Pemuaian, Kalor, dan Perubahan Wujud

1)      Pemuaian

Umumnya zat akan memuai jika dipanaskan. Pemuaian dapat menimbulkan masalah, tetapi juga dapat dimanfaatkan. Masalah-masalah yang ditimbulkan pemuaian antara lain; rel kereta api dan jembatan beton melengkung, kaca jendelarumah atau mobil retak, pipa minyak membengkok, kawat telepon sengaja dibiarkan kendor agar tidak putus saat menyusut.

Manfaat pemuaian antara lain: pengelingan pelat logam pelat logam pada pembuatan badan kapal; keeping bimetal yang dimanfaatkan pada saklar termal, termostat bimetal, termometer bimetal, dan lampu sen mobil; pemanasan ban baja sehingga memuai dan roda pas masuk ke ban baja dan ketika ban baja dingin, ia akan menyusut dan memegang roda dengan kuat.

Pemuaian panjang pada zat. Zat padat yang dipanaskan mengalami pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. Jika suatu benda padat dipanaskan sehingga mengalami kenaikan suhu ∆T , maka perubahan panjangnya ∆L adalah sebanding dengan panjangnya semula L₀ dikalikan dengan kenaikan suhunya ∆T.

 dengan α adalah koefisien muai panjang (/^oC atau /K atau ^oC^-1 atau K^-1). Nilai α bergantung pada jenis zat, misalnya  untuk aluminium adalah 24 × 10^{-6 o}C^-1 sedangkan α untuk baja adalah 12 × 10^{-6 o}C^-1. Berdasarkan persamaan diatas, perhatikan persamaan berikut.

dengan L₀ adalah panjang benda pada suhu T₀ dan L adalah panjang pada suhu T . Ingatlah bahwa kenaikan suhu skala Celcius dan Kelvin adalah sama, sehingga  dalam Kelvin dan Celcius nilainya sama.

Pemuaian luas zat padat. Untuk zat padat yang memiliki ukuran dua dimensi, misalnya kaca jendela, akan mengaalami pemuaian luas jika dipanasi. Jika benda padat dua dimensi dipanaskan sehingga mengalami kenaikan suhu ∆T , maka pertambahan luasnya ∆A adalah sebanding dengan luasnya semula A₀ dikalikan dengan kenaikan suhunya ∆T.

dengan β adalah koefisien muai luas dan satuannya sama dengan satuan α. Nilai β kira-kira sama dengan 2 kali nilai α.

Pertambahan luas pada persamaan diatas juga berlaku sebagai berikut.

 dengan  A₀ adalah luas benda pada suhu T₀ dan A adalah luas pada suhu T.

Pemuaian volume pada zat padat. Persamaan yang berlaku untuk pemuaian volume mirip seperti pada pemuaian panjang zat. Pertambahan volume zat ∆V jika zat dipanaskan dinyatakan oleh persamaan berikut.

dengan γ nilainya 3 kali nilai α .

 

dengan V₀ adalah volume benda pada suhu T₀ dan V adalah volume pada suhu T.

2)      Kalor

Pengertian suhu, energi dalam, dan kalor. Dalam setiap materi, molekul-molekul bergerak secara tetap. Secara mudah suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata seluruh molekul. Suatu benda yang suhunya lebih tinggi memiliki molekul-molekul dengan energi kinetik yang lebih tinggi.

Energi dalam menyatakan total energi, yaitu jumlah energi kinetik dan energi potensial, yang dimiliki oleh seluruh molekul-molekul yang terdapat dalam benda.

Kalor adalah suatu istilah yang sering dicampuradukkan dengan suhu dan energi dalam, tetapi kenyataannya berbeda. Kalor adalah energi dalam yang dipindahkan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah ketika kedua benda mengalami kontak (penyentuhan maupun pencampuran).

Walaupun kalor dan suhu adalah besaran yang berbeda, keduanya berhubungan. Biasanya ketika kita memberi kalor pada suatu benda, suhunya naik. Satu kalori didefinisikan sebagai jumlah kalor yang ketika diberikan pada 1 gram air yang akan menaikkan suhu air tersebut 1^oC.

Satuan kalor menurut SI adalah joule disimbolkan dengan J, dimana:

1 kalori = 4,184 J atau mendekati 4,2 J.

Teori kalorik dan teori kinetik. Teori kalorik yang diperkenalkan oleh Lavoisier menyatakan kalor adalah sejenis zat alir (disebut kalorik) yang terkandung dalam setiap benda dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Teori kalorik juga manyatakan bahwa benda yang suhunya tinggi mengandung lebih banyak kalorik daripada benda yang suhunya rendah. Ketika kedua benda disentuhkan, benda kaya kalorik kehilangan sebagian kaloriknya yang diberikan kepada benda miskin kalorik sampai benda mencapai suhu yang sama (tercapai keseimbangan termal). Sayangnya, teori ini tidak dapat menjelaskan fenomena mengapa kedua telapak tangan yang pada mulanya memiliki suhu yang sama dapat terasa hangat ketika digesek-gesekkan. Darimanakah datangnya kalorik? Lavoisier tidak dapat menjelaskannya.

