Suhu dan Kalor Beserta Contoh Soal

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.

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.

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