LATIHAN                                                        

A. Piilihlah jawaban yang tepat. Berikan alasan mengapa anda memilih jawaban tersebut. 

1. Sebuah termometer tak berskala berisi raksa. Ketika dimasukkan ke dalam es melebur, panjang kolom raksa 5 cm dan ketika dimasukkan ke dalam air mendidih, panjang kolom raksa 30 cm. Ketika termometer menunjukkan 30^oC, panjang kolom raksa adalah ...

  A.  6,25 cm            D.  12,50 cm

  B.  7,50 cm            E.  15,0 cm

  C.  10,25 cm

2. Sebuah plat logam berbentuk lingkaran memiliki lubang lingkaran konsentris (sepusat) ditengahnya. Jika plat tersebut dipanaskan, maka ...

  A.  diameter plat membesar dan diameter lubang mengecil 

  B.  diameter plat mengecil dan diameter lubang membesar

  C.  diameter plat membesar dan diameter lubang membesar

  D.  diameter plat mengecil dan diameter lubang mengecil

  E.  diameter plat membesar dan diameter lubang tetap 

3. Gela kaca memiliki kapasitas 400 mL berisi penuh air pada suhu 20^oC. Jika air beserta gelas tersebut dipanaskan hingga sejumlah air yang tumpah sebanyak 3,66 mL, suhu air dan kaca setelah dipanaskan adalah ... (𝛂 kaca = 1 x 10⁻⁵/^oC;  𝜸 (gamma) air = 2,1 x 10⁻⁴/^oC)

  A.  45^oC              D. 70^oC 

  B.  60^oC              E. 75^oC

  C.  65^oC

4. Air panas 100^oC ditambahkan pada 300 g air yang suhunya 0^oC hingga campuran itu mencapai suhu 40^oC. Massa minimum air panas yang ditambahkan adalah ...

  A.  50 g             D.  120 g   

  B.  30 g             E.  200 g

  C.  50 g 

5. Air bermassa 200 g dan bersuhu 30^oC dicampur air mendidih bermassa 100 g dan bersuhu 90^oC (Kalor jenis air = 1 kal/g^oC). Suhu air campuran pada saat keseimbangan termal adalah ...

  A.  10^oC           D.  75^oC

  B.  30^oC           E.  150^oC

  C.  50^oC

6. Pernyataan berikut ini BENAR, kecuali ...

  A.  peleburan es adalah contoh proses penyerapan kalor tanpa perubahan suhu

  B.  pembekuan air adalah contoh proses pelepasan kalor tanpa perubahan suhu

  C.  penguapan air adalah contoh proses pelepasan kalor tanpa perubahan suhu

  D.  pengembunan uap air adalah contoh proses pelepasan kalor tanpa perubahan suhu

  E.  penguapan air adalah contoh proses penyerapan kalor tanpa perubahan suhu 

7. Sebuah tembaga bermassa 9,2 g dan bersuhu 164^oC dimasukkan dalam kalorimeter berisi air bersuhu 20^oC. Suhu akhir campuran adalah 24^oC. Jika percobaan ini diulangi kembali dengan menggunakan kondisi awal yang sama, kecuali massa tembaga yang dipakai diganti menjadi m, suhu akhir campuran adalah 26^oC. Jika kalorimeter dianggap tidak menyerap kalor, nilai m adalah ...

 A.  12 g            D.  18 g

 B.  14 g            E.  20 g

 C.  16 g 

8. Sebanyak 20 kg es dengan suhu 0^oC berbentuk balok didorong di atas lantai kasar yang juga bersuhu 0^oC. Koefisien gesekan antara balok es dan lantai 0,4. Jika kalor lebur es 80 kal/g, setelah menmpuh jarak 20 m, jumlah es yang mencair adalah ...

