FISIKA

A.Suhu

Suhu menunjukkan derajat panas benda. Mudahnya, semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut. Secara mikroskopis, suhu menunjukkan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran. Makin tingginya energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi suhu benda tersebut.

Suhu juga disebut temperatur yang diukur dengan alat termometer. Empat macam termometer yang paling dikenal adalah Celsius, Reumur, Fahrenheit dan Kelvin. Perbandingan antara satu jenis termometer dengan termometer lainnya mengikuti:

C:R:(F-32) = 5:4:9 dan

K=C + 273.

Sebagai contoh:

dan .

Alat Ukur Suhu secara kualitatif, kita dapat mengetahui bahwa suhu adalah sensasi dingin atau hangatnya sebuah benda yang dirasakan ketika menyentuhnya. Secara kuantitatif, kita dapat mengetahuinya dengan menggunakan termometer. Suhu dapat diukur dengan menggunakan termometer yang berisi air raksa atau alkohol. Kata termometer ini diambil dari dua kata yaitu thermo yang artinya panas dan meter yang artinya mengukur (to measure).

Mengacu pada SI, satuan suhu adalah Kelvin (K). Skala-skala lain adalah Celsius, Fahrenheit, dan Reamur.Pada skala Celsius, 0 °C adalah titik dimana air membeku dan 100 °C adalah titik didih air pada tekanan 1 atmosfer. Skala ini adalah yang paling sering digunakan di dunia. Skala Celsius juga sama dengan Kelvin sehingga cara mengubahnya ke Kelvin cukup ditambahkan 273 (atau 273.15 untuk lebih tepatnya).Skala Fahrenheit adalah skala umum yang dipakai di Amerika Serikat. Suhu air membeku adalah 32 °F dan titik didih air adalah 212 °F.Sebagai satuan baku, Kelvin tidak memerlukan tanda derajat dalam penulisannya. Misalnya cukup ditulis suhu 20 K saja, tidak perlu 20° K.

Pemuaian

Pemuaian panas adalah perubahan suatu benda yang bisa menjadi bertambah panjang, lebar, luas, atau berubah volumenya karena terkena panas (kalor). Pemuaian tiap-tiap benda akan berbeda, tergantung pada suhu di sekitar dan koefisien muai atau daya muai dari benda tersebut. Perubahan panjang akibat panas ini, sebagai contoh, akan mengikuti:

di mana

adalah panjang pada suhu t,

adalah panjang pada suhu awal,

adalah koefisien muai panjang, dan

adalah besarnya perubahan suhu.

Suatu benda akan mengalami muai panjang apabila benda itu hanya memiliki (dominan dengan) ukuran panjangnya saja. Muai luas terjadi pada benda apabila benda itu memiliki ukuran panjang & lebar, sedangkan muai volum terjadi apabila benda itu memiliki ukuran panjang, lebar, & tinggi.

di mana

adalah luas (Area) pada suhu t,

adalah luas pada suhu awal,

adalah koefisien muai luas, dan

adalah besarnya perubahan suhu.

Dan untuk perubahan volum:

di mana

adalah V(olum) pada suhu t,

adalah volum pada suhu awal,

adalah koefisien muai volum, dan

adalah besarnya perubahan suhu.

KALOR

Panas, bahang, atau kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Satuan SI untuk panas adalah joule.

Panas bergerak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Setiap benda memiliki energi dalam yang berhubungan dengan gerak acak dari atom-atom atau molekul penyusunnya.

Energi dalam ini berbanding lurus terhadap suhu benda. Ketika dua benda dengan suhu berbeda bergandengan, mereka akan bertukar energi internal sampai suhu kedua benda tersebut seimbang. Jumlah energi yang disalurkan adalah jumlah energi yang tertukar. Kesalahan umum untuk menyamakan panas dan energi internal. Perbedaanya adalah panas dihubungkan dengan pertukaran energi internal dan kerja yang dilakukan oleh sistem. Mengerti perbedaan ini dibutuhkan untuk mengerti hukum pertama termodinamika.

