SUHU
Setelah memasak air, kamu akan merasakan air lebih panas dibandingkan sebelum dimasak. Kamu katakan suhu air panas lebih tinggi dibandingkan air sebelum dimasak. Sebaliknya, saat mengambil es ternyata es yang kamu pegang terasa dingin. Selain kedua contoh di atas, dalam kehidupan sehari-hari terdapat bebagai fenomena lain yang berkaitan dengan suhu.
Pemuaian adalah salah satu akibat yang disebabkan oleh adanya fenomena suhu. Pernahkah kamu membuat es di dalam plastik yang diisi penuh air? Setelah menjadi es, plastik akan membesar. Hal tersebut menunjukkan bahwa suhu dan pemuaian saling berkaitan.
1. Pengertian Suhu
Dalam kehidupan sehari-hari rasa panas, dingin dinyatakan hanya berdasarkan perasaan saja, tetapi perasaan kita tidak selalu dapat menggambarkan kadar panas atau dingin secara tepat. Agar lebih jelas lakukan kegiatan 1.1 terlampir. Pada siang hari ketika matahari bersinar terik kamu akan merasakan panas, sedangkan pada malam hari kamu akan merasakan dingin. Peristiwa lain, misalnya ketika kamu menyentuh gelas berisi air panas, kamu akan merasakan panas. Sebaliknya, ketika tanganmu menyentuh es, kamu akan merasakan dingin.
Panas dan dinginnya suatu benda dapat kamu rasakan lewat indra peraba. Akan tetapi, apakah indra peraba dapat mngukur tingkat atau derajat panas dinginnya suatu benda? Berdasarkan hasil penyelidikan sains yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa indra peraba tidak dapat digunakan sebagai alat ukur suhu yang baik karena tidak dapat menyatakan tingkat derajat panas dan dinginnya suatu benda. Untuk dapat mengukur suhu suatu benda dengan tepat, kita menggunakan alat ukur yang disebut termometer.
Besaran yang menyatakan panas atau dinginnya suatu benda disebut suhu. Makin panas suatu benda berarti makin tinggi suhunya, makin dingin suatu benda maka semakin rendah suhunya. Jadi suhu adalah ukuran tingkat derajat panas suatu benda
2. Pengukuran suhu
Alat yang dipakai untuk mengukur suhu agar lebih objektif dan kuantitatif adalah termometer. Bagaimana cara menggunakan termometer untuk mengukur suhu benda? Lakukan kegiatan 1.2 terlampir
Termometer adalah alat untuk mengukur suhu. Termometer terbuat dari pipa kaca yang berongga sempit dan panjang (pipa kapiler) yang berisi zat cair. Zatcair ini dapat berupa raksa atau alkohol, sedangkan bagian atas pipa adalah ruang hampa udara. Termometer dibuat berdasarkan konsep bahwa volum zat cair pada umumnya akan memuai jika dipanaskan dan akan menyusut jika didinginkan. Perubahan volume zat cair (alkohol atau raksa) inilah yang digunakan sebagai prinsip kerja termometer. Pada saat zat cair dipanaskan maka zat cair itu akan memuai dan naik. Ketinggian naiknya zat cair tersebut menunjukkan suhu yang sedang diukur. Sifat termometrik adalah sifat-sifat benda yang dapat berubah akibat terjadinya perubahan suhu pada benda tersebut. Beberapa sifat termometrik suatu zat antara lain :
a. Perubahan wujud, misalnya es (zat padat) apabila dipanaskan, maka akan melebur menjadi es (zat cair).
b. Perubahan volume, misalnya apabila udara di dalam plastik tertutup direndam di air panas, maka akan memuai hingga plastik mengembang.
c. Perubahan daya hantar listrik, misalnya apabila kabel (kawat penghantar listrik) dipanaskan, maka nyala lampu dalam rangkaian akan meredup karena daya hantar listrik kabel berkurang.
d. Perubahan warna, misalnya apabila sebatang besi dipanaskan, maka besi akan berpijar.
Dari beberapa zat pengisi termometer, ada kelebihan dan kekurangannya masing-masing karena mempunyai sifat sendiri-sendiri, antara lain :
1. Kelebihan raksa sebagai zat pengisi termometrik adalah :
a. Pemuainnya teratur
b. Titik bekunya rendah (-39 oC) dan titik didihnya tinggi (357 oC)
c. Mudah dilihat karena warnya mengkilap.
d. Tidak membasahi dinding tabung kaca.
e. Suhunya dengan cepat sama dengan suhu benda yang hendak diukur.
