FISIKA SMABI

Suhu dan Kalor – Pengantar

Suhu adalah ukuran yang menyatakan energi panas tersimpan dalam suatu benda. Benda bersuhu tinggi berarti memiliki energi panas yang tinggi, begitu juga sebaliknya. Kalor adalah perpindahan energi panas yang terjadi dari benda bersuhu yang lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah.

Lihat juga materi StudioBelajar.com lainnya:
Dioda
GLBB & Gerak Jatuh Bebas

Skala Termometer

Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu benda. Terdapat 4 skala umum yang digunakan untuk termometer

Celcius (oC)
Reamur (oR)
Fahrenheit (oF)
Kelvin (K)

Konversi antar 4 skala tersebut ditunjukkan oleh tabel berikut.

	Celcius	Reamur	Fahrenheit	Kelvin
Celcius	T	$\frac{5}{4}$ T	$\frac{9}{5}$ T + 32	T + 273
Reamur	$\frac{5}{4}$ T	1	$\frac{9}{4}$ T + 32	$\frac{4}{5}$ T + 273
Fahrenheit	$\frac{5}{9}$ (T-32)	$\frac{4}{9}$ (T-32)	1	$\frac{5}{9}$ (T-32) + 273
Kelvin	T-273	$\frac{4}{5}$ (T-273)	$\frac{9}{5}$ T (T-273)+32	1

Skala Celcius dan Fahrenheit umum digunakan pada pengukuran suhu di kehidupan sehari-hari, sedangkan skala suhu yang ditetapkan sebagai Satuan Internasional adalah skala Kelvin.

Perhitungan Kalor Perubahan Zat

Kalor dapat berakibat pada perubahan suhu atau wujud suatu zat. Penerimaan kalor akan meningkatkan suhu dan dapat mengubah zat padat menjadi cair atau zat cair menjadi gas, sedangkan pelepasan kalor akan menurunkan suhu dan dapat mengubah zat cair menjadi padat atau zat gas menjadi zat cair. Kalor yang diterima atau dilepas oleh suatu benda dapat dihitung dengan rumus berikut.

$Q = m \cdot c \cdot \Delta T + m \cdot L$

Dimana Q adalah banyak kalor (J), m adalah massa benda (Kg), c adalah kalor jenis (J/KgoC) dan adalah perubahan suhu (oC). Apabila benda mengalami perubahan wujud, maka jumlah energi yang digunakan tersebut dihitung dengan rumus m.L, dimana L adalah kalor jenis perubahan wujud zat. Satuan ukur kalor adalah kalori, dimana satu kalori adalah jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1oC. 1 Kalori disetarakan dengan 4.2 Joule.

Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga jenis berdasarkan medium perantaranya. Tiga jenis perpindahan panas tersebut adalah konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Konduksi

Konduksi berarti energi panas bergerak tanpa disertai pergerakan permanen medium yang menjadi penghantar panas. Contoh konduksi adalah rambatan panas pada material logam seperti besi, kawat, dan alumunium. Pada level molekuler, konduksi terjadi karena adanya tubrukan antara molekul berkecapatan lebih tinggi dengan molekul berkecepatan lebih rendah. Hal ini menghasilkan peningkatan energi kinetik molekular yang selanjutnya meningkatkan suhu.

2. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi seiring dengan perpindahan zat perantara atau medum. Contoh dari konveksi adalah pendinginan ruangan dengan AC dan pemanasan air. Pada level molekular, peningkatan suhu akan berpengaruh pada peningkatan volume dan juga kerapatan medium. Medium yang lebih renggang akan bergerak ke bawah, dan medium yang rapat bergerak ke atas. Medium yang lebih renggang adalah medium yang bersuhu lebih rendah, sebaliknya medium lebih rapat berarti suhu lebih tinggi. Pergerakan antar medium inilah yang mengakibatkan perpindahan panas.

3. Radiasi

Radiasi adalah penghantaran energi panas tanpa dibutuhkan penghantar. Panas ditransmisikan dengan emisi gelombang elektromagnetik. Pada level molekular, radiasi panas terjadi karena pergerakan acak momentum dan atom akibat radiasi elektromagnetik. Setiap benda akan mengeluarkan radiasi termal, bergantung dari panas yang dimiliki. Semakin panas objek tersebut makan semakin besar radiasinya. Salah satu contoh radiasi panas adalah perpindahan energi panas dari matahari ke bumi dan benda-benda antariksa lainnya.

