Suhu dan Pemuaian

SUHU DAN PEMUAIAN KELAS VII Sumber: www.wikipedia.org SITI HASANAH, S.Pd

KOMPETENSI DASAR 3.4 Memahami konsep suhu, pemuaian, kalor, perpindahan kalor, dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari termasuk mekanisme menjaga kestabilan suhu tubuh pada manusia dan hewan 4.4 Melakukan percobaan untuk menyelidiki pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud benda serta perpindahan kalor A. Suhu 1. Pengertian suhu Dalam kehidupan sehari-hari, Indera peraba manusia dapat merasakan suhu panas atau suhu dingin. Ketika suhu dingin, kita akan menggunakan pakaian yang tebal supaya tetap hangat, sebaliknya ketika suhu panas, tubuh kita akan terasa tidak nyaman jika menggunakannya. Kita juga bisa mengetahui seseorang demam dengan menempelkan punggung telapak tangan pada tubuh seseorang. Derajat yang menunjukan panas dan tidaknya suatu benda itulah yang dinamakan Suhu. Tapi bisakah tangan kita dapat digunakan untuk mengukur suhu? Lakukan kegiatan percobaan seperti tampak pada gambar 1. ~Siti Hasanah~ (a) (b) Gambar 1. (a) Tangan dicelupkan pada air es dan (b) Tangan dicelupkan pada air hangat Apa yang kalian rasakan? Lalu berapa suhu yang terukur? Berdasarkan kegiatan di atas dapat dijelaskan bahwa suhu itu hanya bisa dirasakan oleh indera peraba, tapi tangan kita tidak bisa menentukan besar derajat panasnya karena Indera peraba seperti tangan tidak teliti atau tidak akurat dalam membaca suhu. Maka dibutuhkanlah alat yang digunakan untuk mengukur suhu, yaitu Termometer.

2. Alat Ukur Suhu (Termometer) Sumber: www.wikipedia.org Galileo Galilei (1564 - 1642), seorang pelopor pembuatan termometer yang dinamakan Termoskop. Prinsip kerja termometer buatan Galileo didasarkan pada perubahan volume gas dalam labu. Namun kini termometer yang sering digunakan adalah termometer yang memanfaatkan pemuaian zat cair. Zat cair yang biasa digunakan dalam termometer adalah raksa dan alkohol. Untuk mengetahui karakteristik raksa dan alkohol pada termometer, perhatikan tabel berikut ini: Tabel 1. Sifat termometrik raksa dan alkohol Raksa baik, sehingga Alkohol Penghantar panas yang perubahan suhu Pemuaiannya enam kali lebih besar daripada perubahan volume akibat raksa, sehingga pengukuran suhu dapat diamati sangat teratur dengan lebih seksama Raksa mudah membeku jika digunakan di Alkohol mudah mendidih jika digunakan di tempat yang sangat dingin tempat yang sangat panas Warna raksa mengkilap dan tidak membasahi dinding pipa kepiler sehingga mudah diamati Jenis - Jenis Termometer 1) Termometer Zat Cair Secara umum, benda-benda di alam akan memuai (ukurannya bertambah besar) jika suhunya naik. Kenyataan ini dimanfaatkan untuk membuat termometer dari zat cair. terletak pada tabung kapiler dari kaca yang memiliki bagian penyimpan (reservoir/ labu). Di dalam termometer terdapat wadah yang berisi zat cair. Wadah ini berhubungan dengan pipa kapiler yang terbuat dari kaca transparan agar zat cair dapat terlihat. Sepanjang pipa kapiler terdapat skala suhu. Sumber: www.rumushitung.com Gambar 2. Bagian-bagian Termometer Suhu Badan