 A.  4,46 g        D.  5,36 g

 B.  4,76 g        E.  5,86 g

 C.  5,01 g 

9. Jika kita berada di dekat api unggun, kalor akan merambat dari api unggun ke tubuh kita melalui proses ...

 A.  radiasi dan konveksi

 B.  radiasi dan konduksi 

 C.  konduksi dan konveksi

 D.  radiasi

 E.  konveksi 

10. Sebuah batang logam panjangnya 1 m. Salah satu ujungnya dipanaskan pada suhu tetap 150^oC, sementara ujung yang lain dipertahankan pada suhu ruang, yaitu 30^oC. Suhu bagian batang yang berjarak 30 cm dari ujung yang dipanaskan adalah ...

A.  36^oC            D.  114^oC

 B.  56^oC           E.  125^oC

C.  85^oC

B. Kerjakan soal-soal berikut.

1. Untuk memindahkan kalor dari air mendidih ke lokasi yang memiliki suhu 25^oC digunakan sebuah batang aluminium. Jarak dua lokasi tersebut adalah 3 meter. Alumunium dibungkus dengan isolator ideal sehingga tidak ada kalor yang terbuang selama perpindahan. Berapakah jari-jari batang aluminium (anggap berbentuk silinder) agar laju perpindahan kalor adalah 50 J/s.

2. Berapa kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 50 g air yang bersuhu 50^oC sehingga seluruhnya menjadi uap.

3. Tentukan kalor total yang diperlukan untuk mengubah 500 g es yang bersuhu -5 ^oC sehingga menjadi air yang bersuhu 25 ^oC.

4. Jika 500 g tembaga yang bersuhu 50^oC dimasukkan ke dalam 200 g air yang bersuhu 20^oC, berapa suhu akhir ketika dua benda tersebut dalam keseimbangan (mencapai suhu yang sama). 

5. Air dalam botol mineral sebanyak 600 ml memiliki suhu 27 ^oC. Air tersebut dimasukkan dalam kulkas sehingga beberapa jam berselang suhunya turun menjadi 5^oC. Berapa jooule kalor yang dilepas air.

Perubahan Wujud Zat

Perubahan wujud suatu zat disebabkan oleh zat melepaskan kalor atau menyerap kalor. Perubahan wujud suatu zat yang disebabkan oleh zat melepaskan kalor adalah mengembun, membeku dan menyublim. Sedangkan perubahan wujud suatu zat yang disebabkan oleh zat menyerap kalor adalah menguap (mendidih), melebur dan menyublim. 

Mencair adalah perubahan wujud dari padat menjadi cair, 
Membeku adalah perubahan wujud dari cair menjadi padat, 
Menguap adalah perubahan wujud dari cair menjadi gas, 
Mengembun adalah perubahan wujud dari gas menjadi cair, 
Menyublim adalah perubahan wujud dari padat langsung menjadi gas (tanpa melalui wujud cair). 
Dan Deposisi adalah kebalikan dari menyublim, yakni perubahan langsung daari wujud gas ke wujud padat.

Gambar 6.1 Perubahan wujud zat padat, cair dan gas 

a. Melebur dan Membeku

Melebur adalah perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Pada saat melebur, zat memerlukan kalor meskipun tidak mengalami mengalami kenaikan suhu. Titik lebur adalah suhu pada waktu zat melebur. Kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1Kg zat padat menjadi cair dinamakan kalor laten lebur atau kalor lebur saja. Kalor yang dilepaskan pada waktu zat membeku dinamakan kalor laten beku atau kalor beku saja. Selanjutnya kedua jenis kalor laten ini disebut kalor lebur dan diberi simbol L_f. Jika banyak kalor yang diperlukan oleh zat yang massa nya m Kg untuk melebur adalah Q, sesuai dengan definisi diatas, dapat ditulis 

