Suhu dan Perubahannya

Pengertian Suhu.

Suhu adalah tingkat (derajat) panas suatu benda. Benda yang panas mempunyai derajad panas yang lebih tinggi daripada benda yang dingin.

Praktikum 1.1

Bagaimana Cara Mengetahui Suhu Benda?

Indra perasa dapat merasakan panas dan dingin. Namun, apakah indra perasa merupakan pengukur panas atau dingin yang baik? Untuk memahami semua itu mari kita lakukan percobaan berikut. Sediakan 3 buah ember atau bejana yang masing-masing diisi air hangat, air biasa dan air es.

Gambar 1.1 Mengetahui suhu benda

Lakukan langkah-langkah berikut ini!

1. Letakkan ketiga ember tersebut dilantai atau meja!
2. Celupkan tangan kananmu di ember berisi air hangat  dan tangan  kirimu di ember  yang berisi air es! Rasakan tingkat panas air itu pada tanganmu!
3. Setelah beberapa saat, segera celupkan kedua tanganmu ke ember yang berisi air biasa! Rasakan  tingkat   panas   air  itu pada tanganmu!
4. Ulangi kegiatan  langkah nomor 2 dan 3 oleh temanmu lainnya!

Diskusikan:

1. Bagaimanakah hasil pengindraan terhadap air biasa oleh tangan kanan dan tangan kirimu?
2. Jika untuk benda yang sama, ternyata tingkat panas yang dirasakan berbeda antara tangan  kanan dan tangan kirimu. Apakah indra perasaanmu dapat diandalkan sebagai pengukur tingkat panas benda?

Video 1. Membedakan suhu dengan kulit tangan

Suhu adalah tingkat (derajat) panas suatu benda. Hasil kegitan penyelidikannmu menunjukkan bahwa indra perasa memang dapat merasakan tingkat panas suatu benda. Akan tetapi, indra perasa tidak dapat mengukur tingkat panas suatu benda secara kuantitatif. Benda yang tingkat panasnya sama dirasakan berbeda oleh tangan kanan dan tangan kirimu. Jadi, suhu benda yang diukur dengan indra perasa menghasilkan ukuran suhu kualitatif yang tidak dapat dipakai sebagai acuan. Suhu harus diukur secara kuantitatif dengan alat ukur suhu yang disebut termometer.

Sebuah termometer biasanya terdiri dari sebuah pipa kaca berongga yang berisi zat cair (alkohol atau air raksa), dan bagian atas cairan adalah ruang hampa udara. Termometer dibuat berdasarkan prinsip pemuaian, bahwa volume zat cair akan berubah apabila dipanaskan atau didinginkan. Volume zat cair akan bertambah apabila dipanaskan, sedangkan apabila didinginkan volume zat cair akan berkurang. Naik atau turunnya zat cair tersebut digunakan sebagai acuan untuk menentukan suhu suatu benda.

Seperti kita ketahui bahwa zat cair sebagai bahan pengisi thermometer ada dua macam, yaitu air raksa dan alkohol. Zat cair tersebut memiliki beberapa keuntungan dan kerugian.

Gambar 1.2 Bagian-bagian pada thermometer zat cair

Macam-macam termometer berdasarkan pengisi pipa kapiler:

Termometer air raksa.

Berikut ini beberapa kelebihan air raksa sebagai pengisi termometer, antara lain :

• Air raksa tidak membasahi dinding pipa kapiler, sehingga pengukurannya menjadi teliti.
• Air raksa mudah dilihat karena mengkilat.
• Air raksa cepat mengambil panas dari suatu benda yang sedang diukur.
• Jangkauan suhu air raksa cukup lebar, karena air raksa membeku pada suhu – 40⁰C dan mendidih pada suhu 360⁰ C.
• Muai volume air raksa teratur.

Selain beberapa keuntungan, ternyata air raksa juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain:

• Air raksa harganya mahal.
• Air raksa tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah.
• Air raksa termasuk zat beracun sehingga berbahaya apabila tabungnya pecah.

Termometer alkohol

Kelebihan menggunakan alkohol sebagai pengisi termometer, antara lain :

• Alkohol harganya murah.
• Alkohol lebih teliti, sebab untuk kenaikan suhu yang kecil ternyata alkohol mengalami perubahan volume yang besar.
• Alkohol dapat mengukur suhu yang sangat rendah, sebab titik beku alkohol –130⁰C.

