Home » , , , » Pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud zat

Pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud zat

Written By onfisika on Sunday, March 30, 2014 | 6:50 PM

Adanya pengertian, bahwa kalor bukanlah aliran fluida, melainkan merupakan suatu bentuk energi, yang dapat diperoleh dari perubahan energi mekanik, maka akan kita perhatikan apakah kalor tersebut akan mempengaruhi suatu benda atau temperatur dari suatu benda atau zat.

Apabila suatu benda diberikan kalor, maka pada zat tersebut dapat terjadi perubahan seperti :
a. terjadi pemuaian
b. terjadi perubahan wujud
c. terjadi kenaikan suhu

Ternyata kalor dapat menyebabkan benda berubah wujud atau menyebabkan benda mengalami perubahan suhu. Adanya pengaruh kalor terhadap perubahan wujud atau suhu, diteliti lebih lanjut oleh Joseph Black. Beberapa hal yang dikemukakan oleh Joseph Black berkaitan dengan perubahan suhu benda, ternyata dapat digunakan untuk menentukan besar kalor yang diserap oleh suatu zat.

Pemuaian

Pemberian kalor pada sustu zat selain dapat menaikkan atau menurunkan suhu zat, dapat juga merubah wujud suatu zat, atau menyebabkan benda mengalami pemuaian. Umumnya semua zat akan memuai jika ia mengalami kenaikan suhu, kecuali beberapa zat yang mengalami penyusutan saat terjadi kenaikan suhu, pada suatu interval suhu tertentu. Kejadian penyusutan wujud zat saat benda mengalami kenaikan suhu disebut anomali, seperti terjadi pada air. Air saat dipanaskan dari suhu 0 °C menjadi 4 °C justru volumenya mengecil, dan baru setelah suhunya lebih besar dari 4 °C volumenya membesar.

Anomali Air

Hal tersebut diatas tidak berlaku sepenuhnya pada air, pada air terjadi perkecualian. Misalnya volume air akan berkurang bila suhunya dinaikkan dari 0 °C, peristiwa ini disebut dengan anomali air. Peristiwa anomali air dapat diterangkan dengan meninjau bangun kristal es. Dari pengamatan kristal es disimpulkan bahwa kedudukan molekul-molekul H2O teratur seperti bangun kristal es, yang penuh dengan rongga-rongga. Sedangkan molekul H2O dalam bentuk cair (air) lebih rapat dibandingkan dalam bentuk es, oleh karena itu es terapung dalam air. Bila air mulai 4 °C didinginkan molekul air mulai mengadakan persiapan untuk membentuk bangun berongga tersebut. °C. Volume air terkecil pada suhu 4 °C, dan pada 0 °C terjadi loncatan volume dari air 0 °C sampai es 0 °C, dimana pada suhu 0 °C volume es > volume air

Pada umumnya zat akan memuai menurut aturan sebagai berikut.

1) Pemuaian Panjang (Linier)
Suatu batang panjang mula-mula lo dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka,

α = 1/lo . Δt/Δl
Δl = α lo . Δt
α = koefisien muai panjang suatu zat ( per °C )

Sehingga panjang batang suatu logam yang suhunya dinaikkan sebesar Δt akan menjadi

lt = lo + Δl
lt = lo ( l + α . Δt )

Tabel Beberapa koefisien Muai Panjang Benda
Benda
a (K-1)
Besi
1,2x10-5
Tembaga
1,7x10-5
Kaca
8,5x10-6
Kuningan
1,8x10-5


Soal


Suatu batang logam yang terbuat dari aluminium panjangnya 2 m pada suhu 30 °C. Bila koefisien muai panjang aluminium 25 x 10–6 /°C.Berapakah pertambahan panjang batang aluminium tersebut bila suhunya dinaikkan menjadi 50 °C.

Jawab :

Δl = lo . α . Δt
= 2 . ( 25 x 10 -6 ) . (50 – 30 )
= 10 -3 m
Δl = 0,1 cm

Soal

Jika besi sepanjang 20 m dengan koefisien muai panjang 1,2. 10-5 /K dipanaskan dari suhu 00C hingga 1000C, maka tentukan pertambahan panjangnya !