2. Kelemahan raksa sebagai zat termometrik antara lain :
a. Raksa sangat mahal
b. Raksa tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah karena titik bekunya tinggi, dan
c. Raksa termasuk zat beracun sehingga termometer raksa berbahaya jika tabungnya pecah.
3. Kelebihan alkohol sebagai zat termometrik, antara lain :
a. Pemuaiannya teratur
b. Memiliki koefisien muai besar
c. Memiliki titik beku yang rendah, yaitu -115 0C sehingga dapat digunakan untuk mengukur suhu rendah.
4. Kelemahan alkohol sebagai zat termometrik, antara lain :
a. Membasahi dinding kaca
b. Memiliki titik didih rendah, yaitu -800C sehingga tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi.
c. Kalor jenisnya tinggi sehingga membutuhkan energi yang besar untuk menaikkan suhu.
Menurut Andreas Celcius, ahli sains fisika dari Swedia titik lebur es pada tekanan 1 atm ditetapkan 0 oC. Adapun titik didih air ditetapkan pada suhu 100 oC. Antara kedua titik tetap tersebut dibagi 100 bagian, tiap bagian besarnya adalah 1 derajad Celcius. Di Amerika masih digunakan skala suhu yang lain, yaitu Fahrenheit atau 0F. Pada skala Fahrenheit, es yang sedang mencair diberi nilai 32 oF dan air yang sedang mendidih 212 oF.
3. Jenis Termometer
Ada beberapa jenis termometer yang biasa digunakan yang digolongkan berdasarkan skala dan kegunaanya.
a. Jenis termometer berdasarkan skaa yang digunakan yaitu :
Berdasarkan skala yang digunakannya, jenis termometer yaitu :
1). Termometer Reamur
Skala Reamur dibuat oleh Rene Antonie Ferchault d Reaumur. Titik lebur es murni sebagai titik tetap bawah ditandai dengan angka 00R dan titik didih air murni sebagai titik titik tetap atas ditandai dengan skala 800R. Rentang antara kedua titik tetap tersebut dibagi menjadi 80 bagian (skala) dan setiap skala menunjukkan suhu sebesar 10R.
2). Termometer Celcius
Skala Celsius dibuat oleh Anders Celsius (1701-1744). Anders Celsius menentukan titik tetap bawah berdasarkan titik lebur es murni pada tekanan 1 atm yang ditandai dengan angka 00C. Sementara itu titik tetap atasnya ditentukan berdasarkan titik didih air murni pada tekanan 1 atm yang ditandai dengan angka 1000C. Anders Celsius membagi rentang angka tersebut kedalam 100 bagian skala dengan setiap bagian (skala) menunjukkan suhu sebesar 10C.
3). Termometer Fahrenheit
Skala Fahrenheit dibuat oleh Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). D G Fahrenheit menentukan titik tetap bawah berdasarkan titik lebur es murni pada tekanan 1 atm yang ditandai dengan angka 320F. Sementara itu titik tetap atasnya ditentukan berdasarkan titik didih air murni pada tekanan 1 atm yang ditandai dengan angka 2120F. DG Fahrenheit membagi rentang angka tersebut kedalam 180 bagian skala dengan setiap bagian (skala) menunjukkan suhu sebesar 10F.
4). Termometer Kelvin
Skala Kelvin dibuat oleh Lord William Thomson Kelvin (1824-1907). Ia menetapkan skala nol mtlak sebesar -2730C, yaitu berdasarkan gerak partikel yang bertambah lambat dan berhenti pada shu -2730C. Dengan demikian, 0 K setara dengan -2730C atau 00C setara dengan 273 K. Oleh karena itu setiap skala kelvin sema dengan satu skala Celsius. Dengan kata lain titik tetap bawah skala Kelvin adalah 273 K dan titik tetap atasnya adalah 373 K.
Jika termometer Celcius, Reamur, dan Fahrenheit secara bersamaan dimasukkan kedalam es yang sedang melebur dan air yang sedang mendidih pada tekanan 1 atm, maka akan diperoleh perbandingan suhu seperti berikut :
Skala R : skala C : skala F
80 : 100 : 180
4 : 5 : 9 (± 32)
tK = 273 + tC tC = 5/9 x ( tF – 32)
tC = tK – 273 tR = 4/5 x tC
tF = (9/5 x tC) + 32
Diketahui suhu suatu benda adalah 50 0C. Berapakah suhu benda itu jika diukur dengan menggunakan termometer Kelvin, Reumur, dan Fahrenheit?