Kelemahan menggunakan alkohol sebagai pengisi termometer, antara lain :

• Membasahi dinding kaca.
• Titik didihnya rendah (78⁰C)
• Alkohol tidak berwarna, sehingga perlu memberi pewarna dahulu agar dapat dilihat.
• Mengapa air tidak dipakai untuk mengisi tabung termometer? Alasannya karena air membasahi dinding kaca, jangkauan suhunya terbatas, perubahan volumenya kecil, penghantar panas yang jelek.

Beberapa macam termometer antara lain:

Termometer Laboratorium

Bentuknya panjang dengan skala -10^oC sampai dengan 110 ^oC. Menggunakan raksa sebagai pengisi termometer.

Gambar 1.3 Termometer Laboratorium

Termometer Suhu Badan/Klinis

Termometer ini digunakan untuk mengukur suhu badan manusia. Skala yang ditulis antara suhu 35^oC sampai 42^oC. Pipa dibagian bawah dekat labu dibuat menyempit sehingga pengukuran lebih telitiakibat raksa tidak cepat turun ke labu/ reservoir.

Gambar 1.4 Termometer Suhu Badan/klinis

Termometer Bimetal

Termometer bimetal merupakan dua logam yang jenisnya berbeda dan dilekatkan menjadi satu. Jika suhunya berubah maka bimetal akan melengkung. Karena perbedaan muai panjang antara logam yang satu dengan logam yang lain.

Perhatikan gambar bimetal dibaeah ini!

                    

Gambar 1.5 Termometer Bimetal

Termokopel

Termokopel terdiri dari dua jenis logam yang dihubungkan dan membentuk rangkaian tertutup. Besarnya aliran listrik pada kawat berubah sesuai dengan perubahan suhu. Keun-tungan termokopel terletak pada kecepatan mencapai keseimbangan suhu dengan sistem yang akan diukur.

Gambar 1.5 Termokopel.

Termometer hambatan listrik

Dasar kerja termometer ini adalah hambatan listrik dari logam akan bertambah apabila suhu logam tersebut naik.

Termometer gas volume tetap

Termometer ini terdiri dari bola yang berisi gas yang dihubungkan dengan tabung manometer. Prinsip kerjanya adalah perubahan tekanan suatu gas akibat perubahan suhu bila volumenya tetap.

Skala Termometer

Berapa suhu tubuh manusia yang sehat? Pasti kita menjawab 37^OC. Huruf C merupakan kependekaan dari kata Celcius yaitu salah satu contoh satuan suhu atau skala suhu.

Percobaan 1.2

Mencoba membuat skala pada thermometer zat cair

Apa yang harus disiapkan?

• Termometer raksa atau alkohol yang belum diberi skala suhu
• Bejana A berisi es yang sedang melebur
• Bejana B berisi air yang sedang mendidih
• Pemanas spiritus
• Spidol atau benang berwarna

Lakukan langkah-langkah berikut.

• Celupkan termometer dalam bejana A yang berisi es sedang melebur!
• Tunggu beberapa saat. Setelah raksa dalam pipa termometer berhenti bergerak turun, tandai letak permukaan raksa dalam pipa dengan spidol atau benang! Tempat ini dinamakan titik tetap bawah. Beri angka sesukamu pada titik itu, misalnya 10!
• Panaskan air dalam bejana B dengan pemanas spiritus sampai air dalam bejana itu mendidih!
• Celupkan termometer ke dalam bejana berisi air yang sedang mendidih!
• Tunggu beberapa saat. Setelah raksa dalam pipa berhenti bergerak, tandailah letak permukaan raksa dalam pipa dengan spidol. Titik itu dinamakan titik tetap atas. Beri angka sesukamu pada titik itu (tetapi lebih besar dari angka sebelumnya), misalnya 50!
• Ukur jarak titik terbawah dengan titik teratas ini. Bagi jarak tesebut dalam bagian-bagian dengan jarak yang sama. Anggap jarak tiap bagian itu derajat suhu skala yang kalian buat (misalnya, skala Edo)!

Kamu sudah membuat skala termometer sesuai skala buatan.