Berdasarkan penggunaannya, termometer zat cair dibedakan menjadi: a. Termometer Laboratorium Termometer ini menggunakan raksa atau alkohol. Bentuknya panjang dengan skala dari - 10°C sampai 110°C menggunakan raksa, atau alkohol . Sumber: www.ayosekolahfisika.com Gambar 3. Termometer Laboratorium b. Termometer Klinis Termometer ini digunakan untuk mengukur suhu badan manusia. Skala yang ditulis antara 35°C dan 42°C. Pipa di bagian bawah dekat labu dibuat sempit sehingga pengukuran lebih teliti akibat raksa tidak segera turun ke labu/reservoir. Sumber: www.undip.ac.id Gambar 4. Termometer Klinis c. Termometer Ruang Termometer ini digunakan untuk mengukur suhu suatu ruangan. Skala termometer terbatas hanya dari skala –50°C sampai dengan 50°C. Sumber: www.pelajaran.co.id Gambar 5. Termometer Ruang

2) Termometer Bimetal Perhatikan dua logam yang jenisnya berbeda dan dilekatkan menjadi satu pada gambar di atas. Jika suhunya berubah, bimetal akan melengkung. Mengapa? Karena logam yang satu memuai lebih panjang dibanding yang lain. Hal ini dimanfaatkan untuk membuat termometer. Sumber: www.physics.upenn.edu, ttp://rofaeducationcentre.blogspot.co.id Gambar 6. Termometer Bimetal 3) Termometer Kristal Foto Terdapat kristal cair yang warnanya dapat berubah jika suhu berubah. Kristal ini dikemas dalam plastik tipis, untuk mengukur suhu tubuh, suhu akuarium, dan sebagainya Sumber: sciencephotolibrary Gambar 7. Termometer Kristal Foto 3. Skala Termometer Secara Umum skala Termometer terbagi empat, yaitu skala Termometer Celcius (°C), skala Termometer skala Reamur (°R), skala Termometer Fahrenheit (°F) dan Termometer Kelvin (K). Untuk menentukan sistem skala suhu digunakan titik acuan bawah dan titik acuan atas. Titik acuan bawah yaitu titik lebur es pada tekanan 1 atm, sedangkan titik acuan atas adalah suhu titik didih air pada tekanan 1 atm. Perhatikan skala termometer yang ditunjukan pada gambar berikut:

Sumber: pintarpandai.com Gambar 8. Termometer Skala Termometer Dengan membandingkan perubahan suhu dan interval kedua titik tetap masing-masing termometer, maka secara matematis perbandingan keempat skala tersebut, yaitu sebagai berikut: Skala Celcius : Skala Reamur : Skala Fahrenheit : Skala Kelvin = 100 : 80 : 180 : 100 Skala C : Skala R : Skala F : Skala K = 5 : 4 : 9 : 5 Jadi, perbandingan keempat skala suhu tersebut didapatkan: TC : TR : (TF – 32) : (TK – 273) = 5 : 4 : 9 : 5 Skala Celcius dan Fahrenheit umum digunakan pada pengukuran suhu di kehidupan sehari-hari, sedangkan skala suhu yang ditetapkan sebagai Satuan Internasional adalah skala Kelvin. Secara lengkap berikut tabel konversi skala termometer. Tabel 2. Konversi Skala Termometer Dari Ke Celcius Reamur Celcius Reamur Fahrenheit Kelvin Fahrenheit ������������ = ������������ + 273 Kelvin 4 9 ������������ = 5 ������������ ������������ = 5 ������������ + 32 5 ������������ = 4 ������������ + 273 5 9 ������������ = 4 ������������ ������������ = 4 ������������ + 32 ������������ = 5 (������������ − 32) 4 9 ������������ = 9 (������������ − 32) ������������ = ������������ − 273 ������������ = 4 (������������ − 273) 5