Jawab :
a. tK = 273 + tC
= 273 + 50 = 323 K
b. tR = 4/5 x tC
= 4/5 x 50 0C = 40 0C
c. tF = (9/5 x tC) + 32
= (9/5 x 50 0C) + 32
= 122 0F
b. Jenis termometer berdasarkan kegunaanya
Ada berbagai macam termometer sesuai dengan kegunaannya yaitu :
1). Termometer suhu badan
Adalah termometer raksa yang dipkai untuk mengukur suhu tubuh manusia. Termometer ini disebut termometer klinis, skalanya 35 0C – 42 0C karena suhu tubuh manusia tidak pernah lebih dari 42 0C dan kurang dari 35 0C.
2). Termometer maksimum dan minimum
Termometer maksimum dan minimum digunakan untuk mengetahui suhu tertinggi dan suhu terendah udara dalam satu hari.
Termometer ini dibuat oleh Six dan Bellani, yang berisi raksa dan alkohol. Biasanya termometer ini digunakan oleh pengamat cuaca.
3). Temometer Dinding
Termometer dinding sering kita temui di dalam rungan. Termometer ini dipasang tegak di dinding dan digunakan untuk mengukur suhu ruang. Skala pada termometer dinding mecakup suhu di ruangan dan di bawah suhu yang dapat dicapai ruang yang ditunjukkan angka-angka.
Latihan :
1. sebutkan keunggulan raksa dibanding alkohol sebagai pengisi termometer!
2. apa persamaan termometer celcius dengan termometer kelvin?
3. ubahlah suhu berikut ;
a. 75 0C =..... K = ..... 0R =........ 0F
b. 13 0F =..... 0C = ..... K =........ 0R
c. 32 0R =..... 0C = ..... K =........ 0F
d. 318 K =..... 0C = ..... 0R =........ 0F
e. – 40 0C = ....... 0C
4. mengapa termometer klinis skala antara 350C sampai 420C?
5. tuliskan 4 jenis termometer berdasarkan fungsinya masing-masing!
4. Pemuaian zat
Pada umumnya semua zat baik padat, cair, dan gas tersusun atas partikel-partikel atau molekul-molekul yang selalu begerak. Jika suhu zat makin tinggi, molekulnya akan bergerak makin cepat dan bergerak saling menjauhi, sehingga volum zat akan membesar, dengan kata lain zat itu memuai. Hal ini dapat dilihat ketika kita memasak air. Apabila kita memasak air di panci yang terisi penuh air, maka pada saat air mulai mendidih tutup panci yang tadinya rapat akan bergerak-gerak dan air tumpah keluar panci. Mengapa demikian? Hal itu menandakan bahwa volume air dalam panci bertambah hingga panci tidak dapat lagi menampung jumlah air. Peristiwa penambahan volume air tersebut dinamakan juga memuai. Bagaimana proses pemuaian itu terjadi?
Ketika memasak air, panci tempat air juga mengalami pemanasan sehingga panci mengalami pemuaian. Akibatnya volume panci juga bertambah besar. Akan tetapi, mengapa air pada panci tetap tumpah padahal volume panci juga membesar? Hal itu disebabkan pertambahan volume air lebih besar daripada pertambahan volume panci. Peristiwa terebut dapat disimpulkan bahwa pemuaian pada zat cair lebih besar daripada pemuaian pada zat padat.
Sebaliknya jika zat itu turun gerakan molekulnya menjadi semakin lambat, gaya tarik antara molekul-molekulnya akan semakin kuat sehingga jarak antara molekul-molekulnya semakin rapat. Akibatnya volum zat mengecil, dengan kata lain zat itu menyusut.
Hampir semua zat memuai bila dipanaskan, kecuali ada beberapa zat menyusut jika dipanaskan pada suhu tertentu misalnya air dan bismut.
a. Pemuaian zat padat
Kadang-kadang kamu mengalami bahwa gelas tebal yang kamu isi dengan air mendidih menjadi retak. Hal ini terjadi karena sisi dalam gelas memuai lebih dahulu daripada sisi luarnya. Ini aalah satu contoh masalah yang disebabkan oleh pemuaian zat padat. Jika suatu benda padat dipanaskan, benda tersebut akan memuai ke segala arah. Dengan kata lain ukuran panjang, volume, dan luas benda bertambah.
1). Pemuaian panjang
Jadi pemuaian pada setiap jenis zat padat berbeda-beda. Pertambahan panjang zat padat jika jika dipanaskan disebut muai panjang. Bilangan yang menyatakan pertambahan panjang setiap satuan panjang zat itu jika suhunya dinaikian 1 0C disebut koefisien muai panjang (α). Muai panjang dapat diselidiki dengan alat Musschenbrook. Ketika batang logam dipanaskan batang tersebut akan memuai sehingga mendorong jarum penunjuk pada skala. Karena jenis logamnya berbeda, pemuaian panjang logam-logam tersebut berbeda pula. Hal tersebut menunjukkan koefisien muai panjang logam berbeda.
