Suhu dan Kalor

Suhu dan kalor merupakan salah satu materi yang ada dalam ilmu fisika. Pembahasan kali ini biasanya sangat identik dengan panas, namun maksud dari ilmu fisika yang satu ini tidaklah selalu mengenai panas. Materi suhu serta kalor wajib kamu pahami jika ingin belajar ilmu fisika lebih lanjut lagi.

Pengertian Suhu dan Kalor

Suhu adalah ukuran panas atau dinginnya suatu benda maupun sistem. Suhu didefinisikan sebagai ukuran energi kinetik rata-rata yang dimiliki molekul benda, serta menggambarkan gerakan molekul benda. Suatu benda yang memiliki ukuran suhu yang tinggi, artinya energi panasnya juga tinggi. Selain itu, benda yang bersuhu tinggi mempunyai energi kinetik molekul rata-rata yang tinggi dan cepat.

Benda yang memiliki ukuran suhu rendah, artinya energi panas yang dimiliki juga rendah. Suhu rendah memiliki energi kinetik molekul rata-rata yang tinggi, dan gerakan molekulnya lambat. Adapun alat yang digunakan untuk mengukur suhu yakni termometer namanya.

Kalor adalah energi yang mengalami perpindahan dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah, sampai mencapai keseimbangan termal. Satuan yang digunakan dalam kalor adalah joule dan kalori. Diketahui bahwa 1 joule nilainya sama dengan 0,24 kalori, sedangkan 1 kalori ialah 4,2 joule. Besaran-besaran yang ada pada kalor di antaranya ialah kalor jenis, kapasitas kalor, dan energi kalor.

Perlu kamu ketahui ternyata untuk menaikkan suhu sebesar 1 K pada benda yang bermassa 1 kg membutuhkan sejumlah kalor yang disebut dengan kalor jenis loh. Berikut rumus untuk menghitung kalor jenis:

Kapasitas kalor ialah banyaknya kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu sebesar 1 K. Satuan dari kapasitas kalor ialah J/K Kapasitas kalor (C) dapat dihitung dengan rumus berikut:

Sedangkan untuk energi kalor dapat dirumuskan sebagai berikut:

Perpindahan Panas

Pada materi suhu dan kalor ini terdapat juga pembahasan tentang perpindahan panas. Perpindahan panas dibagi menjadi tiga jenis yang masing-masing memiliki medium berbeda saat panas tersebut berpindah. Berikut adalah 3 jenis perpindahan panas:

1. Konduksi

Konduksi berarti medium yang menjadi penghantar panasnya tidak disertai dengan gerakan permanen. Pada konsep molekuler, konduksi terjadi karena molekul yang memiliki kecepatan tinggi dan rendah saling bertubrukan. Sehingga dihasilkan peningkatan energi kinetik pada molekul yang dapat membuat suhu meningkat. Contohnya adalah perpindahan panas pada material logam.

2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi karena adanya perantara atau medium. Ketika suhu meningkat akan menyebabkan volume meningkat dan medium semakin rapat. Pada konsep molekuler, suatu medium yang renggang akan memiliki suhu yang rendah. Sedangkan medium rapat akan memiliki suhu yang tinggi.

Oleh karena itu, medium yang renggang akan cenderung bergerak ke bawah. Sebaliknya, untuk medium rapat akan bergerak ke arah atas. Contoh dari perpindahan panas secara konveksi adalah pendingin yang berada di dalam ruangan atau AC.

3. Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi tidak memerlukan penghantar atau medium. Akan tetapi perpindahan panas dilakukan dengan cara mentransmisikan emisi gelombang elektromagnetik dengan panas.

Pergerakan momentum dan atom secara acak menyebabkan terjadinya radiasi panas. Contohnya adalah perpindahan panas matahari yang bisa kamu rasakan di bumi ini.

Asas Black

Dua buah benda yang berbeda suhunya jika dicampurkan akan menjadi sama. Hal tersebut disebabkan benda panas memberikan sebagian kalornya kepada benda yang dingin. Benda dingin akan menyerap kalor yang jumlahnya sama dengan yang dilepas oleh benda panas, dan sebaliknya. Oleh karena itu, dalam asas black disimpulkan bahwa kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diserap.

