Suhu, Kalor dan Perpindahannya, Pemuaian, Azas Black

Dalam satuan SI (Standar Internasional), suhu memiliki satuan K atau kelvin. Tukang iseng mungkin sudah kenal juga dengan satuan derajat celcius.

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.

Mungkin bakal jadi pertanyaan, mengapa dalam satuan SI digunakan kelvin, kenapa gak pakai derajat celcius?

Bisa jadi alasan utamanya adalah karena satuan kelvin merupakan satuan yang sifatnya mutlak, bukanlah suatu derajat.

Artian sederhananya seperti ini, 1° C itu diartikan sebagai satu per seratus dari rentang antara suhu ketika air beku 0° C dan mendidih 100° C.

Karena didefinisikan derajat atau tingkatannya berdasarkan air, apakah kenaikan satu derajat untuk bahan lainnya misal minyak dapat mewakili kenaikan suhu tersebut?

Mengingat setiap bahan memiliki titik beku dan didih berbeda, sehingga kenaikan satu derajat celcius pada air tidak sama dengan bahan lain.

Jika kalian teliti, tadi dijelaskan bahwa, ketika suhu nya 0 K artinya suatu benda benar-benar tidak memiliki energi panas.

Dari kalimat tersebut mungkin teman-teman bertanya, berarti ada dong hubungan antara suhu, panas, dan bentuk energi secara umum?

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 hasil dari proses pembakaran diubah menjadi energi gerak.

Coba diingat kembali pada konsep tentang energi.

Materi tersebut memaparkan tentang prinsip kekekalan energi. Di situ dikatakan kalau energi tidak bisa dimusnahkan ataupun diciptakan. Hanya bisa diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Artinya kalau ada energi gerak dihasilkan, ada perubahan wujud energi pada mesin motor, dan dalam hal ini adalah panas.

Hal di atas diambil dari contoh kehidupan sehari-hari. Nah kalau dari kacamata mikroskopiknya, panas itu dihasilkan oleh pergerakkan atom-atom di dalam material penyusun suatu benda. Gak cuma benda padat, fluida (zat yang mampu mengalir) pun begitu.

Energi gerak atom-atom tersebut lah yang membawa suatu energi. Semakin tinggi temperaturnya, semakin cepat pula gerakkannya.

Pemaparan seputar gerak partikel gas ini dibahas pada materi teori kinetik gas.

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

Kali ini kita bakal ngebahas tentang fenomena pemanjangan itu, alias pemuaian. Pemuaian tersebut terjadi karena adanya radiasi energi panas 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 bro.

Semakin besar energi panas diberikan, semakin jauh juga atom-atom bergerak. Artinya ada hubungannya dengan perubahan suhu yang dialami oleh benda ΔT.

Tentu kalau kita beri energi panas pada besi, pemuaian terjadi akan berbeda ketika dengan plastik. Maka ada koefisien yang mewakili sukarnya suatu benda untuk memuai, sebut saja α.

Beberapa bahan yang mudah memuai:

• Gas
• Es batu
• Timah

Material-material yang sulit memuai:

• Kaca
• Baja
• Berlian

Dengan demikian, bisa dipahami ya wahai tukang iseng untuk bentuk matematisnya, perubahan panjang ΔL yang dialami benda sebagai berikut:

Keterangan variabelnya:

• L merupakan panjang semula benda.
• α merupakan koefisien muai.
• ΔT ialah perubahan suhu yang dialami benda.

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

Jika diasumsikan benda merupakan bentuk kubus, alhasil volume akhirnya:

Sebagai info tambahan, koefisien muai itu nilainya sangat kecil, yakni berada di orde 10^-16.

Perhatikan suku 3(LαΔT)²L, hasil dari α² akan membuat suku tersebut sangat kecil. Begitu juga α³ pada ΔL³, sehingga disederhanakan menjadi:

Karena V = L³, demikianL

Umumnya ditulis β = 3α, di mana β dianggap koefisien muai volume.

Seterusnya kita bakal menyebut energi panas yang berpindah dari satu benda ke benda lainnya sebagai kalor.

Karena kalor merupakan energi, maka satuannya sudah pasti tahu kan kalian semua, yaitu joule.

Dalam pembahasan ini, ada satu fenomena yang sering ditemui dan cukup menarik perhatian.

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.

Secara gak langsung, fenomena tersebut memicu suatu pandangan di mana, suhu suatu benda mengikuti suhu disekitar atau lingkungannya. Di sini nampak ada perpindahan energi.

Kapan perpindahan energi panasnya berhenti? Prose transfer ini akan terhenti apabila objek dimaksud suhunya sudah sama seperti sekitarnya.

Menariknya lagi, kalor ini selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi menuju suhu yang lebih rendah.

Fenomena ini cukup unik, sebab orang-orang banyak menggagapnya sebagai suatu fakta, hanya karena kejadian ini selalu terjadi seperti itu.

Semakin besar energi panas yang ditransfer, tentu akan semakin tinggi pula suhu benda yang menerima energi tersebut. Menyebabkan ada perubahan suhu yang dilibatkan, anggap sebesar ΔT.

Di samping itu, setiap benda tentu memerlukan jumlah energi berbeda-beda guna menaikkan suhu benda tersebut. Misalnya kaca membutuhkan energi lebih banyak ketimbang besi.

Artinya ada koefisien yang mewakili karakteristik benda tersebut, dan koefisien tersebut ternyata ada! Dinamakan sebagai kapasitas kalor C.

Berdasarkan variabel sebelumnya, bisa dipahami ya kerangka berpikirnya untuk persamaan atau ekspresi dari kalor Q sebagai berikut:

Di mana:

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

Sekarang, bagaimana jadinya kalau suatu benda dingin ataupun panas, ditaruh di dalam suatu wadah tertutup (terisolir)?

Kalau sebelumnya kita punya sistem tidak tertutup. Maksudnya, jika ada makanan panas, maka energi panas tersebut akan terbagi-bagi pada piring, udara sekitar, misal ada sendok, dan lainnya.

Dalam sistem tertutup, prinsipnya juga serupa, yaitu kalor akan berpindah menuju benda yang memiliki suhu lebih rendah.

Namun, karena sistem benar-benar tertutup, maka kemungkinan besar hanya ada satu benda yang menerima kalor.

Pertanyaanya, berapa besar kalor yang berpindah? Hal tersebut dijelaskan oleh Bapak Joseph Black.

Beliau menyatakan bahwa, jumlah kalor yang diterima oleh benda dengan suhu lebih rendah akan sama dengan jumlah kalor yang dilepas oleh benda dengan suhu lebih tinggi.

Jika kalor diterima besarnya adalah Q_a, dan melepas kalor sebesar Q_r, ekspresinya secara matematisnya, yakni sebagai berikut:

Salah satu contoh penerapannya adalah termos. Termos ini merupakan sistem terisolir, karena tujuannya adalah mencegah adanya kalor 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.