Ketiga jenis perpindahan panas tersebut dapat terjadi sekaligus pada suatu proses pemanasan. Contohnya adalah proses memanaskan panci berisi air di atas kompor seperti pada gambar berikut. Rambatan panas api dari kompor ke panci adalah proses radiasi, kemudian air yang panas di bagian bawah panci akan bergerak ke atas bertukar posisi dengan air di bagian atas menghasilkan transfer panas melalui konveksi, dan panas yang terdapat di pemegang panci yang terbuat dari logam dapat dihantarkan ke tangan melalui proses konduksi.

suhu dan kalor - konduksi konveksi radiasi

Sumber gambar: machinedesign.com

Asas Black

Asas Black adalah hukum yang menyatakan bahwa untuk semua pertukaran energi panas (kalor), maka kalor yang diterima materi bersuhu lebih rendah akan sama besar dengan kalor yang dilepas oleh materi bersuhu lebih tinggi. Secara matematis, Asas Black dinyatakan sebagai berikut.

$Q_{lepas} = Q_{terima}$

Jika terdapat dua materi dengan suhu berbeda dicampurkan menjadi satu, asas black dapat digunakan untuk mengetahui suhu akhir campuran. Penerapannya secara matematis adalah sebagai berikut.

$Q_{lepas} = Q_{terima}$

$m_1 \cdot c_1 \cdot (T_1 - T_m) = m_2 \cdot c_2 \cdot (T_m - T_2)$

Keterangan:

m1 = Massa materi bersuhu lebih tinggi
c1 = Kalor jenis materi bersuhu lebih tinggi
T1 = Suhu materi bersuhu lebih tinggi
m2 = Massa materi bersuhu lebih rendah
c2 = Kalor jenis materi bersuhu lebih rendah
T2 = Suhu materi bersuhu lebih rendah
Tm = Suhu akhir campuran

Contoh Soal Suhu dan Kalor + Pembahasan

Soal Suhu dan Kalor 1

Kratos mencampur 4 kg air bersuhu 100oC dengan 8 kg air bersuhu 50oC. Berapa suhu akhir campuran?

Jawab

Diketahui:
m1 = 4 Kg
m2 = 8 Kg
c1 = c2 = c
T1 =100 oC
T2 = 50 oC

Ditanyakan: Tm?

$Q_{lepas} = Q_{terima}$

$m_1 \cdot c_1 \cdot (T_1 - T_m) = m_2 \cdot c_2 \cdot (T_m - T_2)$

$4 \cdot c \cdot (100 - T_m) = 8 \cdot c \cdot (T_m - 50)$

$(100 - T_m) = 2(T_m - 50)$

$200 = 3T_m \Longrightarrow T_m = \frac{200}{3} = 66,67 ^circ C$

Soal Suhu dan Kalor 2

Perhatikan grafik pemanasan 1 Kg es berikut ini!

Jika kalor jenis es 2.100 J/KgoC, kalor lebur es 336.000 J/KgoC, dan kalor jenis air adalah 4.200 J/KgoC, maka kalor yang dibutuhkan dalam proses dari P-Q-R adalah …. (UN Fisika SMP/MTs 2015)

Jawab

Diketahui:
ces = 2.100 J/KgoC
cair = 4.200 J/KgoC
m = 1 Kg

$\Delta T_{PQ} 0 - (-5) = 5 ^circ C$

Ditanyakan: QPQR?

$Q = m \cdot c \cdot \Delta T + m \cdot L$ .

$Q_{PQR} = 1 \cdot 2.100 \cdot 5 + 1 \cdot 336.000$ .

$Q_{PQR} = 10.500 + 336.000 = 346.500 J$

Soal Suhu dan Kalor 3

Perhatikan gambar thermometer Fahrenheit dan Celcius berikut ini!