Untuk memperkuat pemahaman konversi skala termometer, perhatikan contoh soal berikut ini: Contoh 1: Contoh 2: Pada siang hari ini, Yuli bercerita bahwa suhu Ibu memasak air hingga mencapai suhu 70°C. udara di sekitar rumahnya sangat panas. Ketika Tentukan besar suhu jika diukur menggunakan dia membuka aplikasi Weather di termometer Fahrenheit? handphonenya, ternyata menunjukan angka Diketahui: 35℃. Tentukan suhu udara di sekitar Yuli jika ������������ = 70℃ diubah ke dalam skala Reamur? Diketahui: Ditanyakan: ������������ = 35℃ ������������ ? Ditanyakan: Jawab: ������������ ? 9 Jawab: ������������ = 5 ������������ + 32 4 9 ������������ = 5 ������������ ������������ = 5 . 70 + 32 4 ������������ = 126 + 32 ������������ = 158 ℉ ������������ = 5 . 35 ������������ = 28 °R Latihan Soal Suhu dan Pengukuran Suhu 1. Sebuah zat cair diukur suhunya menggunakan termometer celcius diperoleh angka 40oC. Berapakah jika zat cair tersebut diukur suhunya menggunakan: a. Termometer reamur b. Termometer fahrenheit c. Termometer kelvin 2. Sebuah termometer X setelah ditera dengan termometer Celcius di dapat 40oC = 80oX dan 20oC = 50oX. Jika suhu sebuah benda 80oC, maka berapa oX suhu benda tersebut? 4. Pengukuran Suhu Pernahkan kalian mengukur suhu suatu zat cair? Pada materi pengukuran cara menggunakan alat ukur sudah disampaikan dalam pembelajaran. Untuk mengukur suhu zat cair, ada beberapa tahapan yang harus diperhatikan, masukan termometer ke dalam zat cair. Tunggu beberapa saat hingga posisi raksa tidak berubah dan mencapai titik keseimbangan. Sebagai pembuktian, lakukan pengamatan seperti tampak pada gambar 8.

Pengamatan 1. PENGUKURAN SUHU Alat dan Bahan: ~Siti Hasanah~ - Gelas Kimia - Air 200 mL - Termometer - Statif - Pembakar Spirtus - Cara kerja: 1. Siapkan air dalam gelas ukur sebanyak 200 mL 2. Ukur suhu dalam zat cair sebelum dipanaskan. 3. Panaskan air, lalu amati besar suhu yang terukur 4. Bandingkan dengan hasil pengukuran temanmu B. Pemuaian Kita telah mengetahui bahwa tidak semua bahan gelas kaca bisa digunakan untuk air panas. Pada beberapa kasus, gelas yang dituang air panas akan pecah. Peristiwa tersebut terjadi karena gelas kaca tersebut mengalami Pemuaian. Pemuaian tidak hanya terjadi pada zat padat saja, juga terjadi pada zat cair dan gas. Untuk membuktikan terjadinya pemuaian, coba kalian masukan air panas ke dalam botol plastik air mineral. Amati dan apa yang terjadi? Mungkin akan tampak seperti gambar di bawah ini. Source: www.parentingclub.co.id Gambar 9. Botol Plastik yang Memuai 1. Pemuaian Zat Padat Pada dasarnya pemuaian itu adalah pertambahan ukuran suatu benda karena adanya perubahan suhu. Pemuaian berlangsung ke segala arah, mencakup panjang, luas dan volume benda. Untuk zat padat, pemuaian bisa terjadi pada ukuran panjang, luas maupun volumenya. Seperti yang terjadi pada kegiatan pada gambar 9.

a. Pemuaian Panjang Pada beberapa benda yang memanjang namun berdiameter kecil seperti kawat, pemuaian yang diamati cukup panjangnya saja. Sedangkan pemuaian luas dan volumenya dapat diabaikan. Namun samakah muai panjang pada semua benda? Kalian bisa mengamati muai panjang menggunakan alat yang dinamakan Musschenbroek. Source: http://sdwonogiri.blogspot.com/ Gambar 10. Alat Musschenbroek Untuk lebih memahami prinsip kerja alat ini, kalian bisa mengamatinya melalui video pada link https://www.youtube.com/watch?v=TDnLbjd429M (Kanal: Robertsengineering). Untuk membuktikan secara langsung, lakukan percobaan berikut. Pengamatan 2. PEMUAIAN PANJANG Alat dan Bahan: - Jarum pentul - Penggaris - Lilin - Korek Cara kerja: 1. Ukur panjang jarum sebelum dipanaskan ~Siti Hasanah~ 2. Nyalakan lilin, lalu bakar ujung jarum yang tajam selama 5 detik 3. Dengan cepat, ukur kembali panjang jarum tersebut 4. Dinginkan terlebih dahulu, lalu bakar kembali selama 10 detik 5. Dengan cepat, ukur kembali panjang jarum tersebut 6. Amati pertambahan yang terjadi, lalu diskusikan dengan teman mengenai hasil pengamatan tersebut

