Suhu, Kalor, dan Pemuaian

Suhu, Kalor, dan Pemuaian

Pernahkah kamu merasa sendok logam lebih panas daripada sendok kayu walaupun keduanya berada di tempat yang sama? Pernahkah kamu melihat rel kereta api diberi celah kecil, gelas kaca bisa retak saat diberi air sangat panas, atau balon udara dapat terbang karena udara panas? Peristiwa-peristiwa itu berkaitan dengan suhu, kalor, dan pemuaian.

Suhu menyatakan derajat panas atau dingin suatu benda. Kalor adalah energi panas yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. Ketika benda menerima atau melepaskan kalor, suhu benda dapat berubah, partikel penyusunnya dapat bergerak lebih cepat atau lebih lambat, dan ukuran benda dapat memuai atau menyusut.

Gambar 1. Pengamatan suhu, kalor, dan pemuaian dapat dimulai dari termometer, air panas, bahan konduktor-isolator, dan balon udara sederhana.

Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari bab ini, kamu diharapkan mampu:

1. menjelaskan suhu sebagai ukuran derajat panas suatu benda;
2. menjelaskan alasan pengukuran suhu memerlukan termometer, bukan hanya indra peraba;
3. membaca dan membandingkan skala suhu Celsius, Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin;
4. membedakan suhu dan kalor;
5. menjelaskan bahwa kalor berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah;
6. menggunakan hubungan $Q = m c \Delta T$ untuk menghitung kalor pada situasi sederhana;
7. menjelaskan perbedaan konduksi, konveksi, dan radiasi;
8. membedakan bahan konduktor dan isolator kalor dalam kehidupan sehari-hari;
9. menjelaskan pemuaian pada zat padat, zat cair, dan gas;
10. menghubungkan pemuaian dengan contoh teknologi sederhana, seperti bimetal, termometer, dan balon udara;
11. menyusun pertanyaan yang dapat diselidiki secara ilmiah;
12. menulis laporan ringkas berdasarkan pengamatan, data, dan kesimpulan percobaan.

Pertanyaan Pemantik

1. Mengapa punggung tangan tidak cukup akurat untuk mengukur suhu tubuh?
2. Mengapa suhu $45^\circ\mathrm{C}$ tidak sama angkanya jika dinyatakan dalam skala Fahrenheit?
3. Mengapa air dan aspal dapat terasa berbeda panasnya walaupun sama-sama terkena sinar Matahari?
4. Mengapa panas dapat berpindah melalui sendok logam, aliran air, dan sinar Matahari?
5. Mengapa jembatan, rel kereta, dan kaca jendela perlu memperhitungkan pemuaian?

Gambaran Kegiatan

Kamu akan belajar melalui pengamatan sederhana, pembacaan skala termometer, perhitungan kalor, diskusi contoh perpindahan kalor, dan pemodelan pemuaian. Kegiatan utama meliputi mengenali suhu bagian tubuh, memahami skala termometer, menganalisis perpindahan kalor pada percobaan sederhana, membuat model bimetal, serta menghubungkan pemuaian gas dengan balon udara.

Suhu, Kalor, dan Pemuaian

1. Peta Konsep Bab

Bab ini menghubungkan tiga gagasan utama. Suhu membantu kita menyatakan tingkat panas suatu benda. Kalor menjelaskan energi panas yang berpindah dan dapat mengubah suhu. Pemuaian menjelaskan perubahan ukuran benda akibat perubahan suhu.

Gambar 1. Peta konsep bab: suhu, skala suhu, kalor, perpindahan kalor, pemuaian, dan pemanfaatan energi kalor.

2. Suhu dan Alat Ukur Suhu

Suhu adalah ukuran derajat panas suatu benda. Kulit dapat merasakan panas dan dingin, tetapi kulit bukan alat ukur yang akurat. Benda yang suhunya sama dapat terasa berbeda jika tangan kita sebelumnya menyentuh benda panas atau dingin.

Termometer digunakan untuk mengukur suhu secara lebih pasti. Termometer bekerja dengan mencapai kesetimbangan suhu dengan benda atau lingkungan yang diukur. Jika termometer tubuh menunjukkan $37^\circ\mathrm{C}$, artinya suhu termometer telah menyesuaikan dengan suhu tubuh yang diukur.

Gambar 2. Indra peraba dapat membandingkan panas-dingin secara kasar, sedangkan termometer memberi nilai suhu yang lebih pasti.

Contoh penggunaan termometer:

1. termometer tubuh untuk memeriksa demam;
2. termometer laboratorium untuk percobaan;
3. termometer industri untuk suhu sangat tinggi;
4. termometer ruang atau lemari es untuk memantau suhu lingkungan.

3. Skala Suhu

Skala suhu dibuat dengan menggunakan titik acuan. Dua titik acuan yang sering digunakan adalah es yang sedang melebur dan air yang sedang mendidih pada tekanan normal.

Gambar 3. Titik tetap bawah dan titik tetap atas pada skala Celsius, Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin.

