modul suhu & kalor.pdf PDF

Preview

Summary

UNTUK SMA/MA KELAS X SEMESTER 2 MODUL FISIK SUHU, KALOR , DAN PERPINDAHAN KALOR PETRI RENI SASMITA, M.Pd PETRI RENI SASMITA KATA PENGANTAR Alhamdulillahirabbil Alamin. Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT karena atas limpahan rahmat, hidayah dan inayah-Nya penulis telah dapat menyelesaik...

Description

UNTUK SMA/MA KELAS X SEMESTER 2

MODUL FISIK

SUHU, KALOR , DAN PERPINDAHAN KALOR PETRI RENI SASMITA, M.Pd

PETRI RENI SASMITA

KATA PENGANTAR

Alhamdulillahirabbil Alamin. Puji dan syukur penulis ucapkan kepada

Allah SWT karena atas limpahan rahmat, hidayah dan inayah-Nya penulis telah dapat menyelesaikan modul ini. Shalawat beriring salam disampaikan kepada

junjungan Nabi Muhammad SAW karena dengan kerasulan beliaulah kita bisa berada di alam yang penuh dengan ilmu pengetahuan seperti sekarang ini.

Modul ini disusun dengan tujuan untuk menyediakan bahan ajar yang

sesuai dengan kecerdasan yang dimiliki oleh peserta didik. Selain itu, modul ini juga bertujuan untuk memudahkan guru dalam pelaksanaan pembelajaran. Penulis menyadari dalam modul ini masih banyak terdapat kekurangan, untuk itu penulis

mengharapkan saran dari pembaca, agar penulis dapat memperbaiki kesalahan tersebut pada pembuatan modul selanjutnya.

Akhir kata, semoga modul ini bermanfaat sebagaimana yang diharapkan.

Padang,

April 2015

Penulis

i

Kompetensi Inti KI 1 : Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya

KI 2 : Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia.

KI 3: Memahami, menerapkan, menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural berdasarkan rasa ingintahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah KI 4: Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan Kompetensi Dasar

1.1 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan dan mengatur alam jagad raya melalui pengamatan fenomena alam fisis dan pengukurannya 2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan , melaporkan, dan berdiskusi 3.7 Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor pada kehidupan sehari-hari 4.1 Menyajikan hasil pengukuran besaran fisis dengan menggunakan peralatan dan teknik yang tepat untuk penyelidikan ilmiah PEMUAIAN 4.6 Merencanakan dan melaksanakan percobaan untuk menyelidiki karakteristik termal suatu bahan, terutama kapasitas dan konduktivitas kalor Indikator  Menjelaskan pengertian suhu  Menjelaskan jenis-jenis skala termometer  Menganalisis pengaruh perubahan kalor terhadap ukuran zat (pemuaian)  Menjelaskan jenis-jenis pemuaian

ii

Petunjuk Penggunaan Modul

1. Pelajari kompetensi inti, kompetensi dasar, indikator, dan tujuan pembelajaran suhu, kalor dan perpindahan kalor yang akan dipelajari. 2. Modul ini disusun menggunakan strategi pembelajaran inkuiri terbimbing. 3. Catatlah semua kesulitan yang anda alami dalam mempelajari modul ini, dan tanyakan kepada guru pada saat kegiatan pembelajaran. Bila perlu bacalah referensi lain yang dapat membantu anda dalam penggunaan materi yang disajikan dalam modul ini.

iii

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ............................................................................................... Kompetensi Inti.............................................................................................. Kompetensi Dasar.......................................................................................... Petunjuk penggunaan modul..........................................................................

Daftar Isi ........................................................................................................ Kegiatan Belajar I

i

ii

ii

iii iv

Suhu dan Pemuaian..................................................................................

1

Pengaruh Kalor Terhadap Suhu dan Wujud Zat ......................................

16

Asas Balck ..............................................................................................

27

Perpindahan Kalor ..................................................................................

33

Kegiatan Belajar 2 Kegiatan Belajar 3 Kegiatan belajar 4

Daftar Pustaka................................................................................................

