Suhu, Kalor, dan Perpindahan Kalor

Konsep dasar fisika mengenai suhu, kalor, perpindahan kalor
Konsep dasar fisika mengenai suhu, kalor, perpindahan kalor.

Suhu

Kilas balik pada bab mengenai pengukuran, di dalam dunia ini, kita gak bisa cuman mengatakan, "pokoknya panas deh tuh barang", "ya segitulah dinginnya biar awet makanannya", dan sebagainya.

Kita perlu hal yang mengkuantifikasi hal tersebut, itulah peran dari suhu. Dalam satuan SI, suhu memiliki satuan K atau kelvin. Tukang iseng mungkin sudah kenal dengan satuan derajat celsius, pada satuan tersebut suhu dapat bernilai negatif dan tak tahu di mana batasnya. Pada satuan kelvin, nilai paling kecil adalah 0 K, di mana pada nilai ini suatu benda bener-bener gak punya energi panas.

Yang jadi pertnyaan mungkin, mengapa dalam satuan SI digunakan kelvin, mengapa tidak derajat celsius?. Karena satuan kelvin adalah satuan yang mutlak, bukanlah suatu derajat.

Bisa jadi artiannya seperti ini, 1^{\circ} C itu diartikan sebagai satu per seratus dari rentang antara suhu ketika air beku 0^{\circ} C dan mendidih 100^{\circ} C. Karena didefinisikan derajat atau tingkatannya berdasarkan air, apakah kenaikan satu derajat untuk bahan-bahan lainnya misal minyak dapat mewakili kenaikan suhu tersebut?. Mengingat minyak punya titik beku dan didih yang berbeda.

Jika kalian teliti, tadi dijelaskan bahwa, ketika suhu nya 0\,K artinya suatu benda benar-benar tidak memiliki energi panas. Dari kalimat tersebut mungkin tukang iseng bertanya, berarti ada dong hubungan antara suhu, panas, dan energi.

Jawabannya ada, penjelasan paling sederhana gini aja, motor dapat bergerak karena ada dorongan dari piston di dalam mesin motor. Dorongan tersebut dihasilkan oleh pembakaran antara bahan bakar dengan udara ditambah percikan dari busi. Panas yang dihasilkan oleh hasil pembakaran diubah menjadi energi gerak.

Kalau kalian ingat kembali pada pembahasan tentang energi, di sana dijelaskan bahwa energi tidak bisa dimusnahkan ataupun diciptakan, hanya bisa diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Artinya kalau ada energi gerak yang dihasilkan, ada perubahan dari wujud energi sebelumnya, yaitu panas.

Contoh di atas diambil menggunakan hal yang umum, nah kalau dari kacamata mikroskopiknya, panas itu dihasilkan oleh pergerakkan atom-atom di dalam yang menyusun suatu benda, gak cuma benda padat, fluida pun begitu.

Energi gerak atom-atom tersebut lah yang membawa suatu energi.

Pemuaian

Tahu gak kalian, wahai tukang iseng, kalau kabel saluran listrik yang sering kita lihat di jalan mengalami perubahan panjang pada suatu saat. Bisa jadi panjang (memuai), bisa jadi juga menjadi pendek (menyusut).

Kali ini kita bakal ngebahas tentang pemanjangan yang terjadi, alias pemuaian. Pemuaian tersebut terjadi karena adanya energi panas yang diberikan oleh matahari.

Jadi, energi panas tersebut membuat atom-atom penyusun bahan kabel saluran listrik tersebut bergerak saling menjauh. Perubahan ukuran dimensi yang dialami bahan tersebut ada ekspresi Matematikanya broh.

Semakin besar energi panas yang diberikan, semakin jauh juga atom-atom bergerak, artinya ada hubungannya dengan perubahan suhu yang dialami oleh benda \Delta T. Tentu kalau kita beri energi panas pada besi pemuaian yang dialami akan berbeda ketika dengan plastik, maka ada koefisien yang mewakili sukarnya suatu benda untuk memuai, sebut saja \alpha.

Dengan demikian, bisa dipahami ya wahai tukang iseng untuk ekpsresi Matematika untuk perubahan panjangnya, \Delta L, sebagai berikut

\Delta L = L\alpha\Delta T

di mana:
L merupakan panjang semula benda.
\alpha merupakan koefisien muai.
\Delta T merupakan perubahan suhu yang dialami benda.

Perubahan ukuran panjang akibat pemuaian

Kita ini kan hidup di tiga dimensi (gak usah mikir tentang dimensi waktu dsb dulu), artinya pemuaian yang terjadi tidak semata wayang pada satu dimensi saja, bisa jadi volumenya yang mengalami pemuaian.