Ujilah Termometer Skala Buatan kalian!

Berapa suhu terbawah dan suhu teratas pada skala termometer buatanmu? Cobalah buat perbandingan antara skala buatanmu dengan skala Celcius!

Coba gunakan termometer skala kamu dan skala Celcius untuk mengukur suhu air biasa dan air hangat. Kemudian, ukur air panas dengan termometermu dan prediksikan hasilnya jika diukur dengan skala Celcius! Uji prediksimu!

Supaya suhu suatu benda dapat diukur dengan menggunakan termometer hingga diketahui nilainya, maka dinding kaca thermometer diberi skala dengan cara menandai titik-titik tertentu pada kaca. Setelah itu masing-masing titik tersebut diberi angka untuk menunjukkan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Langkah yang dipakai untuk menentukan skala suhu thermometer menurut Celsius, sebagai berikut: a. Titik tetap bawah skala Celsius (0⁰) menggunakan suhu air yang sedang membeku (es). b. Titik tetap atas (100⁰ ) menggunakan suhu air yang sedang mendidih pada tekanan udara normal yaitu 1 atm.c. Bagi jarak antara kedua titik tetap atas dan titik tetap bawah menjadi bagian yang sama (100 bagian). Hal ini menunjukkan bahwa jarak antara dua garis berurutan sama dengan 1⁰C.

Di bawah ini ditunjukkan perbandingan empat skala termometer, yaitu skala Celsius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin

Gambar 1.6 Skala termometer

Perbandingan skala antara temometer Celcius, thermometer Reaumur, dan termometer Fahrenheit serta Kelvin adalah

C : R : F : K = 100 : 80 : 180 : 100

C : R : F : K = 5 : 4 : 9 : 5

Perbandingan di atas akan digunakan untuk menentukan konversi satuan suhu.

Konversi satuan suhu Celcius, Reamur, Fahrenheit dan Kelvin.

Hubunngan antara termometer Celcius dan termometer Reamur dinyatakan dengan persamaan :

C = 5/4 R       atau         R = 4/5 C

Hubungan antara termometer Celcius dan termometer Fahrenheit dinyatakan dengan persamaan :

C = 5/9 (F -32)       atau      F = 9/5 C + 32

Hubungan antara termometer Celcius dan termometer Kelvin dinyatakan dengan persamaan :
K = C + 273    atau      C = K – 273

Contoh Soal :

Pada siang hari, suhu dalam sebuah kamar adalah 350^OC. Berapa suhu itu, bila diukur dalam skala Fahrenheit?

Penyelesaian :

Diketahui : C = 35°C

Ditanya F = ...... ?

Jawab :

F          = 9/5 C+32

= 9/5 x 35° + 32

= 95°F

Sebuah ruangan yang menggunakan AC adalah 77°F. Berapa suhu itu, bila diukur daam satuan derajat celcius!

Penyelesaian:
Diketahui F = 77°F

Ditanya C = ........?

Jawab :

C         = 5/9 (F – 32)

= 5/9 x (F – 32)

= 5/9 x (77 – 32)

= 5/9 x 45

= 25°C

Akibat Perubahan Suhu

       Gambar 1.7 Pemuaian Zat Padat dalam kehidupan sehari-hari

Kereta api merupakan alat transportasi darat yang relatif aman dan nyaman serta dapat mengangkut penumpang dalam jumlah yang banyak. Kereta berjalan di atas rel. Pada sambungan rel kereta api terdapat sebuah celah, Mengapa harus ada celah? Celah tersebut pada malam hari lebar, sedangkan siang hari menjadi sempit karena terkena sinar matahari.

Sebagian besar zat akan memuai bila dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan. Bila suatu zat dipanaskan (suhunya dinaikkan) maka molekul-molekulnya akan bergetar lebih cepat dan amplitudo getaran akan bertambah besar, akibatnya jarak antara molekul benda menjadi lebih besar dan terjadilah pemuaian. Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda akibat kenaikan suhu zat tersebut. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair, dan gas.

Pemuaian Zat Padat

Coba kamu amati bingkai kaca jendela di ruang kelasmu! Adakah bingkai jendela yang melengkung? Tahukah kamu apa sebabnya? Bingkai jendela tersebut melengkung tidak lain karena mengalami pemuaian. Pemuaian yang terjadi pada benda, sebenarnya terjadi pada seluruh bagian benda tersebut. Namun demikian, untuk mempermudah pemahaman maka pemuaian dibedakan tiga macam, yaitu pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.