42

iv

SUHU DAN PEMUAIAN

Orientasi Mengamati Kabel listrik merupakan kawat yang terbuat dari tembaga. Pada saat siang hari dimana suhu udara tinggi kabel akan tempak kendor. Ketika malam hari saat suhu udara rendah kabel tersebut akan terlihat kencang. Mengapa terjadi hal seperti itu dengan kabel listrik? Pada jedela di rumah aminah terdapat sebuah kaca. Ketika malam hari jika ditiup angin, kaca tersebut akan berbunyi dan jika diperhatikannya ternyata kaca tersebut terpasang longgar pada jendela. Namun ketika siang hari walau ditiup angin jendela tersebut tidak berbunyi dan terpasang kuat pada jendela. Apa yang menyebabkan bisa terjadi hal demikian? Perhatikanlah konstruksi jembatan!. Jembatan dibuat dengan cara menyambungkan besi-besi sebagai komponen utamanya. Diantara sambungan-sambungan itu terdapat celah yang memisahkan komponen besi yang satu dengan yang laiannya. Mengapa harus dibuat seperi itu? Pada sinag bolong, Anton disuruh ibunya memperbaiki kawat jemuran pakaian mereka karena kawat tersebut kendur. Padahal sore kemarin anton sengaja memasang kawat jemuran yang terbuat dari aluminium supaya kencang dan kuat. Tetapi mengapa sekarang di siang hari kawat tersebut malah kendur?

Rumusan Masalah

Menanya

Tulislah rumusan masalah kalian di bawah ini! __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 1

Hipotesis Menalar Berdasarkan rumusan masalah yang muncul, tulislah hipotesis (jawaban sementara) kalian pada kolom berikut! _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ ____________________________________________________________

Mengumpulkan Data

Mengasosiasi

A. SUHU 1. Pengertian Suhu Di SMP kalian pasti sudah mempelajari tentang jenis-jenis zat, padat, cair, dan gas kan ??? Setiap zat memiliki susunan partikel yang berbeda-beda. Setiap partikel penyusun zat mengalami getaran. Getaran partikel-partikel zat menghasilkan energi kinetik yang sebanding dengan panas zat. Bila suatu zat bertambah panas, maka energi kinetik rata-

Gambar 1. Wujud zat

rata partikel zat tersebut juga bertambah besar. Sangatlah mudah untuk menambah energi kinetik rata-rata partikel dalam zat. Misalnya, pukullah sekeping uang logam dengan palu, kemudian segera sentuh. Uang logam akan terasa hangat. Hal ini disebabkan pukulan palu yang menyebabkan

2

partikel-partikel dalam uang bergerak lebih cepat dan bertabrakan. Jadi, suatu zat baik padat, cair maupun gas akan menjadi lebih hangat karena partikel-partikelnya bergerak lebih cepat, sehingga menghasilkan energi kinetik rata-rata partikel lebih besar. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa suhu adalah ukuran kelajuan gerak partikel-partikel dalam suatu zat atau ukuran energi kinetik rata-rata partikel dalam suatu zat.

2. Termometer Ketika kalian menyetuh dua zat cair dengan tangan. Misalnya, air hangat dan es. Ketika tangan kalian dimasukkan ke dalam air hangat, kalian akan merasakan hangat. Sebaliknya, ketika tangan kalian menyentuh es, kalian akan merasa dingin. Akan tetapi, dapatkah kalian menentukkan suhu zat dengan sentuhan atau perasaan? Perasaan tidak dapat digunakan sebagai alat ukur suhu yang baik karena tidak dapat menyatakan tingkat derajat suhu suatu benda. Untuk mengukur suhu suatu benda dengan tepat, kita menggunakan alat ukur yang disebut termometer. Termometer adalah alat untuk mengukur suhu. Termometer dibuat berdasarkan sifat termometrik suatu zat. Sifat termometrik adalah sifat-sifat benda yang dapat berubah akibat terjadinya perubahan suhu pada benda tersebut. Beberapa sifat termometrik suatu zat, antara lain dalam pemuaian zat cair dalam pipa kapiler, perubahan hambatan listrik kawat platina, pemuaian keping bimetal, dan perubahan tekanan gas pada volume tetap. Ide pertama penggunaan termometer adalah Galileo, yang menggunakan pemuaian gas seperti gambar 2. Termometer yang sering digunakan dalam