L_f = Q/m     atau   Q = mL_f 

 keterangan :
                        Q   = Kalor yang diserap (J)
                        m   = massa zat (kg)
                       L_f    = kalor lebur atau kalor laten peleburan (J/Kg)

b. Menguap, Mendidih dan Mengembun

Menguap adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi uap (gas). Pada waktu menguap zat memerlukan kalor. Jika penguapan hanya terjadi dipermukaan zat cair dan dapat terjadi pada setiap suhu, mendidih adalah penguapan yang terjadi diseluruh bagian zat cair dan hanya dapat terjadi pada titik didih. Pada waktu mendidih suhu zat kan tetap sekalipun pemanasan terus dilakukan. Semua kalor yang yang diberikan kepada zat digunakan untuk mengubah wujud dari cair menjadi uap. Suhu tetap ini disebut dengan titik didih, yang besarnya sangat tergantung pada tekanan dipermukaan zat itu. 

Kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1Kg zat cair menjadi uap pada titik didih normalnya dinamakan kalor laten uap atau kalor uap saja. Kalor uap disebut juga kalor didih. Sedangkan kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud 1Kg  uap menjadi cair pada titik didih normalnya dinamakan kalor laten embun atau kalor embun saja. Untuk zat yang sama , kalor didih = kalor embun. Kalor didih dan kalor embun diberi simbol L_u.

Jika banyaknya kalor yang diperlukan untuk mendidihkan zat yang massa nya m adalah Kg dan Q adalah J, maka dapat ditulis :

      L_u = Q/m     atau     Q = m L_u

L_u = kalor uap atau kalordidih (J/Kg) 

Suatu zat kadang-kadang dapat berubah wujud dari padat langsung menjadi gas. Proses ini dinamakan menyublim. Peristiwa menyublim dimanfaat orang dalam tekhnik pengeringan beku untuk mengawetkan pruduk makanan, bunga dan plasma darah. 


Gambar di bawah ini menunjukkan diagram tahap-tahap perubahan wujud zat diagram kalor (Q) terhadap suhu (t)

Perubahan wujud es saat menyerap kalor 

Perubahan wujud uap air saat melepas kalor

Pada waktu es (padat) bersuhu di bawah 0^oC, es mnyerap kalor sehingga suhu es naik sampai 0^oC, (pada tekanan udara 1 atmosfer). Kemudian, es sedikit demi sedikit melebur menjadi air. Suhu itu dinamakan titik lebur es. Pada saat melebur, suhu tidak naik sampai semua es berubah menjadi air. Baru kemudian, air menyerap kalor untuk menaikkan suhu hingga 100^oC. tepat pada suhu 100^oC dan tekanan udara 1 atm, air sedikit demi sedikit mendidih menjadi uap air. selama mendidih, suhu air tetap, suhu tersebut dinamakan titik didih air atau titik uap. Setelah semua menjadi uap air maka suhu kembali naik untuk memanaskan gas (uap)

Apakah menguap sama dengan mendidih ? Menguap tidaklah sama dengan mendidih. Hal ini dapat diamati saat memasak air. Jika tutup panci dibuka (misalnya, pada suhu 40^oC, 50^oC, dan seterusnya), ternyata pada tutup sudah ada bintik-bintik air. Penguap yang terjadi pada saat itu hanya pada permukaan air saja, sedangkan pada peristiwa mendidih terjadi penguapan total dari dasar sampai permukaan air. Jika uap air suhunya diturunkan maka akan berubah menjadi bintik-bintik air. Perubahan wujud zat dari gas menjadi cair disebut mengembun. Peristiwa mengembun dapat diamati jika anda memanaskan air sampai mendidih. Jika di atas air itu tutup panci (misalnya) maka pada tutup itu akan terlihat bintik-bintik air. Untuk tekanan yang sama ternyata titik embun sama dengan titik didih. Apabila suhu diturunkan terus sampai 0^oC, maka air akan berubah menjadi es. Perubahan air (cair) menjadi es (padat) disebut membeku. Besarnya titik beku sama dengan titik lebur.