Nilai X adalah …. (UN Fisika SMP 2015)

Jawab:

Diketahui: TF = 95oF

Ditanyakan: TC

$T_C = (T_F - 32) \cdot (\frac{5}{9})$ .

TC = (95-32) * 5/9 = 63 * 5/9 = 35oC

Sumber : https://www.studiobelajar.com

Fluida dinamis merupakan fluida yang dianggap:

Tidak kompresibel, jika diberi tekanan maka volumenya tidak berubah
Tidak mengalami gesekan, Pada saat mengalir, gesekan fluida degan dinding dapat diabaikan.
alirannya stasioner, tiap paket fluida memiliki arah aliran tertentu dan tidak terjadi turbulensi (pusaran-pusaran).
alirannya tunak (steady), aliran fluida memiliki kecepatan yang konstan terhadap waktu.

Lihat juga materi StudioBelajar.com lainnya:
Medan Magnet
Kapasitor

Jenis Aliran Fluida

Jenis aliran fluida dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

Aliran laminer, yakni aliran dimana paket fluida meluncur bersamaan dengan paket fluida di sebelahnya, setiap jalur paket fluida tidak berseberangan dengan jalur lainnya. Aliran laminer adalah aliran ideal dan terjadi pada aliran fluida dengan kecepatan rendah.
Aliran turbulen, yaitu aliran dimana paket fluida tidak meluncur bersamaan dengan paket fluida di sebelahnya, setiap jalur paket fluida dapat bersebrangan dengan jalur lainnya. Aliran turbulen ditandai dengan adanya pusaran-pusaran air (vortex atau turbulen) dan terjadi jika kecepatan alirannya tinggi.

Komponen-komponen dalam Fluida Dinamis

Debit (Q)

Debit adalah jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu (biasanya per detik). Besar debit aliran fluida dapat dicari dengan menggunakan satu dari dua formula ini:

$Q = \frac{V}{T}$

$Q = Av$

dimana:
Q adalah debit aliran fluida (m3/s)
V adalah volume fluida (m3)
t adalah selang waktu (s)
A adalah luasan penampang aliran (m2)
v adalah kecepatan aliran fluida (m/s)

Persamaan Kontinuitas

Karena fluida tidak mampu dimampatkan (inkompresibel), maka aliran fluida di sembarang titik sama. Jika ditinjau dari dua tempat, maka debit aliran 1 sama dengan debit aliran 2.

Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli merupakan hukum yang berlandaskan kekekalan energi per unit volume pada aliran fluida. Hukum ini menyatakan bahwa fluida pada keadaan tunak, ideal, dan inkompresibel; jumlah tekanan, energi kinetik, dan energi potensialnya memiliki nilai yang sama di sepanjang aliran. Jika ditinjau dari dua tempat, maka hukum Bernoulli dapat dinyatakan dengan:

$Em_1 = Em_2$

$P_1 + Ek_1 + Ep_1 = P_2 + Ek_2 + Ep_2$

$P_1 + \frac{1}{2} \rho v_1^2 + \rho g h_1 = P_2 + \frac{1}{2} \rho v_2^2 + \rho g h_2$

dimana:

P adalah tekanan (Pa)
$\rho$ adalah massa jenis fluida (kg/m3)
g adalah percepatan gravitasi (9,8 m/s2)
h adalah ketinggian air (m)
v adalah kecepatan aliran fluida (m/s)

Karena fluida disini merupakan fluida inkompresibel, maka massa jenisnya tidak berubah, sehingga persamaannya dapat disederhanakan menjadi:

$\frac{P_1}{\rho} + \frac{1}{2} v_1^2 + gh_1 = \frac{P_2}{\rho} + \frac{1}{2} v_2^2 + gh_2$

$\frac{P_1 - P_2}{\rho} = \frac{1}{2} (v_2^2 - v_1^2) + g(h_2 - h_1)$

Penerapan Hukum Bernoulli

Berikut ini merupakan fenomena yang terjadi maupun alat-alat yang menggunakan prinsip/hukum Bernoulli.