Δl ~Siti Hasanah~ lo Sebelum dipanaskan Sesudah dipanaskan l Gambar 11. Pertambahan Panjang pada Jarum Berdasarkan kegiatan pengamatan di atas menunjukan bahwa semakin lama kita memanaskan jarum, suhu jarum akan semakin bertambah. Ternyata setelah suhu bertambah, panjang jarum pun semakin bertambah pula. Hubungan yang didapat dari percobaan tersebut ialah ∆������ ~ ∆������ Perlu diperhatikan, besarnya pertambahan panjang pada setiap benda itu berbeda. Ada benda yang mudah memuai namun ada juga benda yang sukar memuai. Karakteristik benda yang menunjukan pertambahan 1 m panjang benda untuk setiap 1℃ disebut dengan Koefisien Muai Panjang. Tabel 3. Koefisien Muai Panjang No. Nama Bahan Koefisien Muai Panjang (/℃) 1 Seng 0,000029 2 Kuningan 0,000018 3 Tembaga 0,000017 4 Besi 0,000012 5 Alumunium 0,000026 6 Baja 0,000011 7 Platina 0,000009 8 Kaca 0,000009 9 Timah 0,00003 10 Perak 0,00002

Hubungan antara panjang benda, suhu dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan rumus: ������ = ������������(1 + ������∆T) ������ = ������������ + ������������. ������. ∆T ������ − ������������ = ������������. ������. ∆T ∆������ = ������������. ������. ∆T Keterangan: ������ = panjang akhir (m) ������������ = panjang awal (m) ∆������ = pertambahan panjang (m) ������ = koefisien muai panjang (/℃) ∆T = perubahan suhu (℃) b. Pemuaian Luas Untuk benda-benda yang berbentuk lempengan plat (dua dimensi), akan terjadi pemuaian dalam arah panjang dan lebar. Hal ini berarti lempengan tersebut mengalami pertambahan luas atau pemuaian luas. Kemampuan suatu benda untuk mengalami pemuaian luas sangat ditentukan oleh koefisien muai luas dilambangkan dengan β, dengan nilai β = 2α. ~Siti Hasanah~ A Ao Gambar 12. Pertambahan Luas setelah Pemuaian Hubungan antara luas benda, suhu dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan rumus: ������ = ������������(1 + ������∆T) ������ = ������������ + ������������. ������. ∆T

������ − ������������ = ������������. ������. ∆T ∆������ = ������������. ������. ∆T Keterangan: ������ = luas akhir (m) ������������ = luas awal (m) ∆������ = pertambahan luas (m) ������ = koefisien muai luas (/℃) ∆T = perubahan suhu (℃) c. Pemuaian Volume Pemuaian volume sama juga dengan pertambahan atau pemuaian panjang secara 3 dimensi. Karena itu muai volume sama juga dengan tiga kali muai panjang. Pemuaian volume suatu zat tergantung pada koefisien muai volumenya γ (gamma) dimana nilai γ = 3α. Supaya pemuaian volume pada zat padat dapat diamati dengan jelas, kalian bisa mengamatinya melalui video percobaan pemuaian pada bola dan cincin logam yang tersedia pada kanal youtube milik North Carolina School of Science and Mathematics dengan link berikut. https://www.youtube.com/watch?v=QNoE5IoRheQ Hubungan antara volume benda, suhu dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan rumus: ������ = ������������(1 + ������∆T) ������ = ������������ + ������������. ������. ∆T ������ − ������������ = ������������. ������. ∆T ∆������ = ������������. ������. ∆T Keterangan: ������ = volume akhir (m) ������������ = volume awal (m) ∆������= pertambahan volume (m) ������ = koefisien muai volume (/℃) ∆T= perubahan suhu (℃) 2. Pemuaian Zat Cair Kalian mungkin sering mengalami di rumah, ketika ibu kalian lupa sedang memasak sesuatu, hingga masakannya tumpah ke kompor. Peristiwa tersebut merupakan salah satu bukti bahwa zat cair pun dapat memuai karena perubahan suhu. Pada zat cair pemuaian yang terjadi hanya pemuaian volume, tidak ada pemuaian panjang dan luas. Ini terkait dengan sifat darI zat cair