Jika diasumsikan benda merupakan bentuk kubus, maka volume akhir

V + \Delta V = (L+\Delta L)^{3} = L^3 + 3L^2\Delta L + 3{\Delta L}^2L + {\Delta L}^3
= L^3 + 3L^2(L\alpha\Delta T) + 3{(L\alpha\Delta T)}^2L + {\Delta L}^3.

Sebagai info, koefisien muai itu nilainya sangat kecil, yakni berada di orde 10^{-16}. Perhatikan suku 3{(L\alpha\Delta T)}^2L, hasil dari \alpha^2 akan membuat suku tersebut sangat kecil, begitu juga \alpha^3 pada {\Delta L}^3, sehingga disederhanakan menjadi

V + \Delta V = L^3 + 3L^2(L\alpha\Delta T).

Karena V = L^3

\Delta V = 3V\alpha\Delta T

Umumnya ditulis \beta = 3\alpha, di mana \beta dianggap koefisien muai volume.

Kalor

Seterusnya kita bakal menyebut energi panas yang berpindah dari satu benda ke benda lainnya sebagai kalor. Karena kalor ini energi, maka satuannya sudah pasti tahu kan tukang iseng.

Dalam pembahasan ini, kita tertarik mengamati, kok bisa minuman dari kulkas yang semula dingin, kalau didiemin di luar bakal jadi gak dingin lagi. Terus kalau kita masukkin kulkas, jadi dingin kembali.

Perpindahan kalor dari sistem menuju minuman yang lebih dingin

Secara gak lansung fenomena tersebut, memicu suatu pandangan di mana, suhu suatu benda mengikuti suhu disekitarnya atau lingkungannya, artinya ada perpindahan energi.

Yang menarik lagi, kalor ini selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi ke yang lebih rendah. Ini cukup unik, bahkan orang-orang banyak menggagapnya sebagai suatu fakta yang karena kejadian ini selalu terjadi seperti itu.

Semakin besar energi panas yang ditransfer, tentu akan semakin tinggi pula suhu benda yang menerima energi tersebut, artinya ada perubahan suhu yang dilibatkan \Delta T.

Disamping itu setiap benda tentu memerlukan jumlah energi yang berbeda-beda untuk menaikkan suhu benda tersebut, kaya misal kaca akan lebih banyak ketimbang besi. Artinya ada koefisien yang mewakili karakteristik benda tersebut, koefisien tersebut ternyata ada!, dan dinamakan sebagai kapasitas kalor C.

Bisa dipahami ya kerangka berpikirnya untuk persamaan atau ekspresi dari kalor Q sebagai berikut.

Q = C\Delta T = C(T_f - T_i)

di mana:
C (J/K) merupakan kapasitas kalor.
T_f dan T_i\,(K) merupakan suhu akhir dan awal, berturut-turut.

Prinsip Black

Sekarang, bagaimana jadinya kalau suatu benda dingin ataupun panas, ditaruh di dalam suatu wadah yang tertutup (terisolir). Kalau sebelumnya kita punya sistem yang tidak tertutup, artinya, misal ada makanan panas, maka energi panas tersebut akan terbagi-bagi pada piring, udara sekitar, misal ada sendok, dan lainnya.

Dalam sistem yang tertutup, prinsipnya serupa yaitu kalor akan berpindah menuju benda yang memiliki suhu lebih rendah. Karena sistem tertutup, maka kemungkinan besar hanya ada satu benda yang menerima kalor.

Pertanyaanya, berapa besar kalor yang berpindah? Hal tersebut dijelaskan oleh Bapak Joseph Black, yang menyatakan bahwa, jumlah kalor yang diterima oleh benda yang memiliki suhu lebih rendah akan sama dengan jumlah kalor yang dilepas oleh benda yang memiliki suhu lebih tinggi.

Jika kalor yang diterima Q_a, dan yang melepas adalah Q_r, ekspresinya dalam Matematika, yakni sebagai berikut
Q_a = Q_r.

Salah satu contoh penerapannya adalah termos. Termos ini merupaan sistem yang terisolir, karena tujuannya adalah mencegah adanya kalor yang keluar maupun masuk ke dalam termos. Sehingga suhu di dalam termos tetap terjaga, idealnya hanya ada satu benda saja yang menyerap kalor dari isi (misal air) termos, yaitu dinding konduktornya.

Rincian termos
Label
< Materi SebelumnyaRangkaian Arus Searah
Search icon