wujud zat

vidio termometer

berikut adalah simulasi materi suhu dan kalor

Perubahan wujud zat

1.      

     Ketika suatu zat berubah wujud  dari padat ke cair, atau dari cair ke gas, sejumlah energi terlibat pada perubahan wujud zat tersebut. 

Kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat dari padat menjadi cair disebut kalor lebur, L_B. Kalor lebur air dalam SI adalah sebesar 333 kJ/kg (3,33×10J/kg), nilai ini setara dengan 79,7 kkal/kg. Sementara itu, kalor yang dibutuhkan untuk mengubah suatu zat dari wujud cair menjadi uap disebut kalor penguapan, dengan simbol L_u. Kalor penguapan air dalam satuan SI adalah 2.260 kJ/kg (2,26 × 10⁶J/kg), nilai ini sama dengan 539 kkal/kg. Kalor yang diberikan ke suatu zat untuk peleburan atau penguapan disebut kalor laten.

Besar kalor lebur dan kalor penguapan untuk berbagai zat tampak seperti pada Tabel 6.3

     Kalor lebur dan kalor penguapan suatu zat juga mengacu pada jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat tersebut ketika berubah dari cair ke padat, atau dari gas ke uap air. Dengan demikian, air mengeluarkan 333 kJ/kg ketika menjadi es, dan mengeluarkan 2.2 60 kJ/kg ketika berubah menjadi air. Tentu saja, kalor yang terlibat dalam perubahan wujud  tidak hanya bergantung pada kalor laten, tetapi juga pada massa total zat tersebut, dirumuskan:

     Q =  m.L....................................... (2 1)

dengan:

Q = kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama perubahan wujud  (J)

m = massa zat (kg)

L = kalor laten (J/kg)

Hukum kekekalan energy ( asas black)

1.   

Apabila dua zat atau lebih mempunyai suhu yang berbeda dan terisolasi dalam suatu sistem, maka kalor akan mengalir dari zat yang suhunya lebih tinggi ke zat yang suhunya lebih rendah. Dalam hal ini, kekekalan energi memainkan peranan penting. Sejumlah kalor yang hilang dari zat yang bersuhu tinggi sama dengan kalor yang didapat oleh zat yang suhunya lebih rendah.

Hal tersebut dapat dinyatakan sebagai Hukum Kekekalan Energi Kalor, yang berbunyi:

      

Kalor yang dilepas  =  kalor yang diserap              

Q_L     =        Q_S

     Persamaan tersebut berlaku pada pertukaran kalor, yang selanjutnya disebut Asas Black. Hal ini sebagai penghargaan bagi seorang ilmuwan dari Inggris bernama Joseph Black (1728 - 1799).

     

    Pertukaran energi kalor merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor. Untuk melakukan pengukuran kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat digunakan kalorimeter. Gambar 6.17 menunjukkan skema kalorimeter air sederhana. Salah satu kegunaan yang penting dari kalorimeter adalah dalam penentuan kalor jenis suatu zat. Pada teknik yang dikenal sebagai “metode campuran”, satu sampel zat dipanaskan sampai temperatur tinggi yang diukur dengan akurat, dan dengan cepat ditempatkan pada air dingin kalorimeter. Kalor yang hilang pada sampel tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter. Dengan mengukur suhu akhir campuran tersebut, maka dapat dihitung kalor jenis zat tersebut.

Kalor Sebagai Transfer Energy

Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda lain dengan suhu yang lebih rendah. Pada abad  ke-18 diilustrasikan aliran kalor sebagai gerakan zat fluida yang disebut kalori.

Bagaimanapun, fluida kalori tidak pernah dideteksi. Selanjutnya pada abad  ke-19, ditemukan berbagai fenomena yang berhubungan dengan kalor, dapat dideskripsikan secara konsisten tanpa perlu menggunakan model fluida. Model yang baru ini memandang kalor berhubungan dengan kerja dan energi. Satuan kalor yang masih umum dipakai sampai saat ini yaitu kalori. Satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1^oC. Terkadang satuan yang digunakan adalah kilokalori (kkal) karena dalam jumlah yang lebih besar, di mana 1 kkal = 1.000 kalori. Satu kilokalori (1 kkal) adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1^oC.

