketika menyentuh sirip-sirip penukar panas pada bagian belakang lemari es.

         

         Freon cair yang keluar dari kondensor menuju ke katup pemuaian. Disini freon cair memuai dan kelajuan pemuaiannya diatur oleh katup pemuaian. Akibat pemuaian, freon cair akan menyerap kalor dari bahan yang disimpan di dalam lemari es sehingga bahan tersebut akan mendingin, sedangkan freon cair akan menguap. Uap freon yang keluar dari pembeku kemudian ditarik oleh pompa untuk mengulangi siklus berikutnya.

         

           Siklus akan berulang terus-menerus sehinga lemari es seakan-akan berfungsi mengambil kalor dari bahan-bahan makanan dalam lemari es dan membebaskan kalor-kalor ini ke lingkungan.

PERPINDAHAN KALOR SECARA KONDUKSI

Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor pada suatu zat tanpa disertai dengan perpindahan molekul-molekul zat yang menjadi perantaranya. Contohnya:
Peristiwa memanasnya ujung besi akibat ujung satunya dipanaskan dengan api. Dalam peristiwa tersebut, molekul-molekul besi tidak mengalami perpindahan, melainkan hanya menghantarkan kalornya saja.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Laju Perpindahan Kalor Secara Konduksi yaitu:

1. Beda suhu diantara kedua permukaan DT =T1-T2

(makin besar beda suhu makin cepat perpindahan kalor)

2. Ketebalan dinding d

(makin tebal dinding makin lambat perpindahan kalor)

3. Luas permukaan A

(makin luas permukaan makin cepat perpindahan kalor)

4. Konduktivitas termal zat k

Merupakan ukuran kemampuan zat menghantara n kalor , makin besar nilai k makin cepat perpindahan kalor

Dengan persamaan:

Keterangan:

T1 = ujung batang logam bersuhu tinggi (0C)

T2 = ujung batang logam bersuhu rendah (0C)

A = luas penampang hantaran kalor dan batang logam (m2)

l = panjang batang (m)

k = konduktivitas kalor (J/s m 0C)

Perpindahan Kalor Secara Konduksi Dalam Kehidupan Sehari-hari yaitu:

Konduktor dan Isolator pada panci untuk memasak

Konduktor dan isolator pada setrika listrik

PERPINDAHAN KALOR SECARA RADIASI

PERPINDAHAN KALOR SECARA RADIASI

         Perpindahan kalor secara radiasi adalah perpindahan kalor yang tidak memerlukan perantara apapun. Contohnya: ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun, kita  merasakan hangat walaupun kita tidak bersentukan dengan apinya secara langsung. Dalam kedua peristiwa di atas, terjadi perpindahan panas yang dipancarkan oleh asal panas tersebut sehingga disebut dengan Radiasi.

Contoh lainnya yaitu ketika kita mendekatkan tangan kita pada bola lampu yang sedang menyala. Rasa panas lampu akan memengaruhi tangan kita sehingga tangan kita terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa rasa panas dari lampu dipindahkan secara radiasi atau pancaran.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Laju Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Tetapan Stefan Boltzmann

Luas permukaan A, makin besar luas permukaan makin cepat perpindahan kalor

Suhu, makin besar beda suhu makin cepat perpindahan kalor

Emisivitas

dengan persamaan :

Keterangan : H = laju aliran kalor tiap satuan waktu (J/s atau watt)

Q = kalor yang dialirkan (J)

t = waktu (s)

A = luas (m2), luas permukaan lingkaran = 4.p.r2

T = suhu (K)

e = emisivitas benda (tanpa satuan)

(e bernilai 1 untuk benda hitam sempurna, dan bernilai 0 untuk benda tidak hitam sama sekali. Pengertian benda hitam sempurna disini adalah benda yang memiliki kemampuan menyerap semua kalor yang tiba padanya, atau mampu memancarkan seluruh energi yang dimilikinya).

Contoh:

1. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam.