Jawab :

∆l = lo .a. ∆t
∆l = 20 . 1,2.10-5. (100– 0)
∆l =2,4.10-3 m
Catatan :
Perubahan suhu dalam satuan derajat Celcius senilai dengan perubahan suhu pada Kelvin. Namun perlu diingat bahwa suhu derajat Celcius tidak senilai dengan Kelvin.


2) Pemuaian Bidang ( Luas )

Suatu bidang luasnya mula-mula Ao , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :

β    = 1/Ao. ΔA / Δt
ΔA = Ao β Δt
β    = Koefisien muai luas suatu zat ( per °C ) dimana β = 2 α

Sehingga luas bidang yang suhunya dinaikkan sebesar t akan menjadi
At = Ao + ΔA
At = Ao ( 1 + β Δt )


Soal

Plat besi luasnya 4 m2 pada 20 °C. Bila suhunya dinaikkan menjadi 100 °C maka berapa luasnya sekarang ?

Jawab:

α    = 11 x 10-6/ °C
β    = 22 x10-6/ °C
A = Ao (1 + β . Δt )
      = 4 .[1 + 22 . 10-6 . (100 - 20 ) ]
      = 4 [ 1 + 1760 . 10-6 ]
      = 4 [ 1 + 0,00176 ]
      = 4,00704 m2

Soal

Kaca seluas 2 m2 , dengan koefisien muai panjang 8,5.10-6 K, mengalami pemanasan dari suhu 20 °C hingga 120 °C. Tentukan luas akhir dari kaca !

Jawab :

At =Ao (1+ b.∆t)
At =2 (1+ 2 x 8,5.10-6.(120 – 20 )
At =2,66 m2


3) Pemuaian Ruang ( volume )

Volume mula-mula suatu benda Vo , kemudian dipanaskan sehingga suhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini dapat ditunjukkan dalam rumus :

γ     = 1/Vo. ΔV/Δt
ΔV  = γ . Vo . Δt

γ = koefisien muai ruang suatu zat ( per °C )
γ = 3 α

sehingga persamaan volumenya menjadi
Vt = Vo + Δt
Vt = Vo ( 1 + γ . Δt )


Soal

Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m pada suhu 20 °C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10-5 /K, tentukan volume kuningan pada suhu 120 °C !

Jawab :

Vt =Vo (1+ g.∆t)
Vt =(5 x 2 x 1) (1+3.x1,8.10-5.(120 – 20 )
Vt =10,054 m3


a) Pemuaian Volume zat Cair

Zat cair yang hanya mempunyai koefisien muai volume ( γ ). Bila volume mula-mula suatu zat cair V0 kemudian zat cair itu dipanaskan sehingga suhunya naik sebesar Δt dan volumenya bertambah besar ΔV, maka dapat ditulis sebagai berikut
Vt = γ . Vo . Δt
dan volumenya sekarang menjadi
Vt = Vo + ΔV
Vt = Vo ( 1 + γ Δt )
Hal ini tidak berlaku bagi air dibawah 4 °C, ingat anomali air.


b) Pemuaian Volume Gas

Khusus untuk gas, pemuaian volume dapat menggunakan persamaan seperti pemuaian zat cair,

Vt = Vo ( 1 + γ Δt )

Perubahan volume gas tidak hanya menggunakan persamaan tersebut di atas, namun ada besaran-besaran lain yang perlu diperhatikan seperti tekanan dan temperatur. Persamaan yang berlaku dalam pemuaian gas dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.

Pada saat tekanan konstan, berlaku hukum Gay Lussac :

clip_image005

Pada saat temperatur konstan, berlaku hukum Boyle :

P1.V1 = P2.V2

Pada saat volume konstan, berlaku hukum Charles :
clip_image007

Pada saat kondisi ideal dengan mol konstan, berlaku hukum Boyle-Gay Lussac :
clip_image009

dengan keterangan,
V = volume (liter atau m3)
T = temperature (K)
P = tekanan (N/m2 atau atm atau Pa)


Soal

Suatu gas mula-mula volumenya V, berapa besarkah suhu harus dinaikkan supaya volumenya menjadi 2 kali volume mula-mula, dengan tekanan tetap.