Skala	Titik tetap bawah	Titik tetap atas	Keterangan
Celsius	$0^\circ\mathrm{C}$	$100^\circ\mathrm{C}$	Banyak dipakai di Indonesia.
Fahrenheit	$32^\circ\mathrm{F}$	$212^\circ\mathrm{F}$	Banyak dipakai di beberapa negara.
Reamur	$0^\circ\mathrm{R}$	$80^\circ\mathrm{R}$	Berdasarkan rentang $80$ bagian.
Kelvin	$273\ \mathrm{K}$	$373\ \mathrm{K}$	Skala SI, tidak memakai tanda derajat.

Hubungan penting yang sering digunakan:

Contoh: jika suhu ruang $30^\circ\mathrm{C}$, maka:

4. Suhu Tidak Sama dengan Kalor

Suhu dan kalor sering disebut bersamaan, tetapi keduanya berbeda. Suhu menyatakan derajat panas suatu benda. Kalor adalah energi panas yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah.

Gambar 4. Suhu adalah ukuran derajat panas, sedangkan kalor adalah energi panas yang berpindah.

Contoh: ketika kamu berada dekat api unggun, kalor berpindah dari api yang bersuhu tinggi ke tubuhmu yang bersuhu lebih rendah. Tubuh terasa hangat karena menerima energi panas. Jika kalor terus diterima, suhu tubuh atau benda dapat meningkat.

Satuan kalor dalam SI adalah joule, ditulis $\mathrm{J}$. Dalam beberapa konteks, kalor juga dinyatakan dalam kalori. Hubungan yang sering dipakai:

5. Kalor Jenis dan Besar Kalor

Setiap bahan tidak mengalami kenaikan suhu yang sama walaupun menerima kalor yang sama. Air memiliki kalor jenis besar, sehingga dapat menerima banyak kalor dengan perubahan suhu yang relatif kecil. Logam umumnya memiliki kalor jenis lebih kecil, sehingga suhunya lebih cepat naik.

Kalor jenis adalah banyaknya energi panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu $1\ \mathrm{kg}$ bahan sebesar $1\ \mathrm{K}$ atau $1^\circ\mathrm{C}$.

Gambar 5. Besar kalor dipengaruhi massa, kalor jenis bahan, dan perubahan suhu.

Rumus kalor:

dengan:

Simbol	Makna	Satuan umum
$Q$	kalor yang diterima atau dilepaskan	$\mathrm{J}$
$m$	massa benda	$\mathrm{kg}$
$c$	kalor jenis	$\mathrm{J/(kg \cdot K)}$
$\Delta T$	perubahan suhu	$\mathrm{K}$ atau $^\circ\mathrm{C}$

Perubahan suhu dihitung dengan:

Jika $\Delta T$ bernilai positif, benda menerima kalor dan suhunya naik. Jika $\Delta T$ bernilai negatif, benda melepas kalor dan suhunya turun.

Contoh: air bermassa $2\ \mathrm{kg}$ menerima kalor hingga suhunya naik dari $25^\circ\mathrm{C}$ menjadi $35^\circ\mathrm{C}$. Jika kalor jenis air $4.186\ \mathrm{J/(kg \cdot K)}$, maka:

6. Perpindahan Kalor

Kalor dapat berpindah melalui tiga cara: konduksi, konveksi, dan radiasi.

Gambar 6. Kalor dapat berpindah melalui konduksi, konveksi, dan radiasi.

Cara perpindahan kalor	Ciri utama	Contoh
Konduksi	Kalor berpindah melalui bahan tanpa perpindahan partikel secara keseluruhan	Ujung sendok logam ikut panas saat ujung lain menyentuh air panas.
Konveksi	Kalor berpindah bersama aliran zat cair atau gas	Air panas di bagian bawah panci naik, air lebih dingin turun.
Radiasi	Kalor berpindah tanpa memerlukan medium	Panas Matahari sampai ke Bumi melalui ruang hampa.

Pada konduksi, partikel yang menerima kalor bergetar lebih cepat dan menumbuk partikel di sebelahnya. Pada konveksi, bagian fluida yang lebih panas mengembang, menjadi lebih ringan, lalu bergerak naik. Pada radiasi, energi dipancarkan sebagai gelombang elektromagnetik.

7. Konduktor dan Isolator Kalor

Bahan yang menghantarkan kalor dengan baik disebut konduktor. Bahan yang menghantarkan kalor dengan buruk disebut isolator. Logam biasanya merupakan konduktor yang baik, sedangkan kayu, plastik, kain, dan udara lebih sering berperan sebagai isolator.

Gambar 7. Peralatan rumah tangga sering menggabungkan konduktor dan isolator agar aman digunakan.

Contoh:

1. bagian bawah setrika dibuat dari logam agar kalor mudah berpindah ke kain;
2. gagang panci dibuat dari kayu atau plastik agar tidak cepat panas;
3. termos memakai lapisan isolasi untuk mengurangi perpindahan kalor;
4. pakaian tebal menahan udara sehingga tubuh lebih sulit kehilangan kalor.