        Pendapat bahwa kalor berhubungan dengan energy dikerjakan lebih lanjut oleh sejumlah ilmuwan pada tahun 1800-an, terutama oleh seorang ilmuwan dari Inggris, James Prescott Joule (1818 - 1889). Joule melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan pandangan bahwa kalor merupakan bentuk transfer energi. Salah satu bentuk  percobaan Joule ditunjukkan secara sederhana seperti pada Gambar 6.16. 

Beban yang jatuh menyebabkan roda pedal berputar. Gesekan antara air dan roda pedal menyebabkan suhu air naik sedikit (yang sebenarnya hampir tidak terukur oleh Joule). Kenaikan suhu yang sama juga bisa diperoleh dengan memanaskan air di atas kompor. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara kalor mekanik.

4,186 J = 1 kal

4,186. 10³ J = 1 kkal

Kalor dapat mengubah wujud zat

1.      

Kalor yang diberikan pada zat dapat mengubah wujud  zat tersebut. Perubahan wujud  yang terjadi ditunjukkan oleh Gambar 6.15. Cobalah mengingat kembali pelajaran SMP, dan carilah contoh dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan perubahan wujud  zat karena dipengaruhi kalor.

Kalor dapat mengubah suhu benda

1.      

Kalor merupakan salah satu bentuk energi, sehingga dapat berpindah dari satu sistem ke sistem yang lain karena adanya perbedaan suhu. Sebaliknya, setiap ada perbedaan suhu antara dua sistem maka akan terjadi perpindahan kalor. Sebagai contoh, es yang dimasukkan ke dalam gelas berisi air panas, maka es akan mencair dan air menjadi dingin. Karena ada perbedaan suhu antara es dan air maka air panas melepaskan sebagian kalornya sehingga suhunya turun dan es menerima kalor sehingga suhunya naik (mencair).

Persamaan gas ideal

4.     

Hukum-hukum gas dari Boyle, Charles, dan Gay Lussac didapatkan dengan bantuan teknik yang sangat berguna di dalam sains, yaitu menjaga satu atau lebih variabel tetap konstan untuk melihat akibat dari perubahan satu variabel saja. Hukum-hukum ini dapat digabungkan menjadi satu hubungan yang lebih umum antara tekanan, volume, dan suhu dari gas dengan jumlah tertentu: 

Hubungan ini menunjukkan bahwa besaran P, V, atau T akan berubah ketika yang lainnya diubah. Percobaan yang teliti menunjukkan bahwa pada suhu dan tekanan konstan, volume V dari sejumlah gas di tempat tertutup berbanding lurus dengan massa m dari gas tersebut, yang dapat dituliskan:  

Perbandingan ini dapat dibuat menjadi persamaan dengan memasukkan konstanta perbandingan. Penelitian menunjukkan bahwa konstanta ini memiliki nilai yang berbeda untuk gas yang berbeda. Konstanta pembanding tersebut ternyata sama untuk semua gas, jika kita menggunakan angka mol. Pada umumnya, jumlah mol n, pada suatu sampel zat murni tertentu sama dengan massanya dalam gram dibagi dengan massa molekul yang dinyatakan sebagai gram per mol.

Perbandingan tersebut dapat dituliskan sebagai suatu persamaan sebagai berikut:

P . V = n . R . T…………………………………(17)

Dengan, n menyatakan jumlah mol dan R adalah konstanta pembanding. R disebut konstanta gas umum (universal) karena nilainya secara eksperimen ternyata sama untuk semua gas. Nilai R, pada beberapa satuan adalah sebagai berikut:

R   = 8,315 J/(mol.K), ini merupakan satuan dalam SI

     = 0,082 1 (L .atm)/(mol.K)

     = 1,99 kalori/(mol.K)

Hukum Gay Lussac

Hukum Gay L ussac berasal dari Joseph Gay Lussac (1778-1850), menyatakan bahwa pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak, dituliskan:

Dengan:

P = tekanan gas pada volume tetap (Pa)

T = suhu mutlak gas pada volume tetap (K)

P₁= tekanan gas pada keadaan I (Pa)

P₂= tekanan gas pada keadaan II (Pa)

T₁= suhu mutlak gas pada keadaan I (K)

T₂= suhu mutlak gas pada keadaan II (K)

Contoh nyata dalam kehidupan sehari-hari adalah botol yang tertutup atau kaleng aerosol, jika dilemparkan ke api, maka akan meledak karena naiknya tekanan gas di dalamnya.