sendiri yang bentuknya berubah-ubah sesuai dengan bentuk wadah yang ditempatinya. Untuk membuktikannya, coba lakukan aktivitas berikut ini. Pengamatan 3. PEMUAIAN ZAT CAIR Alat dan Bahan: - Panci Kecil / Kaleng Susu Bubuk - 250 mL Air - 250 mL Minyak Goreng - Kompor/Pembakar - Penggaris Cara kerja: 1. Isilah panci dengan air, ukur ketinggiannya sebelum dipanaskan 2. Panaskan air hingga tepat akan mendidih, ukur kembali ketinggiannya 3. Ulangi langkah 1 dan 2 dengan mengganti air menjadi minyak 4. Catat semua data dalam tabel pengamatan 5. Diskusikan dengan teman mengenai hasil pengamatan Tabel Pengamatan: No. Jenis Zat Cair Ketinggian Sebelum Ketinggian Sesudah dipanaskan dipanaskan Pertanyaan: 1. Apa yang terjadi dengan kedua air dan minyak pada percobaan di atas? 2. Bagaimanakah perbedaan proses pemuaian yang terjadi pada air dan minyak? Berdasarkan percobaan di atas, dapat dijelaskan bahwa yang membedakan kedua zat cair tersebut ialah Koefisien Muai Volume. Semakin besar koefisien muai volume (������) suatu zat cair maka semakin besar pula perubahan volumenya (∆������). Hubungan antara volume benda, suhu dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan rumus: ������ = ������������(1 + ������∆T) ������ = ������������ + ������������. ������. ∆T ������ − ������������ = ������������. ������. ∆T ∆������ = ������������. ������. ∆T

Keterangan: ������ = volume akhir (m) ������������ = volume awal (m) ∆������= pertambahan volume (m) ������ = koefisien muai volume (/℃) ∆T= perubahan suhu (℃) Ini menandakan setiap zat cair memiliki ������ masing-masing seperti tabel berikut. Tabel 4. Koefisien Muai Volume Zat Cair No. Nama Bahan Koefisien Muai Volume (/K) 1 Aseton 0,00150 2 Parafin 0,0009 3 Alkohol (Metil) 0,00120 4 Raksa 0,00018 5 Gliserin 0,0005 Sebagaimana zat padat, zat cair juga memuai jika dipanaskan. Bahkan, pemuaian zat cair relatif lebih mudah atau lebih cepat teramati dibandingkan dengan pemuaian zat padat. Tetapi pada air terdapat pengecualian. Jika suhu diturunkan, memang volume air makin kecil seperti zat lainnya. Namun, pada suatu ketik volume air justru membesar meskipun suhunya tetap diturunkan. Sifat air yang demikian disebut Anomali Air. Pada tekanan 1 atm, volume terkecil yang dimiliki air terjadi pada suhu 4℃. Dengan demikian, volume es lebih besar daripada volume air suhu 4℃. Karena volumenya paling kecil, massa jenis air yang terbesar terjadi pada suhu 4℃. Volume (cm3) 04 Suhu (oC) ~Siti Hasanah~ Gambar 13. Grafik Anomali Air