Jawab

Diketahui :
Vo = V dan Vt = 2V
Ditanya : Dt ....?

Vt   = Vo ( 1 + 1/ 273 Δt )
2V = V ( 1+ 1/ 273 Δt )
2    = ( 1 + 1/ 273 Δt )
1    = 1/ 273 Δt
Δt  = 273 °C

Jadi suhu gas tersebut harus dinaikkan sebesar 273 °C

Perubahan Wujud

Ketika sejumlah kalor diterima atau dilepas oleh suatu zat, maka ada dua kemungkinan yang terjadi pada suatu benda, yaitu benda akan mengalami perubahan suhu, atau mengalami perubahan wujud. Kenaikan suhu suatu benda dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan yang mengkaitkan dengan kalor jenis atau kapasitas kalor. Sedangkan pada saat benda mengalami perubahan wujud, maka tidak terjadi perubahan suhu, namun semua kalor saat itu digunakan untuk merubah wujud zat, yang dapat ditentukan dengan persamaan yang mengandung unsur kalor laten. Besar kalor laten yang digunakan untuk mengubah wujud suatu zat dirumuskan :

Q = m.L

Dengan keterangan,
Q : kalor yang diterima atau dilepas (Joule atau kal)
m : massa benda (kg atau gram)
L : kalor laten (J/kg atau kal/gr)


Tabel kalor lebur dan kalor didih beberapa zat


Nama Zat
Titik lebur (°C)
Kalor lebur (J/kg)
Titik didih
Kalor didih (J/kg)
Air (es)
0
3,34.105
100
2,26.105
Raksa
-39
1,18.104
356,6
2,94.105
Alkohol
-115
1,04.104
78,3
8,57.106
Hidrogen
-2599
5,58.104
-252
3,8.105

Adanya kalor laten berupa kalor lebur dan kalor didih sangat sering dijumpai dalam kehidupan, seperti meleburnya es cream pada suhu normal, atau mendidihnya air sebelum dikonsumsi untuk kehidupan sehari-hari. Perubahan wujud ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik, yang menyatakan bahwa saat mencapai titik lebur atau titik didih, kecepatan getar zat akan bernilai maksimum, sehingga kalor yang diterima tidak digunakan untuk menambah kecepatan, namun digunakan untuk melawan gaya ikat antar molekul zat. Sehingga saat molekul-molekul itu dapat melepaskan ikatannya, maka zat akan berubah wujud melebur atau mendidih.


Soal

Tentukan kalor yang diperlukan untuk meleburkan 10 kg es pada suhu 0 °C. jika kalor lebur es 3,35. 105 J/kg !

Jawab 

Q = m . L
Q = 10 kg . 3,35. 10 5 J/kg
Q = 3,35. 106 J

Soal

Berapakah banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 gram es pada suhu 0 °C menjadi uap air pada suhu 100 °C ? (c air = 4.200 J/kg K, L es = 336 J/ g, L uap = 2.260 J/g)

Jawab

Diketahui :
m es    = 0 °C
t air     = 0 °C
tdidih   = 100 °C
c air    = 4.200 J/kg K
L es   = 336 J/ Gajahmungkur
L uap = 2.260 J/g
Ditanya : Q total……..?
Jawab :
Q1 = m es x L es
     = (2) x (336)
     = 672 Joule

Q2 = m es x c air x ∆t
     = (2 x 10-3)(4.200)(100)
     = 840 Joule

Q3 = mes x L uap
     = (2) (2.260)
     = 4.520 Joule

Jadi
Q total = Q1 + Q2 + Q3
           = 672 + 840 + 4.520
           = 6.032 Joule

Penerapan Soal Tingkat Lanjut :


Konversi Suhu dan Kalor Perubahan Wujud
Comments
0 Comments

0 komentar :

Post a Comment