Jawab:

Benda hitam, maka e = 1

T1 = 300 K

T2 = 350 K

= 5,672.10 s -8 watt/m2K4

a. R = e s ( T24 - T14)
= 1. 5,672.10-8 (3504 - 3004)
= 391,72 watt/m2

b. R = Q/A.t

Q = R. A. t
Q = 391,72. 0,5. 3600 = 705060 Joule

Perpindahan Kalor Secara Radiasi Dalam Kehidupan Sehari-hari

Pendiangan rumah

Rumah kaca dan efek rumah kaca

Panel surya

PEMUAIAN ZAT

PEMUAIAN ZAT PADAT

Pemuaian zat padat sering menimbulakan masalah. Pada kehidupan sehari-hari kita dapat mengamati apabila kaca jendela secara terus menerus terkena panas maka kaca jendela tersebut dapat pecah karena mengalami memuai. Oleh karena itu, bingkai kaca jendela selalu didesain ukurannya sedikit lebih besar daripada ukuran kacanya. Contoh lainnya pada rel kereta api.

Apabila rel secara terus menerus mengalami pemanasan, maka akan menyebabkan rel melengkung. Oleh karena itu, desain awal sambungan rel kereta menyediakan celah di antara sambungan du batang relnya.

Dari penjelasan di atas, dapatkah Anda menyebutkan beberapa contoh lagi masalah-masalah yang ditimbulkan pemuaian zat padat dan cara mengatasinya ?

Selain itu pemuaian juga dapat dimanfaatkan . perbedaan pemuaian antara dua keping logam yang berbeda koefisien muainya pada keping bimetal dimanfaatkan pada saklar termal, termostat bimetal, termometer bimetal, dan lampu sen mobil. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu ketika dipanaskan keping melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih kecil (invar). Sebaliknya ketika didinginkan keping melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih besar (perunggu).
perhatikan gambar di bawah ini

zat atau benda padat mengalami pemuaian kesegala arah. Untuk kasus zat padat yang ukuran lebar dan tingginya relatif kecil ddaripada ukuran panjangnya, pemuaian hanya dianggap terjadi pada arah panajng. Pemuaian jenis ini disebut pemuaian panajang. Biasanya pemuaian panjang terjadi pada kawat logam.

Adapun untuk kasus zat padat yang ketebalannya relatif kecil daripada diameternya, pemuaian dianggap terjadi pada luas benda tersebut. Pemuaian disebut pemuaian luas. Biasanya pemuaian luas terjadi pada lempengan atau plat. Luas merupakan besaran turunan dari besaran panjang. Hal ini berarti pemuaian luas pada dasarnya adalah pemuaian panjang juga. Begitu pula untuk dengan volume benda tertentu. Akan mengalami pemuaian volum yang pada dasarnya merupakan pemuaian panjang.

Pemuaian pada zat padat ada 3:

1. Pemuaian panjang

Jika suatu benda padat dipanaskan,benda tersebut akan memuai kesegala arah. Dengan kata lain ukuran panajng, luas dan volum benda bertambah. Untuk benda padat yang panjang tetapi luas penampangnya kecil, misalnya jarum rajut,kita dapat hanya memperhatikan pemuaian zat padat ke arah memanjangnya.

Untuk membandingkan muai panjang dari bebagai logam yang berbeda jenis ketika dipanaskan kita dapat menggunakan alat Muschenbrock. Misalnya, ketika tiga batang logam yang berbeda jenis (aluminium, tembaga dan besi) dan sama panjang dipanaskan, maka walaupun ketiga batang yang panjangnya sama ini mengalami kenaikan suhu yang sama, tetapi pertambahan panjang ketiganya ini berbeda. Perbedaan pertambahan panjang ini disebabkan oleh perbedaan koefisiea muai panjang

koefisien muai panjang adalah (a) suatu bahan adalah perbandingan antara pertambahan panjang (Dl) terhadap panjang awal benda (lo) per satuan kenaiakn suhu (DT). Secara sistematis ditulis :

2. Pemuaiana luas

Pemuaian luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada. Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang lebar sekali dan tipis. Pada pemuian luas faktor yang mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang.

3. Pemuaian volum

Pemuaian volum adalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang.

Referensi

Mundilarto, dkk.2007.Fisika 1 untuk SMP Kelas VII.Jakarta:Yudhistira

Kanginan, Marthen.2006.Fisika untuk SMA Kelas X.Jakarta:Erlangga

http://alljabbar.wordpress.com/2008/03/30/pemuaian/