Termofisika Gn 15

8/17/2019 Termofisika Gn 15

1/23

Termofisika2


2/23

TERMOMETRI:

Berkaitan dengan Pengukuran Temperatur

TEMPERATUR :

besaran yang menyatakan ukuran panas ataudinginnya benda.

Contoh: Air panas bertemperatur tinggisementara es bertemperatur rendah

Termometer dan Skala

Skala temperatur yang banyak digunakan

adalah skala Celcius/centigrade C, skala

Fahrenheit F dan skala absolut atau skala

Kelvin K.

Konversi Skala:


3/23

Kesetimbangan termis

Temperatur A dan B berubah dan akhirnya

Keadaan akhir ini dinamakan keadaan setimbang termis.

Pada keadaan SETIMBANG TERMIS :•Tidak ada energi yang mengalir dari A ke B

•Temperatur tidak berubah lagi

•Temperatur A dan B sama

A B

A B

Hukum ke – 0 Termodinamika


4/23

Termofisika7

Termofisika8

PEMUAIAN TERMAL :

Q

T naik

Kecuali ANOMALI AIR

0 oC sampai 4 oC : air menyusut

4o

C sampai 0o

C : air memuai


5/23

Pemuaian TermalBesar kecilnya pemuaian / penyusutan tergantung bahannya, dan

merupakan karakteristik bahan

Sebenarnya α = α(T), tetapi untuk ∆T yang tidak besar, maka αdapat dianggap konstan, atau α ≠ α(T)

Muai Volume

Benda ruang ( berdimensi – 3 ) yang memuai mengalami

perubahan volume dan sepadan dengan persamaan muai

panjang, dapat ditulis sebagai:


6/23


7/23

Termofisika13

Termofisika 14

SEJARAH PENGERTIAN KALOR

1 , 1

,


8/23

Termofisika 15

SATUAN KALOR

1

1

1

( 1 ,

1 ,

)

1 1

1 0 0 0

1 0 , 2

1 0 , 2 2 1 0

186,4

1

Termofisika 16

Contoh 1

Seseorang kelebihan makan sebanyak 500 Kalori. Untuk membuang

kalori yang lebih ini ia melakukan kerja dengan mendaki gunung.

Berapa ketinggian yang harus ditempuh, bila massa orang itu 60 kg ?

Orang mendaki gunung, mengubah energi ini menjadi energi potensial, artinya :

Penyelesaian :

500 Kalori = 500 x 1000 kal = 5 10 5 x 4,186 joule

= 20,93 10 5 joule.

Jadi, ketinggian yang harus ditempuh adalah :

h = (20,93 105)/(600) = 3500 m

20,93.105 = m g h = (60) (10) h


9/23

Termofisika17

Panas QTemperatur naik

• Benda, ada yang sukar naik temperaturnya

ada yang mudah naik temperaturnya

• Besaran yang menyatakan mudah sukarnya temperatur naik :

kalor jenis c

• Makin besar c, makin sukar temperatur benda naik

• Makin besar massa, makin banyak panas yang dibutuhkan

dan makin sukar temperatur benda naik

KALOR JENIS DAN KALOR LATEN

Q = m c ∆∆∆∆T

∆ T

Termofisika18

Q = m c ∆∆∆∆T

c = Q / m ( ∆T )Satuan c : J/kg C o atau kkal/kg C o atau kal / gram C o

c Al = 900 J/kg Co : untuk menaikkan suhu 1 kg Al, 1 Co

dibutuhkan panas 900 J

ZAT c ( kkal/kg Co ) c ( J/kg C o )

Tembaga 0,093 390

Kaca 0,20 840

Baja

Air ( cair )

0,11

1

450

4186


10/23

Termofisika19

Kalor jenis zat padat dan zat cair konstanKalor jenis gas tergantung proses kenaikan suhunya

c p : kalor jenis gas pada tekanan konstan

cV : kalor jenis gas pada volume konstan

cP > cVKalor Jenis Gas ( kkal/kg Co )

Gas cP cVUap (100 oC) 0,482 0,350

Oksigen 0,218 0,155

Helium 1,15 0,75

Karbon dioksida 0,199 0,153

Nitrogen 0,248 0,177

Termofisika20

Contoh 2

Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebuah tong

besi kosong yang massanya 40 kg dari 10°C menjadi 90°C ?