Jika zat padat dipanaskan pada tekanan rendah, ada kemungkinan zat itu tidak melebur, tetapi langsung menjadi gas. Peristiwa itu disebut menyublim atau melenyap. Kalor yang diperlukan untuk menyublim tiap satuan massa disebut kalor sublimasi dan suhunya disebut titik sublimasi.

Untuk setiap zat, titik lebur, titik didih, ataupun titik sublimasinya bergantung pada tekanan. Tabel di bawah ini menunjukkan kalor lebur dan kalor didih untuk beberapa zat pada tekanan udara 76 cmHG (1atm).

Tabel 3.1 Kalor lebur dan kalor didih beberapa zat

Contoh Soal :

Tentukan kalor yang diperlukan untuk meleburkan 5 kg es pada suhu 0^oC agar semua menjadi air pada suhu 4^oC ! (Kalor lebur es = 3,34 x 10⁵ J/kg) dan (kalor jenis air = 4200 J/(kg K)).

Penyelesaian :

diketahui  :

                   m_{es = 5 kg}                       L_es      = 3,34 x 10⁵  j/kg

                   t₁       = 0 ^oC                       c_{air     = 4200 j/(kg K)} 

                  t₂   = 4 ^oC

ditanya     :  Q

jawab     :

                   Q     = (m L_es) + (m c_air  Δt)  

                                   =  ( 5 x 3,34 x 10⁵) + 5 x  4.200 x 4 )

                          = 1, 754 x 10⁶ J

Jadi, kalor yang diperlukan adalah 1, 754 x 10⁶ J

PEMUAIAN

Pemuaian terjadi baik pada zat padat, cair, ataupun gas.

1 Pemuaian Zat Padat

a. Pemuaian panjang

Jika suatu benda padat dipanaskan, benda tersebut akan memuai kesegala arah. Dengan kata lain, ukuran panjang, luas dan volume benda bertambah. Untuk benda padat yang panjang tetapi luas penampngnya kecil, misalnya jarum rajut, kita dapat saja hanya memperhatikan pemuaian zat padat kearah memanjangnya.

Gambar 2.4 Pertambahan Panjang Sebatang Logam

Jika panjang awal batang logam sebelum dipanaskan adalah l_1, dan sesudah dipanaskan adalah l₂, pertambahan panjang (muai panjang) selama di panaskan adalah  l= l₂-l₁. Ternyata muai panjang zat padat bergantung pada tiga faktor, yaitu: 

 a. Panjang awal sebelum dipanaskan
 b. Kenaikan suhu
 c. Jenis bahan

Koefisien muai panjang (α) adalah Perbandingan antara pertambahan panjang (ΔL) terhadap panjang awal benda (Lo) persatuan kenaikan suhu (ΔT) secara matematis, dinyatakan dengan persamaan: 

                                                         

Keterangan: 

Di mana α adalah konstanta pembanding, disebut koefisien muai linier dan memiliki satuan /^oC. Koefisien muai linier suatu bahan adalah perbandingan antara pertambahan panjang (l) terhadap panjang awal benda (l₀) per satuan kenaikan suhu (ΔT). Secara matematis dinyatakan sebagai berikut:

Contoh Soal :
Panjang sepotong logam pada suhu 50^oC adalah 30 cm.Tentukan panjang logam tersebut pada suhu 300^oC jika α = 0,3 x 10^-5/^oC.

Jawab :
Diketahui :  

l₀  = 30 cm 

Δt = (300-50)^oC = 250^oC

α  = 0,3 x 10^-5/ ^oC

Ditanya :  l_t
Jawab :
l_t  =  l_t  (1+ αΔt)
    = 30 (1+(0,3 x 10^-5) x 250^oC
    = 30 (1+0,00075)
    = 30,0225 cm 
Jadi, panjang logam tersebut pada suhu 300^oC adalah 30,0225 cm


 b. 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 seperti yang diperlihatkan pada gambar sebagai berikut.