Radiasi inframerah sering dihubungkan dengan panas, karena objek dalam suhu ruangan atau di atasnya akan memancarkan radiasi kebanyakan terkonstentrasi dalam "band" inframerah-tengah. Ketika suatu benda melepas panas ke sekitarnya, Q < 0. Ketika benda menyerap panas dari sekitarnya, Q > 0. Jumlah panas, kecepatan penyaluran panas, dan flux panas semua dinotasikan dengan perbedaan permutasi huruf Q. Mereka biasanya diganti dalam konteks yang berbeda.

Jumlah panas dinotasikan sebagai Q, dan diukur dalam joule dalam satuan SI.

di mana

adalah banyaknya kalor (jumlah panas) dalam joule

adalah massa benda dalam kg

adalah kalor jenis dalam joule/kg °C, dan

adalah besarnya perubahan suhu dalam °C.

Kecepatan penyaluran panas, atau penyaluran panas per unit, ditandai

untuk menandakan pergantian per satuan waktu. Dalam Unicode, adalah Q̇, meskipun ada kemungkinan tidak dapat ditampilkan secara benar di seluruh browser. Diukur dalam unit watt.

Flux panas didefinisikan sebagai jumlah panas per satuan waktu per luas area, dan dinotasikan q, dan diukur dalam watt per meter2. Juga biasanya dinotasikan sebagai Q″ atau q″ atau 

Jumlah energi panas, ΔQ, dibutuhkan untuk menggantu suhu suatu material dari suhu awal, T0, ke suhu akhir, Tf tergantung dari kapasitas panas bahan tersebut menurut hubungan:

Kapasitas panas tergantung dari jumlah material yang bertukar panas dan properti bahan tersebut. Kapasitas panas dapat dipecah menjadi beberapa cara berbeda. Pertama-tama, dia dapat dipresentasikan sebagai perkalian dari masa dan kapasitas panas spesifik (lebih umum disebut panas spesifik:

Cp = mcs

atau jumlah mol dan kapasitas panas molar:

Cp = ncn.

Molar dan kapasitas spesifik panas bergantung dari properti fisik dari zat yang dipanasi, tidak tergantung dari properti spesifik sampel. Definisi di atas tentang kapasitas panas hanya bekerja untuk benda padat dan cair, tetapi untuk gas mereka tak bekerja pada umumnya. Kapasitas panas molar dapat "dimodifikasi" bila perubahan suhu terjadi pada volume tetap atau tekanan tetap. Bila tidak, menggunakan hukum pertama termodinamika dikombinasikan dengan persamaan yang menghubungkan energi internal gas tersebut terhadap suhunya.

Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black. Asas ini menjabarkan:

• Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama

• Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas

• Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan

Rumus Asas Black =

(M1 X C1) (T1-Ta) = (M2 X C2) (Ta-T2)

Catatan :

M1 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi

C1 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi

Ta = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi

T1 = Temperatur akhir pencampuran kedua benda

M2 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

C2 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

T2 = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

Sebagaimana kita ketahui bahwa suatu benda bisa berada dalam wujud padat, cair dan gas. Sekarang malah telah diketahui pula bahwa suatu benda bisa berada dalam wujud ‘plasma” yaitu suatu keadaan dimana benda gas, atom-atomnya sudah terionisasi semua dalam keadaan bebas. Disini wujud plasma itu tidak akan diuraikan karena seluk-beluknya cukup luas dan merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang cukup berkembang.

Selanjutnya kita mendefinisikan suatu besaran yang dinamakan “kalor” yang merupakan suatu kuantitas panas dinyatakan dalam satuan kalori. Dalam hal ini satu kalori didefinisikan sebagai )kuantitas panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air murni (H2o dari 19,5oC.Selanjutnya menurut penyelidikan yang dilakukan oleh Joule bila tenaga mekanik yang diberikan pada suatu sistem dapat diisolir sedemikian rupa sehingga tak ada tenaga yng hilang, maka dari hasil eksperimen itu tenaga mekanik 4,2 joule setara dengan 1 kalori.Jadi kalau kita mengubah satuan tenaga kedalam satuan kalori maka perbandingannya adalah 4,2 joule = 1 kalori.