Pemuaian Panjang

Pernahkah kamu mengamati kabel jaringan listrik pada pagi hari dan siang hari? Kabel jaringan akan tampak kencang pada pagi hari dan tampak kendor pada siang hari. Kabel tersebut mengalami pemuaian panjang akibat terkena panas sinar matahari. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda.

Alat untuk mengukur besarnya pemuaian panjang disebut Musschenbroek

Praktikum 1.3

Pemuaian panjang zat padat

Adakah Pengaruh Jenis Logam terhadap Panjang Pemuaiannya?

Rumuskan hipotesis terhadap masalah tersebut.

Apa yang harus disiapkan?

Alat

• Musschenbroek (beserta batang logam yang diuji)
• Pemanas spiritus dan korek api

Lakukan langkah-langkah berikut!

• Siapkan sebuah alat Musschenbroek di atas meja percobaan!
• Atur kedudukkan jarum-jarum penunjuk pada setiap batang logam sehingga menunjuk skala yang sama, yaitu angka nol!
• Tuang spiritus bakar pada tempatnya. Kemudian, nyalakan dengan korek api!
• Amati keadaan jarum-jarum penunjuk selama pemanasan!
• Menalar dan Mengomunikasikan
• Jarum-jarum penunjuk menunjuk skala yang sama, nol. Bagaimana suhu dan panjang batang itu mula-mula?
• Setelah pemanasan berlangsung, apa yang terjadi pada jarum-jarum penunjuk?
• Apakah hipotesis kamu diterima atau ditolak? Diskusikan hasilnya dengan kelompok lain.

Gambar 1.8 Musschenbroek

Besarnya panjang logam setelah dipanaskan adalah sebesar.

Besarnya panjang zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat sepanjang 1 m disebut koefisien muai panjang (α). Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan:

Keterangan:
L          = Panjang akhir (m)

L0        = Panjang mula-mula (m)

ΔL       = Pertambahan panjang (m)

α          = Koefisien muai panjang (/ºC)

ΔT       = kenaikan suhu (ºC)

Tabel 1.1 Beberapa Koefisien Muai Panjang Benda

Pemuaian Luas

Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang. Pertambahan luas zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat seluas 1 m^2 disebut koefisien muai luas (β). Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah:

Keterangan:

A         = Luas akhir (m²)

ΔA       = Pertambahan luas (m²)

A_O       = Luas mula-mula (m²)

β          = Koefisien muai luas zat (/ºC)

ΔT       = Kenaikan suhu (ºC)

Hubungan α dan β dapat dinyatakan dalam persamaan berikut.

Pemuaian Volume

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang, lebar, dan tinggi dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar.

Dimana:

Keterangan :

V         = Volume akhir (m³)

V_O       = Volume mula-mula (m³)

ΔV       = Pertambahan volume (m³)

γ          = Koefisien muai volume (/ºC)

ΔT       = Kenaikan suhu (ºC)

Pemuaian Zat Cair

Pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu. Titik pertemuan antara wujud cair, padat dan gas disebut titik tripel.

Praktikum 1.4

Mengamati pemuaian zat cair jika dipanaskan

Apa yang harus disiapkan?

• Alat dilatometer (atau labu didih, sumbat karet, pipa kapiler)
• Alkohol, air yang diberi pewarna, dan minyak goreng
• Gelas kimia dan pemanas spiritus, dan tripod (kaki tiga)
• Statif dan klem
• Termometer

Lakukan langkah-langkah berikut.

• Masukkan air ke dalam labu didih hingga hampir penuh!
• Pasang pipa kapiler pada lubang sumbat karet!
• Pasang sumbat karet pada labu didih sedemikian rupa sehingga air dari labu didih masuk ke dalam pipa kapiler. Tandai permukaan air dalam pipa kapiler!
• Pasang labu didih pada statif dan panaskan

Menalar, Mencoba, dan Mengomunikasikan

• Apa yang terjadi pada air di dalam pipa kapiler setelah labu didih dipanaskan? Menurutmu, mengapa hal itu bisa terjadi?
• Percobaan lanjutan: lakukan percobaan untuk menemukan apakah jenis zat cair berpengaruh terhadap perubahan volume karena pemuaian zat itu! Diskusikan hasilnya dengan teman-temanmu.