 Gambar Sebuah lempeng sebelum dipanaskan dan  setelah dipanaskan 

Lempeng dengan panjang sisi p₀ dan lebar sisi l₀ memiliki  sisi yang sama dan dimisalkan besarnya l₀, lempeng dipanaskan hingga suhunya naik sebesar ΔT , maka lempeng tersebut akan memuai pada kedua sisinya. Luas benda mula-mula adalah A₀ = l₀ ². Pada saat dipanaskan, setiap sisi benda memuai sebesar Δl. Hal ini berarti akan membentuk bujur sangkar baru dengan sisi (l₀ + Δl). Dengan demikian, luas benda saat dipanaskan adalah:

Karena Δl cukup kecil, maka nilai (Δl)² mendekati nol sehingga dapat diabaikan. Dengan anggapan ini diperoleh luas benda saat dipanaskan seperti berikut ini.

dengan :

 Hubungan antara koefisien muai luas (B) dan koefisien muai panjang (α) adalah :

               B=2α 

Jika zat padat yang dipanasi berupa kubus, balok, atau bola yang diperhatikan adalah pemuaian volume zat padat. Koefisien muai volume adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan volume zat tiap persatuan volume jika suhu dinaikkan 1^oC atau 1 K. Pertambahan volume zat padat  ditentukan dengan persamaan:

Keterangan: 

Besarnya gamma dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

Contoh Soal :

Sisi sebuah pelat logam berbentuk persegi pada suhu 200^oC adalah 4 cm. Jika koefisien muai panjang logam tersebut adalah 1,2 x 10^-5/^oC, maka berapakah pertambahan luas yang dialami pelat logam tersebut jika dipanaskan pada suhu 400^oC ?


Diketahui  :

 S₀ = 3cm
 Δt = (400-200) ^oC = 200^oC
 α = 1,2 x 10^oC

Ditanya  :  Δt

Jawab  : 

  A₀  = s^o x s^o = 4 x 4 = 16 cm² 
 B    = 2α = 2 x 1,2 x 10^-5/^oC = 2,4 x 10^-5/^oC
 ΔA   = A₀ (1 + BΔt) 
        = 16 x 2,4 x 10^-5/^oC x 200^oC
        = 7, 68 x 10^-2 cm² 
Jadi pertambahan luas pelat tersebut setelah dipanaskan adalah 7,68 x 10^-2 cm²

2  Pemuaian Volume Zat Cair
Sifat utama zat cair adalah mengikuti bentuk wadahnya. Jika air dituangkan kedalam gelas, bentuk air mengikuti bentuk gelas.  Jadi, wadah berarti volume. Oleh karena itu, zat cair hanya memiliki muai volume (tidak memiliki muai panjang dan muai luas). Sehingga untuk zat cair, yang diketahui selalu koefisien muai volumenya (lihat tabel 2.1).
 Pada zat cair hanya terjadi pemuaian volum/ruang saja, yang dirumuskan dengan :

keterangan :
                     V         = volume benda setelah dipanaskan (m² atau cm² )
                     V0         = volume benda mula-mula (m² atau cm² )
                     Δt       = perubah suhu (^oC)
                    𝛾 (gamma ) = koefisien muai luas (/^oC)

                      Pada zat cair,ketika suhunya naik, volumnya akan bertambah, sementara massanya tetap. Akibatnya, massa jens zat berkurang. Masssa jenis zat cair setelah pemuaian dirumuskan dengan                                         

 dengan  P0 = massa jenis zat mula-mula (g/m²)


Contoh Soal :
Kotak dari logam berbentuk balok pada suhu 150^oC memiliki ukuran panjang, lebar, dan tinggi berturut-turut adalah 3 cm, 2 cm, dan 2 cm. Tentukan volume kotak tersebut pada suhu 350^oC jika koefisien muai panjang logam tersebut adalah 12 x 10^-5/ ^oC !