8. Pemuaian

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda karena kenaikan suhu. Ketika benda dipanaskan, partikel penyusunnya bergerak atau bergetar lebih cepat. Akibatnya, jarak rata-rata antarpartikel dapat membesar dan ukuran benda bertambah.

Jika benda didinginkan, benda dapat menyusut. Pemuaian dan penyusutan perlu diperhitungkan pada jembatan, rel kereta, kaca jendela, keramik, kabel listrik, dan alat ukur suhu.

Gambar 8. Celah pada rel, sambungan jembatan, dan dudukan kaca membantu mencegah kerusakan akibat pemuaian.

9. Bimetal dan Teknologi Pemuaian

Bimetal adalah dua keping logam berbeda yang ditempel menjadi satu. Karena setiap logam memiliki kemampuan memuai yang berbeda, bimetal dapat membengkok saat dipanaskan. Sifat ini dapat dimanfaatkan pada termostat atau alat pemutus arus sederhana.

Gambar 9. Bimetal membengkok karena dua lapis bahan memuai tidak sama besar.

Jika satu lapisan memuai lebih besar daripada lapisan lain, bimetal melengkung ke arah lapisan yang memuainya lebih kecil. Prinsip ini membantu alat listrik memutus atau menyambung arus ketika suhu berubah.

10. Pemuaian Panjang, Luas, dan Volume

Pada benda padat, pemuaian dapat diamati sebagai pemuaian panjang, pemuaian luas, atau pemuaian volume.

Gambar 10. Pemuaian dapat terjadi pada satu arah, dua arah, atau tiga arah.

Jenis pemuaian	Terjadi pada	Contoh
Pemuaian panjang	Pertambahan satu ukuran utama	Batang logam menjadi sedikit lebih panjang.
Pemuaian luas	Pertambahan dua arah permukaan	Pelat logam atau kaca jendela memerlukan ruang lebih.
Pemuaian volume	Pertambahan tiga arah ruang	Balok logam memuai pada panjang, lebar, dan tinggi.

Gambaran sederhana pemuaian panjang dapat ditulis:

dengan $\Delta L$ perubahan panjang, $\alpha$ koefisien muai panjang, $L_0$ panjang awal, dan $\Delta T$ perubahan suhu. Semakin besar $\alpha$, semakin mudah bahan memuai.

11. Pemuaian Zat Cair dan Gas

Zat cair juga dapat memuai ketika dipanaskan. Termometer zat cair memanfaatkan prinsip ini: zat cair di dalam pipa kapiler naik saat menerima kalor dan turun saat suhu menurun.

Gas umumnya lebih mudah memuai daripada zat cair dan zat padat. Udara panas dalam balon udara mengembang, massa jenisnya menjadi lebih kecil daripada udara sekitar, sehingga balon dapat naik.

Gambar 11. Termometer memanfaatkan pemuaian zat cair, sedangkan balon udara memanfaatkan pemuaian gas.

Contoh penerapan pemuaian zat cair dan gas:

1. termometer alkohol atau air raksa;
2. balon yang mengembang lebih besar ketika dipanaskan;
3. ban kendaraan tidak boleh diisi terlalu penuh sebelum perjalanan panjang dan panas;
4. lampion atau balon udara sederhana dapat terangkat oleh udara panas.

12. Pemanfaatan Energi Kalor

Energi kalor dimanfaatkan dalam banyak kegiatan manusia: memasak makanan, menghangatkan ruangan, menghasilkan listrik, menggerakkan kendaraan, menjalankan proses industri, dan membuat alat sederhana seperti balon udara.

Gambar 12. Energi kalor digunakan untuk memasak, pembangkit listrik, mesin kendaraan, industri, dan proyek balon udara.

Pemanfaatan energi kalor perlu dilakukan secara bijak. Alat pendingin, pemanas, kompor, mesin, dan pembangkit listrik membutuhkan energi. Semakin baik kita memahami suhu, kalor, dan pemuaian, semakin baik pula kita dapat menggunakan energi dengan aman dan hemat.

13. Rangkuman

1. Suhu adalah ukuran derajat panas suatu benda.
2. Termometer diperlukan karena indra peraba tidak mengukur suhu secara pasti.
3. Skala suhu yang dipelajari meliputi Celsius, Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin.
4. Kalor adalah energi panas yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah.
5. Besar kalor dipengaruhi massa, kalor jenis, dan perubahan suhu: $Q = m c \Delta T$.
6. Kalor berpindah melalui konduksi, konveksi, dan radiasi.
7. Konduktor menghantarkan kalor dengan baik, sedangkan isolator menghambat perpindahan kalor.
8. Pemuaian adalah pertambahan ukuran benda akibat kenaikan suhu.
9. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, zat cair, dan gas.
10. Pemuaian dimanfaatkan pada termometer, bimetal, sambungan konstruksi, dan balon udara.