Hukum Carles

Untuk semua gas, grafik hubungan antara volume V dan suhu T dapat digambarkan seperti pada Gambar 6.13, dan garis lurus selalu menuju kembali ke -273^oC pada volume nol. Hal ini menunjukkan bahwa jika gas dapat didinginkan sampai -273^oC, volumenya akan nol, lalu pada suhu yang lebih rendah lagi volumenya akan negatif. Hal ini tentu saja tidak masuk akal. Bisa dibuktikan bahwa -273 ^oC adalah suhu terendah yang mungkin, yang disebut suhu nol mutlak, nilainya ditentukan -273^oC.

Nol mutlak sebagai dasar untuk skala suhu yang dikenal dengan nama skala mutlak atau Kelvin, yang digunakan secara luas pada bidang sains. Pada skala ini suhu dinyatakan dalam derajat Kelvin, atau lebih mudahnya, hanya sebagai kelvin (K) tanpa simbol derajat. Selang antar derajat pada skala Kelvin sama dengan pada skala Celsius, tetapi nol untuk skala Kelvin (0K) dipilih sebagai nol mutlak itu sendiri. Dengan demikian, titik beku air adalah 273K (0 ^oC) dan titik didih air adalah 273 (100 ^oC). Sehingga hubungan antara skala Kelvin dan Celsius dapat dituliskan:

T_K = T_C  + 273 ……………….(14)

           Pada Gambar 6.14 menunjukkan grafik hubungan volume gas dan suhu mutlak, yang merupakan garis lurus yang melewati titik asal. Ini berarti sampai pendekatan yang baik, volume gas dengan jumlah tertentu berbanding lurus dengan suhu mutlak ketika tekanan dijaga konstan.

Pernyataan tersebut dikenal sebagai Hukum Charles, dan dituliskan:

Dengan:

V = v olume gas pad a tekanan tetap (m³)

T = suhu mutlak gas pada tekanan tetap (K)

V₁= volume gas pada keadaan I (m³)

V₂= volume gas pada keadaan II (m³)

T₁= suhu mutlak gas pada keadaan I (K)

T₂= suhu mutlak gas pada keadaan II (K)

Hukum boyle

Untuk jumlah gas tertentu, ditemukan secara eksperimen bahwa sampai pendekatan yang cukup baik, volume gas berbanding terbalik dengan tekanan yang diberikan padanya ketika suhu dijaga konstan, yaitu:

dengan P adalah tekanan absolut (bukan “tekanan ukur”). Jika tekanan gas digandakan menjadi  dua kali semula, volume diperkecil sampai setengah nilai awalnya. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Boyle, dari Robert Boyle (1627-1691), yang pertama kali menyatakan atas dasar percobaannya sendiri. Grafik tekanan (P ) terhadap volume gas (V) untuk suhu tetap tampak seperti pada Gambar 6.12 .

Hukum Boyle juga dapat dituliskan:

P.V = konstan atau P₁ . V₁ = P₂ . V₂………………………(13)

dengan:

P = tekanan gas pada suhu tetap (Pa)

V = volume gas pada suhu tetap (m³)

P­₁ = tekanan gas pada keadaan I (Pa)

P₂ = tekanan gas pada keadaan II (Pa)

V₁= volume gas pada keadaan I (m³)

V₂= volume gas pada keadaan II (m³)

Persamaan (6.13) menunjukkan bahwa pada suhu tetap, jika tekanan gas dibiarkan berubah maka volume gas juga berubah atau sebaliknya, sehingga hasil kali PV tetap konstan.

Pemuaian Gas

Persamaan (12) yang memperlihatkan perubahan volume zat cair akibat pemuaian, ternyata tidak cukup untuk mendeskripsikan pemuaian gas. Hal ini karena pemuaian gas tidak besar, dan karena gas umumnya memuai untuk memenuhi tempatnya. Persamaan tersebut hanya berlaku jika tekanan konstan. Volume gas sangat bergantung pada tekanan dan suhu. Dengan demikian, akan sangat bermanfaat untuk menentukan hubungan antara volume, tekanan, temperatur, dan massa gas. Hubungan seperti ini disebut persamaan keadaan. Jika keadaan sistem berubah, kita akan selalu menunggu sampai suhu dan tekanan mencapai nilai yang sama secara keseluruhan.

