PENGARUH KALOR TERHADAP SUHU DAN WUJUD ZAT

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 l_o dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka,

α = 1/l_o . Δt/Δl

Δl = α l_o . Δt

α = koefisien muai panjang suatu zat ( per °C )

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

l_t = l_o + Δl

l_t = l_o ( 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 = l_o . 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 = l_o .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 A_o , terjadi kenaikkan suhu sebesar Δt sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :

β    = 1/A_o. ΔA / Δt

ΔA = A_o β Δt

β    = Koefisien muai luas suatu zat ( per °C ) dimana β = 2 α

Sehingga luas bidang yang suhunya dinaikkan sebesar t akan menjadi

A_t = A_o + ΔA

A_t = A_o ( 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_t  = A_o (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 :

A_t =A_o (1+ b.∆t)

A_t =2 (1+ 2 x 8,5.10^-6.(120 – 20 )

A_t =2,66 m²

3) Pemuaian Ruang ( volume )

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

γ     = 1/V_o. ΔV/Δt

ΔV  = γ . V_o . Δt

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

γ = 3 α

sehingga persamaan volumenya menjadi

V_t = V_o + Δt

V_t = V_o ( 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 :

V_t =V_o (1+ g.∆t)

V_t =(5 x 2 x 1) (1+3.x1,8.10^-5.(120 – 20 )

V_t =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

V_t = γ . V_o . Δt

dan volumenya sekarang menjadi

V_t = V_o + ΔV

V_t = V_o ( 1 + γ Δt )

Hal ini tidak berlaku bagi air dibawah 4 °C, ingat anomali air.