∑Q_lepas = ∑Q_terima

∑Q_lepas = jumlah kalor yang dilepaskan oleh suatu zat (joule)
∑Q_terima = jumlah kalor yang diterima oleh suatu zat (joule)

Terdapat suhu akhir campuran dan merupakan suhu yang dihasilkan oleh benda yang berbeda suhunya, dan telah mencapai keseimbangan termal. Untuk mengetahui suhu akhir campuran dapat dihitung menggunakan rumus asas black seperti berikut:

m₁.c₁(T₁-T_c) = m₂.c₂(T_c-T₂)

Keterangan:
m = massa benda (kg)
c = kalor jenis (J/kg K)
T_c = suhu campuran (K)

Terdapat sebuah alat yang bekerja berdasarkan asas black yakni kalorimeter. Kalorimeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur besarnya kalor. Kalorimeter ini merupakan sistem terisolasi, sehingga tidak ada energi yang keluar ke lingkungan.

Skala Termometer

Termometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur suhu. Pembuatan termometer berdasarkan pada sifat termometrik. Sifat termometrik antara lain adalah perubahan wujud, tekanan, ukuran, warna, dan daya hantar listrik. Skala yang digunakan dalam termometer di antaranya adalah sebagai berikut:

1. Celcius, memiliki skala suhu dari 0-100 (ºC)
2. Reamur, memiliki skala suhu dari 0-80 (ºR)
3. Farenheit, memiliki skala suhu dari 32-212 (ºF)
4. Kelvin, memiliki skala suhu dari 273-373 (K)

Dalam mengonsevasikan skala suhu dapat menggunakan persamaan berikut:

Keterangan:
X = suhu terukur ºX
Y = suhu terukur ºY
X_A = titik atas skala ºX
X_B = titik bawah skala ºX
Y_A= titik atas skala ºY
Y_B = titik bawah skala ºY

Dengan persamaan tersebut, didapatkan rumus yang lebih mudah untuk mengonversikan skala suhu, yaitu:

Perubahan Wujud oleh Kalor

Adanya peristiwa menyerap dan melepaskan kalor dapat menyebabkan perubahan wujud suatu zat. Perubahan wujud yang disebabkan oleh kalor di antaranya ialah:

1. Peleburan

Perubahan zat cair menjadi zat padat.

2. Pembekuan

Perubahan zat padat menjadi zat cair.

3. Penguapan

Perubahan zat cair menjadi gas.

4. Pengembunan

Perubahan gas menjadi zat cair.

5. Deposisi

Perubahan gas menjadi zat padat.

6. Penyubliman

Perubahan zat pada menjadi gas.

Pada perubahan wujud suatu zat diperlukan kalor laten yang digunakan untuk mengubah wujud zat tanpa kenaikan suhu tiap satuan massa. Kalor laten terdiri dari kalor lebur atau beku dan kalor uap atau embun. Perubahan wujud karena kalor laten dapat dirumuskan dengan:

Keterangan:
Q = energi kalor (joule)
m = massa benda (kg)
L = kalor laten (J/kg)

Sehingga energi totalnya adalah:

Pemuaian Zat

Benda yang telah mengalami perubahan suhu akan mengalami pemuaian ataupun penyusutan. Salah satu pemuaian ialah terjadi pada zat padat dan yang dapat terjadi ialah pemuaian panjang, luas, volume. Berikut adalah rumus dari pemuaian:

1. Pemuaian Panjang

Keterangan:
Lo = panjang awal (m)
ΔL = perubahan panjang (m)
L’ = panjang akhir (m)
α = koefisien muai panjang (K^-1)

2. Pemuaian Luas

Keterangan:
Ao = luas awal (m²)
ΔA = perubahan luas (m²)
A’ = luas akhir (m²)
β = 2α = koefisien muai luas (K^-1)

3. Pemuaian Volume

Vo = volume awal (m³)
ΔV = perubahan volume (m³)
V’ = volume akhir (m³)
β = 3α = koefisien muai volume (K^-1)