Gambar 1.9 Garfik hubungan tekanan terhadap suhu

Anomali Air

Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0º C sampai 4º C volumenya tidak bertambah, akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan anomali air. Oleh karena itu, pada suhu 4ºC air mempunyai volume terendah. Hubungan volume dengan suhu pada air dapat digambarkan pada grafik berikut.

Gambar 1.10 Grafik pemuaian air

Pada suhu 4ºC, air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikkan dari 0ºC – 4ºC akan menyusut, dan bila suhunya dinaikkan dari 4ºC ke atas akan memuai. Biasanya pada setiap benda bila suhunya bertambah pasti mengalami pemuaian. Peristiwa yang terjadi pada air itu disebut anomali air. Hal yang sama juga terjadi pada bismuth dengan suhu yang berbeda.

Pemuaian pada Gas

Mungkin kamu pernah menyaksikan mobil atau motor yang sedang melaju di jalan tiba-tiba bannya meletus? Ban mobil tersebut meletus karena terjadi pemuaian udara atau gas di dalam ban. Pemuaian tersebut terjadi karena adanya kenaikan suhu udara di ban mobil akibat gesekan roda dengan aspal.

Pemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai :

γ adalah koefisien muai volume. Nilai γ sama untuk semua gas, yaitu

Penerapan Konsep Pemuaian Zat dalam Kehidupan Sehari-Hari

Prinsip pemuaian zat banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini adalah beberapa contoh penerapannya:

Pemasangan Kaca Jendela

Pemasangan kaca jendela memperhatikan juga ruang muai bagi kaca sebab koefisien muai kaca lebih besar daripada koefisien muai kayu tempat kaca tersebut dipasang. Hal ini penting sekali untuk menghindari terjadinya pembengkokan pada bingkai.

Pemasangan Sambungan Rel Kereta Api.

Penyambungan rel kereta api harus menyediakan celah antara satu batang rel dengan batang rel lain. Jika suhu meningkat, maka batang rel akan memuai hingga akan bertambah panjang. Dengan diberikannya ruang muai antar rel maka tidak akan terjadi desakan antar rel yang akan mengakibatkan rel menjadi bengkok.

Pemasangan Bingkai Besi pada Roda Pedati

Bingkai roda pedati pada keadaan normal dibuat sedikit lebih kecil daripada tempatnya sehingga tidak dimungkinkan untuk dipasang secara langsung pada tempatnya. Untuk memasang bingkai tersebut, terlebih dahulu besi harus dipanaskan hingga memuai dan ukurannya pun akan menjadi lebih besar daripada tempatnya sehingga memudahkan untuk dilakukan pemasangan bingkai tersebut. Ketika suhu mendingin, ukuran bingkai kembali mengecil dan terpasang kuat pada tempatnya.

Pemasangan Jaringan Listrik dan Telepon

Kabel jaringan listrik atau telepon dipasang kendur dari tiang satu ke tiang lainnya sehingga saat udara dingin panjang kabel akan sedikit berkurang dan mengencang. Jika kabel tidak dipasang kendur, maka saat terjadi penyusutan kabel akan terputus.

Keping Bimetal
 Keping bimetal adalah dua buah keping logam yang memiliki koefisien muai panjang berbeda yang dikeling menjadi satu. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Pada suhu normal panjang keping bimetal akan sama dan kedua keping pada posisi lurus. Jika suhu naik kedua keping akan mengalami pemuaian dengan pertambahan panjang yang berbeda. Akibatnya keping bimetal akan membengkok ke arah logam yang mempunyai koefisien muai panjang yang kecil.

 

Gambar 1.11 Sambungan keping bimetal

Keping bimetal dapat dimanfaatkan dalam berbagai keperluan misalnya pada termometer bimetal, termostat bimetal pada seterika listrik, saklar alarm bimetal, sekring listrik bimetal. Pemanfaatan pemuaian zat yang tidak sama koefisien muainya dapat berguna bagi industri otomotif, misalnya pada bimetal yang dipasang sebagai saklar otomatis atau pada lampu reting kendaraan.