Fenomena ini dapat dijelaskan setelah akhirnya disadari bahwa ‘kalor adalah suatu bentuk energi’. Kalor pada fenomena tersebut dihasilkan dari sebuah usaha (dalam hal ini sama dengan energi mekanik) yaitu gesekan antara kedua telapak tangan.

Teori kinetik lahir setelah orang mengetahui bahwa kalor adalah suatu bentuk energi. Teori ini menyatakan bahwa setiap zat disusun oleh partikel-partikel sangat kecil yang selalu bergerak. Dalam benda panas, partikel-partikel bergerak lebih cepat sehingga memiliki energi yang lebih besar dibandingkan dengan partike-partikel dalam benda yang lebih dingin. Ketika kedua benda disentuhkan, partikel-partikel dalam benda panas menabrak partikel-partikel dalam benda dingin sehingga terjadi perpindahan energi dari benda panas ke benda dingin. Begitu parikel-partikel dalam benda dingin menjadi lebih energetic, partikel-partikel dalam benda dingin juga memindahkan energinya ke benda panas. Pertukaran energi dari benda panas ke benda dingin  dan dari benda dingin ke benda panas akan mencapai kelajuan yang sama dan suhu yang sama (tercapai keseimbangan termal).

Kalor jenis. Ketika 1 kilokalori (4186 J) kalor diberikan kepada 1 kg air, suhu air akan naik 1 K (atau 1^oC). Tetapi untuk menaikkan suhu 1 kg gliserin 1 derajat hanya diperlukan kalor kira-kira 2510 J. Dan untuk menaikkan suhu 1 kg aluminium satu derajat hanya diperlukan 900 J. Kalor jenis didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 Kelvin (atau 1^oC). Kalor jenis diberi lambang c. Jadi c_air = 4184 J/kgK, c_gliserin = 2150 J/kgK, dan c_aluminium = 900 J/kgK..

Kapasitas kalor. Kapasitas kalor (diberi lambang C) didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar 1 derajat. Kapasitas kalor dinyatakan dalam J K^-1 atau J (^oC)^-1. Untuk benda bermassa m , hubungan antara kapasitas kalor C dan kalor jenis c adalah:

Kalor yang diterima atau dilepas, Q , oleh suatu benda bermassa m dan memiliki kalor jenis c, yang mengalami perubahan suhu ∆T derajat dinyatakan oleh:

Jika yang diketahui adalah kapasitas kalor benda, maka:

Perubahan suhu ∆T adalah 

Catatan: Jika ∆T positif, maka Q positif. Ini berarti benda menerima kalor. Jika ∆T negatif, maka Q negatif. Ini berarti benda melepas kalor.

Alat yang digunakan untuk mengukur kalor disebut kalorimeter. Umumnya, kalorimeter digunakan untuk menentukan kalor jenis suatu zat.

Ada berbagai jenis kalorimeter, tiga diantaranya adalah: 1) kalorimeter aluminium, 2) kalorimeter elektrik, dan 3) kalorimeter bom, digunakan khusus untuk menentukan kandungan energi dalam makanan dan lemak.

Perubahan wujud. Berbagai proses perubahan wujud diperlihatkan pada diagram di bawah ini.

Gambar 2. Diagram proses perubahan wujud

Kalor laten. Umumnya, ketika kalor diberikan pada suatu zat, maka zat itu mengalami kenaikan suhu. Akan tetapi, jika kalor yang diterima oleh suatu zat digunakan untuk mengubah wujud, misalnya dari es (wujud padat) menjadi air (wujud cair), maka suhu zat adalah tetap selama proses perubahan wujud. Kalor yang digunakan oleh zat untuk mengubah wujud disebut kalor laten. Laten artinya tersembunyi, maksudnya untuk melukiskan bahwa kalor yang diterima oleh zat untuk mengubah wujud tidak terlihat sebagai kenaikan suhu.

Kalor laten (diberi simbol L) didefinisikan sebagai banyak energi kalor Q  yang diterima atau dilepas setiap satuan massa oleh zat untuk berubah wujud. Secara matematis ditulis:

Berdasarkan diagram perubahan wujud pada Gambar 2, ada beberapa macam kalor laten, yaitu kalor laten lebur atau kalor lebur (diberi simbol L_f, f diambil dari kata freezing), kalor laten beku atau kalor beku, kalor laten uap atau kalor uap (diberi simbol L_v , v diambil dari kata vaporizing), dan kalor laten embun atau kalor embun. Untuk suatu zat pada tekanan yang sama, belaku:

Kalor lebur   =    Kalor beku

Kalor uap     =    Kalor embun

Faktor yang mempengaruhi perubahan wujud antara lain: tekanan dan ketidakmurnian. Pengaruh tersebut adalah sebagai berikut: “Kenaikan tekanan dapat menurunkan titik lebur dan kenaikan tekanan pada permukaan air akan menaikkan titik didihnya. Sedangkan ketidakmurnian zat juga dapat menurunkan titik lebur dan titik didihnya.

Materi dapat didownload di http://www.4shared.com/office/MOQph6PS/Pemuaian_dan_Perubahan_Wujud.html