Bagaimana jika tong itu diisi 20 kg air ? c besi = 450 J/kg Co;

c air = 1 kkal/kg Co = 4186 J/kg Co

Kalor untuk menaikkan temperatur tong kosong :

Q tong = m c ( ∆T ) = (40)(450) (80) = 1440kJBila tong berisi air, maka kalor untuk menaikkan temperatur air :

Q air = 20 (4186) (80) = 6700 kJ

Jadi Q total untuk tong dan air adalah:

Q total = 1440 + 6700= 8140kJ

Penyelesaian :


11/23

Bahan tidak selalu naik temperaturnya bila dipanaskan.

Ketika temperatur bahan tidak naik, kalor yang diberikan

dipakai untuk mengubah fasa bahan tersebut dan kalor yang

digunakan untuk mengubah fasa bahan dinamakan kalor laten.

Q = m Ldengan L : kalor laten bahan

Kalor Laten

A B pemanasan es

BC pencairan es air

C D pemanasan air

D E mendidihkan air (airuap)

E F pemanasan lanjutan uap( superheat steam)

Diagram Fasa Air

140

120

100

80

60

40

20

0

-20

-40

-60

-80

-100

T e m p e r a t u r ( o C

)

Kalor (joule)

Titik Didih

Titik Cair

A

BC

D E

F

Panas = m x Les-airLes-air = 333 J/g

Panas = m x Lair-uapLair-upa = 2256 J/g

Panas = m x ∆∆∆∆T x CairCair = 4.184 J/g

oC

Panas = m x ∆∆∆∆T x CesCes = 2,077 J/g

oC

Panas = m x ∆∆∆∆T x C uapCuap) = 2.042 J/g

oC


12/23

Termofisika23

Kalor lebur es L = 80 kkal/kg :

untuk meleburkan 1 kg es menjadi air dibutuhkankalor 80 kkal

Sebaliknya :

air mengeluarkan 80 kkal ketika berubah menjadi es

Kalor penguapan air L = 540 kkal/kg :

untuk menguapkan 1 kg air menjadi uap dibutuhkan

kalor 540 kkalSebaliknya :

uap mengeluarkan kalor 540 kkal ketika berubah

menjadi air

Untuk benda bermassa M, kalor pada perubahan fasa :

Q = M L

Termofisika24

KEKEKALAN ENERGIKEKEKALAN ENERGI

KALOR YANG HILANG =KALOR YANG HILANG =

KALOR YANG DIDAPATKALOR YANG DIDAPAT

AZAS BLACKAZAS BLACK


13/23

Termofisika25

Berapa banyak energi yang harus dikeluarkan lemari es, ketika mengubah 1,5 kg

air bertemperatur 20°C menjadi es bertemperatur – 12°C ?

Contoh 3

Kalor yang keluar :

1,5 kg air, 20 oC menjadi 0 oC : 1,5 ( 4186) (20) = 125.580 J

1,5 kg air 0 oC menjadi es 0 oC : 1,5 ( 3,33 105) = 499.500 J

1,5 kg es 0 oC menjadi – 12 oC : 1,5 (2100) 12 = 37.800 J

Jumlah kalor yang dikeluarkan = 662.880 J

663 kJ

Penyelesaian :

Termofisika26

Teh 200 cm3 bertemperatur 95°C dituangkan ke cangkir 150 gram

bertemperatur 25°C. Berapa temperatur akhir campuran ini setimbang ?

c teh = c air = 4186 J/kg Co; c gelas = 840 J/kg C

o ; ρ air = 1000 kg/m3

Contoh 4

Misalkan temperatur akhir = T ( T < 95 oC dan > 25 oC )

Kalor yang keluar dari teh :

(200. 10-6) (1000) (4186) (95-T)

Kalor yang diterima cangkir :

(0,150) (840) ( T – 25 )

Azas Black :

0,2 ( 4186) ( 95 – T ) = (0,15) (840) ( T – 25 )

Jadi temperatur akhir adalah :

T = 8 9 oC

Penyelesaian :


14/23

Termofisika27

Mengapa tidak lama setelah kita berkeringat,

tubuh menjadi “dingin” ?