3. Pemuaian Gas Pemuaian pada zat padat dan zat cair sudah dijelaskan pada penjelasan sebelumnya. Tapi apakah pemuaian berlaku juga pada gas? Untuk mengetahuinya, coba lakukan aktivitas di bawah ini. Pengamatan 3. PEMUAIAN GAS Alat dan Bahan: - Air Es (wadah a) - Air Panas (wadah b) - Botol kaca - Balon ~Siti Hasanah~ (a) (b) Cara kerja: 1. Persiapkan bahan seperti tampak pada gambar 2. Tutup botol dengan balon hingga tidak ada gas yang keluar 3. Masukan botol ke dalam air panas, amati yang terjadi pada balon 4. Lalu pindahkan botol ke dalam air es, amati kembali yang terjadi pada balon Pertanyaan: 1. Apa yang terjadi dengan balon ketika dimasukan ke dalam wadah berisi air panas dan air es? 2. Jelaskan apa yang menyebabkan perbedaan di antara keduanya? Gas mengalami pemuaian ketika suhunya bertambah dan mengalami penyusutan bila suhunya turun. Pada gas juga tidak dikenal muai panjang dan muai luas. Jadi pada kegiatan di atas yang dapat diamati adalah perubahan volumenya saja. Pernah mendengar mobil kecelakaan karena ban yang meledak? ini bisa terjadi pada mobil anda kalau tekanan ban berlebihan. Ketika mobil berjalan maka ban akan bergesekan dengan aspal. Di siang hari, suhu aspal bisa sangat panas. Panas tersebut tentunya akan merambat ke ban dan semakin lama mobil berada di aspal maka suhunya semakin tinggi. Jika suhu ban semakin tinggi, maka molekul gas dalam ban akan memuai. Sehingga dalam kondisi suhu ban tinggi, akan membuat tekanan ban semakin tinnggi pula, dan resikonya ban meledak. Untuk itu, ketika memompa ban sepeda jangan terlalu keras, seharusnya disesuaikan dengan ukuran ban.

Untuk memperkuat pemahaman mengenai pemuaian volume, perhatikan contoh soal berikut ini: Contoh 1: Contoh 2: Sebuah bola yang memiliki volume 50 m3 jika dipanaskan hingga mencapai suhu 50℃. Jika Perhatikan tabel di bawah ini pada kondisi awal, kondisi tersebut memiliki suhu 0℃. Tentukan volume akhir bola tersebut No Nama benda Koefisiean Muai setelah terjadi pemuaian? (������ = 17 × 10−6/K) 1 Kuningan 0,000018/℃ Diketahui: ������������ = 0℃ 2 Tembaga 0,000017/℃ ������������ = 50℃ ∆������ = 50℃ = 323 K 3 Besi 0,000012/℃ ������������ = 50 m3 ������ = 3������ = 3.17 × 10−6 4 Alumunium 0,000026/℃ ������ = 51 × 10−6/K Urutan zat yang paling cepat memuai hingga Ditanyakan: ������������ ? yang paling lama memuai secara berurutan Jawab: ialah.... ∆������ = ������. ������������. ∆������ ∆������ = 51 × 10−6. 50. (323) a. 2-1-4-3 ∆������ = 0,82 m3 b. 3-2-1-4 Volume akhir bola tersebuta setelah terjadi pemuaian: c. 3-1-2-4 ������������ = ������������ + ∆������ ������������ = 50 + 0,82 d. 4-1-2-3 ������������ = 50,82 m3 Jawab: Semakin besar koefisien muai maka semakin cepat pula pertambahan panjang benda tersebut. Maka berdasarkan tabel, urutan zat yang paling cepat memuai hingga yang paling lama memuai secara berurutan ialah - Alumunium - Kuningan - Tembaga - Besi Latihan Soal Pemuaian 1. Sebuah benda terbuat dari baja mempunyai panjang 1000 cm. Berapakah pertambahan panjang baja itu, jika terjadi perubahan suhu sebesar 50°C? 2. Suatu kubus dari bahan alumunium pada suhu 25 oC memiliki panjang rusuk 10 cm. Kubus tersebut dipanaskan hingga suhu 225 oC. Jika koefisien muai panjang alumunium 1,2 . 10-5 /oC maka tentukan volume kubus setelah dipanaskan?