Koefisien muai panjang adalah bilangan yang menunjukkan besarnya pertambahan panjang tiap 1 meter pada kenaikan suhu 1K atau 10C. Bila panjang mula-mula sebuah benda yang bersuhu T0 adalah L0, maka panjang benda setelah dipanaskan hingga suhu T adalah :
Lt = L0 (1+ α (T – T0)
Keterangan : Lt = panjang benda setelah dipanaskan (m)
L0 = panjang benda mula-mula
α = koefisien muai panjang benda (0C-1 atau K-1)
T = suhu benda setelah dipanaskan (0C atau K)
T0 = suhu benda mula-mula (0C atau K)
2). Pemuaian ruang (volum)
Selain bertambah panjang, zat padat jika dipanaskan akan mengalami pertambahan volum. Pertambahan volum zat padat jika dipanaskan disebut muai vloum. Bilangan yang menyatakan pertambahan volum zat jika suhunya dinaikkan 1 0C disebut koefisien muai volum atau koefisien muai ruang (g).
Apabila volume sebuah benda yang bersuhu T0 adalah V0, maka volume benda setelah dipanaskan hingga suhu T adalah :
Vt = V0 (1 + g (T – T0)
Keterangan : Vt = volume benda setelah dipanskan (m3)
V0 = volume benda mula-mula (m3)
g = 3α = koefisien muai volume (0C-1 atau K-1)
T = suhu benda setelah dipanaskan (0C atau K)
T0 = suhu benda mula-mula (0C atau K)
3). Pemuaian luas
Pemuaian luas dapat terjadi pada benda berbentuk keping atau lempengan. Pernahkah kamu menyelidiki jendela rumah kacamu? Luas bingkai jendela dibuat lebih besar daripada luas kaca sehingga terdapat celah kosong antara kaca dan bingkai jendela. Mengapa dibuat demikian? Hal itu agar pada saat kaca memuai akibat cuaca panas, kaca tidak menekan bingkai karena masih ada celah kosong sehingga kaca tidak pecah.
Apabila luas sebuah lempengan benda yang bersuhu T0 adalah A0, maka luas lempengan tersebut setelah dipanaskan hingga suhu T adalah :
At = A0 (1 + B (T - T0)
Keterangan : At = luas lempeng benda setelah dipanaskan (m2)
A0 = luas lempeng benda mula-mula (m2)
B = 2 α = koefisien muai luas (0C-1 atau K-1)
T = suhu lempeng benda setelah dipanaskan (0C atau K)
T0 = suhu lempeng benda mula-mula (0C atau K)
b. Pemuaian zat cair
Sifat utama zat cair adalah mengikuti bentuk wadahnya. Jika air dituangkan ke dalam gelas, bentuk air mengikuti bentuk gelas. Karena sifat inilah maka zat cair hanya memiliki muai volum.
Seperti telah kita ketahui bahwa panjang, lebar, dan tebal zat padat akan memuai jika dipanaskan. Bagaimana dengan zat cair, apakah sama seperti zat padat?
Untuk mengetahuinya cobalah lakukan kegiatan 1.5 terlampir
Demonstrasi kegiatan 1.5 menunjukkan bahwa ketika pipa dipanaskan, labu pipa (zat padat) dan zat cair pengisi labu berpipa memuai. Akan tetapi , muai volum zat cair lebih besar daripada muai volum labu berpipa (zat padat). Oleh karena itu, ketinggian zat cair dalam pipa kaca naik.
c. Pemuaian gas
Semua jenis gas akan memuai jika dipanaskan. Adanya gelembung-gelembung udara yang muncul ke atas permukaan air dalam bejana ketika labu dipanskan menunjukkan bahwa gas dalam labu memuai.
Menurut percobaan Gay-Lussac bahwa jika gas dipanaskan maka angka muainya akan sama yaitu 1/273 0C. Pernyataan ini dikenal dengan hukum Gay-Lussac. Sifat pemuaian gas dapat dimanfaatkan pada terbangnya balon udara jika dipanskan. Naik atau turunnya balon gas bergantung pada massa jenis gas yang berada di dalam balon. Jika gas dalam balon dipanaskan maka massa jenisnya menjadi berkurang, sehingga massa jenisnya lebih kecil daripada massa jenis udara disekitarnya sehingga balon akan melayang di udara (terbang).