Kalau air menguap secara alami ( tidak dipanaskan ), maka air suhunya

turun. Ini disebabkan kalor laten untuk menguap diambil dari air itu

sendiri. Akibatnya energi dalamnya berkurang, dan suhu turun

Ketika suhu darah kita naik di atas normal, maka

kelenjar hypothalamus mengirimkan sinyal ke kelenjar keringat, sehinggaproduksi keringat naik.

Energi untuk menguapkan air keringat ini diambil dari tubuh,

akibatnya suhu tubuh turun, atau tubuh menjadi “dingin”

Termofisika28

MENGAPA DIBUTUHKAN ENERGI

UNTUK MENGUAPKAN ZAT ?

• Pada fasa cair, molekul – molekul bersatu.

• Bila zat berubah menjadi fasa gas, maka molekul – molekul yang

tadinya bersatu itu lepas.

• Prose pelepasan inilah yang membutuhkan energi

• Proses perombakan susunan molekul ini lumayan hebat, karena

jarak rata – rata antar molekul bertambah sangat besar.

• Karena itu energi yang dibutuhkan juga besar,

• Akibatnya nilai kalor penguapan biasanya juga besar


15/23

Perpindahan kalor (Heat Transfer)

Ilmu yang membahas perpindahan energi karena perbedaan

temperatur


16/23

Perpindahan KalorPerpindahan kalor ini dapat terjadi

lewat 3 cara, yaitu :

a. Konduksi : melalui materi

perantara, tanpa perpindahan

materi perantara tersebut.

b. Konveksi : melalui materi

perantara disertai perpindahan

materi perantara tersebut.

c. Radiasi : tanpa medium

perantara


17/23

KONDUKSI

T1 T2

T2T1 >Arus kalor

A

L

,

Η≡ ∆ /

∆

~ ∆

~

~1 /

L

TTAkH 21

−=

L

TTAH 21

−∞


18/23

LTTAkH 21

−

=

/ /

∆

∆ /

/

• k besar : konduktor (sebagian besar logam) – menghantar kalor dengan mudah

• k kecil : isolator ( wol, fiberglass, bulu ) – penghantar kalor yang buruk• bahan dengan k besar menghantarkan kalor lebih cepat dibanding bahan

dengan k kecil

• k baja = 40 J/s.m.K : batang baja yang panjangnya 1 meter dan mempunyai

perbedaan temperatur 1 K antara ujung – ujungnya,

dikonduksikan kalor sebanyak 40 joule tiap sekonnya


19/23

Contoh 5

Hitung laju kalor melalui sebuah jendela yang berukuran2,0 m x 1,5 m dan tebalnya 3,2 mm, jika temperatur

permukaan dalam dan luarnya adalah masing – masing 25 oC

dan 30 oC! ( k kaca = 0,84 J/s.m.K )

A = 3,0 m2

25 oC

30 oC

L = 3,2 x 10-3 m

• H yang dicari = 3937,5 J/s

• bila di luar jendela bertiup angin keras, maka

udara di luar jendela terus-menerus diganti

udara “dingin”

• gradien temperatur pada jendela mengecil• kalor dari luar yang masuk ke ruang mengecil

• praktek “hujan buatan” agar ruang tetap sejuk

b. Laju kalor, Htembaga

= Hkuningan

= (400) (0,2x0,3)

Dalam keadaan steady,

H tembaga = H kuningan (400) (0,2x0,3) = (200) (0,2x0,3)

a. Misalkan temperatur bidang batas antara tembaga dan kuningan adalah T oC, maka

H tembaga = (400) (0,2x0,3) dan H kuningan = (200) (0,2x0,3)

Contoh 6

TEMBAGA KUNINGAN

60 cm 40 cm

20 cm

30 cm

Hitunglah :

a. temperatur bidang batas antara tembaga dan kuningan

b. laju kalor dari kiri ke kanan

6,0

T200−

4,0

100T −

6,0

T200 −

4,0

100T−

6,0

157200−

k tembaga = 400 W/m K200 oC100 oC

k kuningan = 200 W/ m K

Penyelesaian :

T = 157 oC

= 1720 watt


20/23

kalor diberikan pada gas ataupun zat cair

molekul – molekul melepaskan dirinyadari ikatan antar molekul

kalor yang diterimaditeruskan ke bagian – bagian lain bahan.

perpindahan kalor konveksikalor dibawa sendiri oleh molekul ke bagian – bagian lain

• naiknya udara panas ke atas, sementara udara dingin turun ke bawah

• Mengapa AC dipasang di atas ?