Teorema Toricelli

Fenomena air yang menyembur keluar dari lubang penyimpanan/tangki air dinamakan dengan teorema Toricelli. Besar energi kinetik air yang menyembur keluar dari lubang tangki air sama dengan besar energi potensialnya. Dengan begitu, kecepatan air pada lubang penyemburan sama dengan air yang jatuh bebas dari batas ketinggian air. Sehingga semakin besar perbedaan ketinggian lubang dengan batas ketinggian air, maka akan semakin cepat semburan airnya. Berdasarkan gambar diatas, dapat diformulasikan kecepatan air pada lubang tangki air sebesar:

$\frac{1}{2} \rho v^2 = \rho g h$

$v^2 = 2 g h$

$v = \sqrt{2gh}$

Venturimeter

Sebuah alat yang berfungsi untuk mengukur debit aliran fluida dinamis yang mengalir di pipa dengan mengandalkan hukum bernoulli. Venturimeter berbentuk seperti pipa dimana bagian tengahnya menyempit lalu kemudian melebar kembali.

Tabung pitot

Sebuah alat yang berfungsi untuk mengukur kelajuan aliran fluida dinamis dengan cara mengukur perbedaan tekanan aliran dengan dengan tekanan statisnya.

Penyemprot

Seperti pada penyemprot obat nyamuk ataupun parfum, saat lubang kecil diberikan tekanan, maka akan mengalir udara dengan kecepatan tinggi di atas lubang tersebut sehingga tekanannya akan lebih rendah dari tekanan di dalam botol. Dengan demikian, fluida di dalam botol akan terhisap keluar dan ikut berhembus dengan aliran udara berkecepatan tinggi tersebut.

Sayap pesawat terbang (Gaya Angkat Pesawat)

Pesawat dapat mengudara karena gaya angkat yang dihasilkan sayap saat pesawat tersebut melaju. Saat pesawat melaju, aliran fluida (udara) akan melewati sayap pesawat; aliran udara yang melewati sayap bagian atas melintas lebih jauh dibanding aliran udara yang melewati sayap bagian bawah; perbedaan kecepatan ini menimbulkan perbedaan tekanan dimana tekanan di sayap bagian atas akan lebih rendah dibanding tekanan pada sayap bagian bawah. Oleh karena sayap menerima tekanan dari bawah, maka sayap terdorong keatas (gaya angkat) yang juga ikut mendorong pesawat ke atas sehingga pesawat dapat mengudara.

Dengan menggunakan hukum Bernoulli untuk sayap pesawat dibagian atas dan sayap pesawat di bagian bawah dimana tidak terdapat perbedaan ketinggian sehingga energi potensialnya sama-sama nol, didapat:

$P_1 + \frac{1}{2} \rho v_1^2 = P_2 + \frac{1}{2} \rho v_2^2$

$P_1 - P_2 = \frac{1}{2} \rho (v_2^2 - v_1^2)$

$F_{angkat} = F_1 - F_2 = \frac{1}{2} \rho (v_2^2 - v_1^2)A$

dimana:

$F_{angkat} = F_1 - F_2$ adalah gaya angkat pesawat (N)
$\rho$ adalah massa jenis udara (kg/m3)
A adalah luasan sayap pesawat (m2)
v1 adalah kecepatan aliran udara pada bagian atas sayap (m/s)
v2 adalah kecepatan aliran udara pada bagian bawah sayap (m/s)

Contoh Soal Fluida Dinamis

Contoh Soal 1

Pada gambar diatas diketahui kecepatan fluida pada penampang besar 5 m/s. Berapa kecepatan aliran fluida pada penampang kecil jika diameter penampang besar dua kali dari diameter penampang kecil?

Pembahasan:

Dengan menggunakan persamaan kontinuitas didapat:

$Q_1 = Q_2$

$v_1 A_1 = v_2 A_2$

$v_2 = \frac{v_1 A_1}{A_2} = \frac{(5 m/s)A_1}{0,5 A_1}$

$v_2 = 10 m/s$

Contoh Soal 2

Sebuah pesawat dengan total luasan sayap sebesar 80 melaju dengan kecepatan 250 m/s. Jika kecepatan aliran udara pada bagian bawah pesawat sebesar 210 m/s, tentukan berapa besar maksimal berat total pesawat yang diperbolehkan agar pesawat dapat mengudara. ( $\rho_{udara} = 1,2 kg/m^3$ ).