Pemuaian zat cair

Seperti halnya zat padat, zat cair akan memuai volumenya jika dipanaskan. Sebagai contoh, ketika kita memanaskan panci yang berisi penuh dengan air, apa yang akan terjadi pada air di dalam panci tersebut? Pada suhu yang sangat tinggi, sebagian dari air tersebut akan tumpah. Hal ini berarti volume air di dalam panci tersebut memuai atau volumenya bertambah.

Sebagian besar zat akan memuai secara beraturan terhadap penambahan suhu. Akan tetapi, air tidak mengikuti pola yang biasa. Bila sejumlah air pada suhu 0^oC dipanaskan, volumenya menurun sampai mencapai suhu 4^oC. Kemudian, suhu di atas 4^oC air berperilaku normal dan volumenya memuai terhadap bertambahnya suhu, seperti Gambar 6.10. Pada suhu di antara 0^oC dan 4^oC air menyusut dan di atas suhu 4^oC air memuai jika dipanaskan. Sifat pemuaian air yang tidak teratur ini disebut anomali air. Dengan demikian, air memiliki massa jenis yang paling tinggi pada 4^oC. Perilaku air yang menyimpang ini sangat penting untuk bertahannya kehidupan air selama musim dingin. Ketika suhu air di danau atau sungai di atas 4^oC dan mulai mendingin karena kontak dengan udara yang dingin, air di permukaan terbenam karena massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat dari bawah. Campuran ini berlanjut sampai suhu mencapai 4^oC.

Sementara permukaan air menjadi lebih dingin lagi, air tersebut tetap di permukaan karena massa jenisnya lebih kecil dari 4^oC air di sebelah bawahnya. Air di permukaan kemudian membeku, dan es tetap di permukaan karena es mempunyai massa jenis lebih kecil dari air. Perilaku yang tidak biasa dari air di bawah 4^oC, menyebabkan jarang terjadi sebuah benda yang besar membeku seluruhnya, dan hal ini dibantu oleh lapisan es di permukaan, yang berfungsi sebagai isolator untuk memperkecil aliran panas ke luar dari air ke udara dingin di atasnya. Tanpa adanya sifat yang aneh tapi istimewa dari air ini, kehidupan di planet kita mungkin tidak bisa berlangsung.

Air tidak hanya memuai pada waktu mendingin dari 4^oC sampai 0^oC, air juga memuai lebih banyak lagi saat membeku menjadi es. Hal inilah yang menyebabkan es batu terapung di air dan pipa pecah ketika air di dalamnya membeku.

Muai volume

Apabila suatu benda berbentuk volume atau padatan, misalnya kubus dengan sisi L dipanaskan hingga suhunya naik sebesar ∆T , maka kubus tersebut akan memuai pada setiap sisinya.

Volume benda mula-mula adalah: V0 = V_o³.

Pada saat dipanaskan, setiap sisi benda (kubus) memuai sebesar ∆L. Hal ini berarti akan membentuk kubus baru dengan sisi (L0 + ∆L). Dengan demikian volume benda saat dipanaskan adalah:

A = (L₀ + ∆L)³ =L₀³ + 3 L₀²  + 3 L₀(∆L)^{2 +} (∆L)³

Karena ∆L cukup kecil, maka nilai (∆L)² dan (∆L)³ mendekati nol sehingga dapat diabaikan. Dengan anggapan ini diperoleh volume benda saat dipanaskan sebagai berikut:

V = L₀³ + 3 L₀². ∆L

V = V₀ + 3L₀². Α.L₀.∆T

V = V₀ + 3 α.V₀.∆T

V = V₀ + .V₀.∆T……………(10)

V = V₀ (1 + .∆T)........………(11)

dengan:

V = volume benda saat dipanaskan (m³)

V₀= volume benda mula-mula (m³)

  = 3α   = koefisien muai volume (/⁰C)

∆T = perubahan suhu (^oC)

Dari persamaan (6.10) didapatkan perubahan volume akibat pemuaian, yaitu:

∆V=  . V₀. ∆T ………………………………………………………………………………….(12)

Jika perubahan suhu ∆T = T – T₀ bernilai negative , maka  ∆V = V – V₀ juga negative, berarti volume benda menyusut.

Peta Konsep