Penyelesaian :

diketahui  : 
                  P0 = 3 cm            α = 12 x 10 ^-5/ ^oC
                  l0 = 3 cm             Δt = (350-150)  ^oC = 200^oC
                 t0 = 3 cm

ditanya  : Vt 

Jawab   :

  V0             = P0 l0 h0 = 3 x 2 x 2 = 12 cm³ 

  𝛾 (gamma)  = 3α = 3 x 12 x 10^-5/^oC = 36 x 10^-5/^oC

  V1                 = V0 (1+ 𝛾 (gamma)Δt )

                     = 12 (1 + (36 x 10^-5/^oC x 200^oC))

                     = 12 (1 + 0,072)

                     = 12, 864 cm³ 

jadi, volume logam tersebut adalah 12,864 cm³ 

3  Pemuaian Gas
Besar koefisien muai volum untuk semua jenis gas adalah sama, yaitu :

Ada 3 hukum tentang gas yang berkaitan dengan pemuain gas, yaitu :

 a. Hukum Boyle 
Hukum Boyle menjelaskan tentang pemuaian gas pada suhu tetap (proses isotermis) yaitu pada gas, walaupun suhunya konstan, volumnya bisa berubah karena adanya perubahan tekanan.

P₁V₁ = P₂V₂    atau P . V = konstan 

 dengan :

P = tekanan gas (atm, N/m²,Pa)

 b.    Hukum Charles atau Hukum Gay Lussac

Hukum ini menjelaskan tentang pemuaian gas pada tekanan tetap (proses isobarik).
 atau     V/T = konstan

c.    Hukum Tekanan
Hukum ini menjelaskan tentang pemuain gas pada volum tetap (proses isokhorik). 

 atau    P/T = konstan

 Persamaan Gas (Ideal)
Apabila ketiga hukum diatas digabungkan, maka akan diperoleh suatu persamaan umum yang disebut persamaan gas, yaitu :

 atau    PV/T = konstan 

 Tabel 2.2 Koefisien muai berbagai zat pada suhu kamar

Zat	Koefisien Muai Panjang, α (C0)-1	Koefisien Muai Volume, β (C0)-1
Aluminium	24x10-6	7x10-6
Kuningan	19x10-6	56x10-6
Besi  atau baja	11x10-6	35x10-6
Timah hitam	29x10-6	87x10-6
Kaca (pyrex)	3,2x10-6	9x10-6
Kaca (biasa)	9x10-6	27x10-6
Kwarsa	0,4x10-6	1x10-6
Beton dan bata	≈12x10-6	≈36x10-6
Marmer	1,4 – 3,5x10-6	4 – 10x10-6
Air		2,1 X 104
Alkohol		1,12 X 103
Benzena		1,24 X 103
Aseton		1,5 X 103
Gliserin		4,85 X 103
Raksa		1,82 X 103
Terpentin		9,0 X 103
Bensin		9,6 X 103
Udara		3,67 X 103
Helium		3,665 X 103

Contoh Soal :

Massajenis air pada suhu 20 ^oC adalah 998.21 kg/m³. Berapakah massa jenis air pada suhu 80 ^oC ? Koefisien muai volume air adalah 2,07 x 10^-4 oC^-1 .

Jawab :

Misakjan volume air pada suhu 20^o C adalah V0 . Misalkan massa air adalah m. Massa jenis air pada suhu 20^oC memenuhi persamaan

Jika suhu dinaikkan maka volume air bertambah menjadi V, tetapi massanya tidak berubah. Volume air pada suhu T  memenuhi

Massa jenis air pada suhu T memnuhi

Dengan memasukkan nilai-nilai yang diberikan di soal maka kita dapatkan p = 998,21/[1+2,07 x 10^-4 (80-200) = 985,76 kg/m³