Setelah definisi satuan panas kita definisikan maka segera kita dapat merumuskan sangkutan antara kuantitas kalor dengan perubahan suhu.Dalam hal ini andaikan kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu m gram suatu benda dari t0 ke t1 = t0 + t, kita lambangkan dengan Q, maka:

Dengan demikian kita dapat mendefinisikan Sebagai "kalor jenis" suatu benda.Jadi nyatalah bahwa besarnya klor yang diserap suatu benda jika suhunya dinaikan sebesar t adalah: 

(9.4) 

Perlu kita catat disini bahwa besaran mc pada persamaan (9.4) sering dinamakan “harga air kalorimeter” yang mempunyai satuan.

Gambar 9.1 Grafik Perubahan Wujud Air 

Sekarang kalau kita tinjau grafik perubahan wujud air (H2O) dalam bidang ( t, Q ) maka diagramnya akan tampak seperti Gambar 9.1. Pada diagram tersebut tampak dengan jelas bahwa suhu benda tidak berubah namun terjadi perubahan kalor. Pada peralihan tersebut jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa benda (m) dengan demikian menurut grafik diatas.

Qo – Qc = Q ( penguapan air )= u m 

(9.5) 

Dimana u = panas penguapan / pengembunan air, dan

Q1 – Qo = Q ( peleburan es ) = L m 

Dimana L = panas peleburan / pembekuan air. 

Perlu dicatat disini bahwa dalam praktek untuk keperluan perhitungan yang tidak teliti biasanya diambil u = 540 kalori/gram dan L = 80 kalori/gram. Patut dicatat disini bahwa dalam proses perubahan benda dari fasa yang satu kefasa lain ditandai dengan jumlah kalor tertentu. Hal ini perlu diperingatkan bahwa dalam suatu proses yang berlangsung secara sinambung (seperti pada proses pembuatan garam) perubahan wujud itu sebenarnya tidak mesti dikaitkan dengan suhu tertentu. Yang penting jumlah kalor yang telah diserap dalam proses yang bersangkutan sesuai dengan keperluan perubahan wujud tersebut.

Selain itu seperti telah disinggung pada uraian lalu bahwa dua buah sistem yang mempunyai kalor yang berbeda, maka apabila kedua sistem dalam keadaan berkontakan satu sama lain akan ternyata bahwa keadaan setimbang kedua sistem tersebut akan mempunyai kalori yang sama. Menurut pernyataan ini suatu sistem yang kalornya besar akan memberikan kalornya kepada sistem yang lain yang lebih rendah kalornya bila keduanya berkontakan. Perpindahan kalor tersebut akan berlangsung terus kepihak yang rendah kalornya sampai pada akhirnya kedua sistem sudah sama kalornya. Azaz ini penting sekali artinya dalam kalorimetri. Tentu saja dalam proses kontakan antara kedua sistem yang berkontakan itu haruslah terisolir terhadap sistem lainnya sedemikian tidak ada proses perpindahan kalor kecuali antara kedua sistem yang bersangkutan.

Untuk Koefisien Muai Panjang dapat dituliskan

l = lo t dimana : l0 = panjang mula-mula, t = perubahan suhu l = perubahan panjang akibat pemanasan, = koefisien muai panjang. Dengan demikian panjang l setelah pemanasan akan diberikan oleh: 

l = lo + l

l = lo + lo t

Untuk Muai Luas

Menurut sifat muai panjang maka : a = ao (l + (t-to) ) dan b = bo (l + (t-to)) Sehingga luasnya sekarang menjadi : a = ao bo { l + (t-to){l + (t-to)} = Ao{l+2 (t-to)+ 2(t-to)2} berhubungan karena kecil sekali, maka 2<< sehingga kita dapat mendekati A = Ao {l +2?(t-to)} = Ao {l + ? (t-to)} (9.7) Dimana = 2 merupakan koefisien muai luasan. 

Untuk Muai Volume:

o Vo = V = Vo (l + t)

Sehingga diperoleh 

Dimana o = massa jenis benda pada suhu to dan = massa jenis benda pada suhu t. Dari rumus (9.9) dengan jelas tampak bahwa massa jenis benda akan makin kecil bila suhunya dinaikkan.