KONVEKSI

KONVEKSI

)( 12 T T Ah H −⋅⋅=

h = koefisien konveksi, watt/m2 oC

A =luas penampang aliran panas, m2

T1 dan T2 = temperatur


21/23

42

81067.5

K m

W

emisivitase

−

×=

=

σ

4

ee AT e H σ =

( )44aee

T T Ae H −= σ

A = Luas Penampang

Te = temperatur emisi

Ta = temperatur serapan

Energi yang dipancarkan

Aliran Energi antara 2 permukaan

RADIASI

Contoh 7

Seorang atlet, ketika belum mengenakan bajunya, berada di ruang ganti yang

berdinding gelap dan bertemperatur 15°C. Jika temperatur kulit atlet itu 34°C

sedang e = 0,7 dan luas permukaan tubuhnya adalah 1,5 m2, berapakah kalor

radiasi yang hilang dari tubuhnya per satuan waktu ?

kalor yang hilang secara radiasi dari tubuh atlet ini adalah :

H = (0,7)(5,67. 10 –8) (1,5) [(307)4 – (288)4]

= 120 watt.

Penyelesaian:

Berdasarkan H = e σ A 42

41

TT −


22/23

SoalSoalSoalSoal----soalsoalsoalsoal

1. Anda merasa sakit dan diberitahu dokter bahwa suhu tubuhAnda adalah 103,1°F. Apakah Anda harus merasa khawatir?Mengapa? Jelaskan jawaban Anda!

2. Sebuah jalan bebas hambatan terbuat dari potongan-potongan beton yang panjangnya 15 m (pada suhu 20°C).Seberapa lebar jarak pemuaian (pada suhu 20°C) yang harusdibuat di antara potongan tersebut untuk mencegahlengkungan jika jangkauan temperatur di tempat itu –30°Csampai 50°C? Koefisien muai linier beton adalah 12.10-6 (C°)-1.

3. Sebuah gelas biasa diisi sampai penuh dengan 200 mL airpada 100°C. Jika temperatur turun sampai 20°C, berapabanyak air yang dapat ditambahkan ke dalam gelas tersebut?Koefisien muai linier gelas adalah 9.10-6 (C°)-1 Koefisien muaivolume air adalah 210.10-6 (C°)-1.


4. Berapa kalor jenis suatu logam jika 135 kJ kalordibutuhkan untuk menaikkan temperatur 5,1 kg logamtersebut dari 20°C sampai 30°C?

5. Selama berolahraga, seseorang mengeluarkan 180 kkalkalor dalam waktu 30 menit dengan penguapan air dari

kulit. Berapakah massa air yang hilang dari tubuhnya?(Lair-uap = 2256 J/gram)

6. Sepotong es batu diambil dari lemari es pada –8,5°C dandimasukkan dalam kalorimeter aluminium bermassa 100 gyang berisi 300 g air pada suhu ruangan 20°C. Setelahbeberapa saat, es batu mencair seluruhnya menjadi airbersuhu 17°C. Berapa massa es batu? Ingat: caluminium =900 J/kg.Co ; cair = 4186 J/kg.C

o ; ces = 2100 J/kg.Co ; Les =

333 kJ/kg.


23/23

7. Sebatang tembaga yang panjangnya 2 m mempunyai penampanglingkaran berjari-jari 1 cm. Salah satu ujungnya dipertahankanpada 100°C dan ujung lainnya dipertahankan pada 0°C.Permukaan batang diisolasi agar rugi kalor lewat permukaandapat diabaikan. Carilah :a. laju kalor dalam batang tembaga itu, danb. temperatur batang 25 cm dari ujung yang lebih “panas” !Ingat: k tembaga = 400 W/m.K

8. Jika luas permukaan total tubuh manusia adalah 1,2 m2 dan suhupermukaan adalah 30°C, tentukan laju radiasi energi total dari

tubuh. Jika lingkungan berada pada suhu 20°C, berapa laju totalkehilangan panas melalui radiasi? Anggap e = 1, tidak tergantungpigmentasi kulit.


Documents

Termofisika Gn 15