6. Prinsip Pemuaian dalam Teknologi
a. Masalah-masalah yang ditimbulkan oleh pemuaian zat
Pada bagian ini kita akan membahas beberapa masalah yang ditimbulkan oleh pemuaian zat dalam pemakaian sehari-hari :
1). Pemasangan kaca jendela
Kaca jendela mobil dapat retak karena diparkir di bawah terik sinar matahari selama kira-kira 2 jam. Ketika suhu kaca naik kaca memuai. Oleh karena kaca jendela ditutup rapat dan tidak tersedia ruang celah yang cukup pada bingkainya, maka ketika kaca memuai bingkai menahan pemuaian kaca. Akibatnya, kaca jendela mobil retak. Peristiwa yang sama dapat terjadi juga pada kaca jendela atau kaca nako dirumah.
Untuk mengatasi retaknya kaca jendela mobil, dianjurkan agar pemilik mobil memberi ruang sedikit (jangan menutup kaca terlalu rapat) ketika memarkir mobil cukup lama dibawah terik sinar matahari. Untuk menghindari reataknya kaca jendela atau kaca nako rumah, tukang kayu selalu mendesain ukuran bingkai yang sedikit lebih besar daripada ukuran pada suhu normal.
2). Sambungan rel kereta
Rel kereta memuai di hari panas. Oleh karena itu diantara sambungan dua batang rel selalu diberi celah, agar pemuaian rel tidak menyebabkan rel melengkung. Pada hari yang sangat panas celah yang disedikan dapat saja tidak cukup untuk menampung pemuaian rel yang sangat besar. Jika ini terjadi, rel dapat melengkung.
Desain yang banyak digunakan pada saat ini adalah batang-batang rel dilas membentuk rel panjang yang bersambungan. Dengan desaian ini, hanya 50 atau 100 m terakhir dari setiap rel panjang yang memuai. Untuk mengatasi masalah ini ujung rel dirunncingkan dan disambung salaing bertautan. Penyambaungan dengan cara seperti ini memungkinkan rel panjang memuai tanpa menyebabkan kerusakan (rel melengkung).
3). Celah pada jembatan
Suatu jembatan khususnya jembatan panjang dari bahan logam, selalu diberi celah pada salah satu ujungnya untuk menampung pemuaian. Ujung jemabtan yang diperkenankan memuai ditopang oleh roda-roda agar ujung ini memiliki pergerakan yang bebas sewaktu memuai atau menyusut.
b. Manfaat pemuaian zat dalam pemakaian sehari-hari
Pada bagian ini kita akan membahas beberapa manfaat pemuaian zat dalam pemakaian sehari-hari.
1). Pengelingan Pelat Logam
Mengeling adalah menyambung dua pelat dengan menggunakan paku keling. Paku keling dalam keadaan panas samapi berpijar putih dimasukkan ke dalam lubang pelat. Pada keadaan itu ujung paku keling dipukul rata. Setelah paku dingin, paku menyusut dan menjepit kedua pelat dengan sangat kuat. Pengelingan seperti ini dilakukan pada pembuatan badan kapal.
2). Keping Bimetal
Bimetal adalah dua plat logam yang terbuat dari bahan yang berbeda, yang direkatkan satu sama lain dengan jalan mengeling atau engelas. Sifat khusus bimetal, yaitu dipanaskan atau didinginkan bimetal dapat melengkung.melengkungnya bimetal ini disebabkan perbedaan koefisien muai panjang kedua palt logam.
Contoh bimetal adalah termostat. Termostat adalah pengatur suhu dengan bimetal sebagai komponen utamanya yang berfungsi sebagai saklar otomatis. Bimetal yang digunakan adalah kuningan dan invar (campuran besi dengan nikel). Termostat sering dijumpai antara lain pada setrika otomatis, lemari es, oven elektronik, dan pemanas nasi.
Daftar Pustaka :
Eni Zaetniah, Setiawan, Shrie Laksmi S. 2004. Fisika 2 SMP. Rosda Bndung
Marthen Kenginan. 2000. Fisika SLTP 1A. Erlangga : Jakarta
Sears, F.W. &M.W Zemansky. 1985. Fisika untuk Univesitas Jilid 1. Bandung : Bina Cipta
TIM IPA. 2007. IPA 2A. Yudhistira : Jakarta
Tine Maria Kuswati. Dkk. 2003. Sains 2A. Bumi Aksara : Jakarta
Young, Loo Wanm et al. 2001. Physics Insights. Singapore : Longman
Tidak ada komentar:
Posting Komentar