kehidupan

sehari-hari

adalah

Termometer yang terbuat dari tabung kaca Gambar 2. Termometer Galileo

berisi zat cair (seperti Gambar 3). Salah satu

3

sifat termometrik dari zat cair adalah adanya perubahan volume, yaitu memuai apabila dipanaskan dan menyusut apabila didinginkan. Zat cair yang paling banyak digunakan sebagai pengisi termometer adalah alkohol dan raksa. Alkohol dan raksa dipilih karena memiliki kelebihan jika dibandingkan dengan zat lainnya. a) Kelebihan alkohol sebagai zat termometrik, antara lain: 1). Pemuaiannya teratur 2). Memiliki koefisien muai yang besar, dan 3). Memiliki titik beku yang rendah, yaitu -115oC sehingga dapat digunakan untuk mengukur suhu yang rendah. b) Kelemahan alkohol sebagai zat termometrik, antara lain: 1). Membasahi dinding kaca

Gambar 3. Termometer zat cair

2). Memiliki titik didih rendah, yaitu 80oC sehingga tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu tinggi, dan kalor jenisnya tinggi sehingga membutuhkan energi yang besar untuk menaikkan suhu. c) Kelebihan raksa sebagai zat termometrik, antara lain: 1). Warnanya mengkilap sehingga mudah dilihat 2). Tidak membasahi dinding kaca 3). Pemuaiannya teratur 4). Mudah menyesuaikan dengan suhu sekitarnya, dan 5). Titik didihnya tinggi, yaitu 357oC sehingga dapat digunakan untuk mengukur suhu yang tinggi. d) Kelemahan raksa sebagai zat termometrik, antara lain: 1). Raksa sangat mahal 2). Raksa tidak dapat digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah karena titik bekunya tinggi, dan 3). Raksa termasuk zat beracun sehingga termometer raksa berbahaya jika tabungnya pecah.

4

~ FIESTA ~ FISIKAWAN KITA

Galileo Galilei adalah seorang fisikawan, Italia. Meskipun ia tidak menciptakan Termometer Galileo, tetapi dinamai tersebut untuk menghormati idenya. Termometer Galileo terdiri dari sebuah silinder kaca tertutup berisi cairan bening dan serangkaian bola kaca dengan berat yang berbeda. Karena perubahan suhu, bola kaca naik dan turun. Suhu dibaca dari ukiran piringan logam digantung pada bola kaca.

3. Skala Termometer Bagaimana skala pada termometer dibuat? Skala pada termometer berdasarkan dua titik acuan, yaitu titik tetap atas dan titik tetap bawah. Pada umumnya titik tetap bawah ditentukan berdasarkan titik lebur es murni (suhu es yang sedang mencair) pada tekanan 1 atmosfer. Sementara itu, titik tetap atas ditentukan berdasarkan titik didih air murni (suhu air murni yang sedang mendidih) pada tekanan 1 atmosfer. Rentang antara titik tetap bawah dan titik tetap atas dibagi menjadi beberapa bagian (skala). Ada 4 macam skala termometer yaitu sebagai berikut.

Gambar 4. Skala termometer Keempat skala tersebut memiliki perbedaan dalam pengukuran suhunya. Berikut rentang suhu yang dimiliki setiap skala.

5

a. Termometer skala Celsius Memiliki titik didih air 100°C dan titik bekunya 0°C. Rentang suhunya berada pada suhu 0°C – 100°C dan dibagi dalam 100 skala. b. Temometer skala Reamur Memiliki titik didih air 80°R dan titik bekunya 0°R. Rentang suhunya berada pada suhu 0°R – 80°R dan dibagi dalam 80 skala. c. Termometer skala Fahrenheit Memiliki titik didih air 212°F dan titik bekunya 32°F. Rentang suhunya berada pada suhu 32°F – 212°F dan dibagi dalam 180 skala. d. Termometer skala Kelvin Memiliki titik didih air 373,15 K dan titik bekunya 273,15 K. Rentang suhu ya berada pada suhu 273,15 K – 373,15 K dan dibagi dalam 100 skala. Hubungan antara skala termometer di atas dinyatakan dengan persamaan:

= Keterangan: T1 = suhu termometer 1 T2 = suhu termometer 2

Ta = titik atas Tb = titik bawah

Contoh soal Rani mengukur suhu sebuah ruangan dengan menggunakan termometer Reamur. Termometer menunjukkan nilai 20°R. Jika Elsa juga mengukur suhu ruangan yang sama dengan Rani dengan menggunakan Termometer Celsius. Berapakah nilai yang terbaca pada suhu yang terbaca pada termometer yang digunakan Elsa? Jawab : Penyelesaian : = Dik: ToR = 20oR Dit : ToC = ……? 80 0 100 0 20 60 20

= =

0 100

200 60

=

0

= 3,33

6

B. Pemuaian Sebelumnya telah dijelaskan bahwa setiap zat disusun oleh partikel-partikel kecil yang bergetar. Jika

KOMET Kolom mengingat ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

sebuah

benda

dipanaskan,

partikel-partikel

di

Gas, memiliki

dalamnya bergetar lebih kuat hingga saling menjauh,

kemampuan muai

sehingga zat tersebut memuai. Jadi, pemuaian adalah

daripada zat cair

lebih besar

bertambahnya ukuran suatu zat karena kenaikan suhu

dan zat padat.

yang terjadi pada zat tersebut. Namun, jika benda didinginkan gerakkan partikel-partikel akan melambat yang

mengakibatkan

partikel-partikel

saling

mendekat. Hal ini menyebabkan benda menyusut. Semakin panas suatu benda, maka semakin cepat gerakan antar partikel zat dan semakin besar pula pemuaian yang terjadi pada zat tersebut. Setiap jenis zat mempunyai kemampuan memuai yang berbeda-beda. Gas misalnya, memiliki kemampuan muai lebih besar daripada zat cair dan zat padat. Pemuaian zat pada dasarnya terjadi ke segala

“BETA” BERITA FISIKA

arah. Namun, pada modul ini yang akan dibahas pemuaian panjang, luas, dan volume. Besar pemuaian bergantung pada; ukuran awal zat, karakteristik bahan, dan besar perubahan suhu zat. 1. Pemuaian Zat Padat a) Pemuaian panjang Jika zat padat dipanaskan, benda tersebut

Pada suhu -182,96°C oksigen berubah wujud dari gas menjadi cair, dan apabila suhu di-turunkan menjadi -218,4°C akan berubah wujud menjadi padat.

akan memuai ke segala arah. Hal ini berarti, ukuran panjang, luas, dan volume benda bertambah. Untuk zat padat yang berukuran

J

panjang dengan luas penampang kecil seperti

7

jarum rajut, kalian dapat memusatkan perhatian pada pertambahan panjangnya dan bisa mengabaikan pemuaian pada luas penampangnya. Pertambahan panjang pada zat padat yang dipanaskan relatif kecil sehingga butuh ketelitian untuk mengetahuinya. Seperti pada gambar 5.

Gambar 5. Pemuaian Zat Padat

Pada Gambar 5 terlihat bahwa sebuah zat padat yang memiliki panjang awal (Lo). setelah dipanaskan benda tersebut mengalami pertambahan panjang sebesar

, sehingga panjang akhirnya menjadi L. Ketika batang logam dipanaskan, zat padat tersebut akan memuai

sehingga mendorong jarum penunjuk pada skala. Karena jenis logamnya berbeda, pemuaian panjang logam juga berbeda. Hal tersebut menunjukkan muai panjang logam berbeda-beda.

Misalnya,

logam, tembaga, dan

besi,

aluminium,

lain-lain. Walaupun

dipanaskan dalam waktu yang sama. Hal ini disebabkan oleh perbedaan koefisian muai panjang yang dimiliki oleh setiap zat padat. Koefisien muai panjang adalah perbandingan antara pertambahan panjang terhadap panjang awal zat persatuan kenaikkan suhu. Semakin besar koefisien muai panjang suatu zat, maka semakin

besar

pertambahan

panjangnya.

Demikian juga sebaliknya. Semakin kecil

Gambar 6. Musscheinbroek

koefisien muai panjang suatu zat maka semakin kecil pertambahan panjangnya.

8

Secara matematis, koefisien muai panjang (α ) suatu zat dinyatakan sebagai: = Sehingga besar perubahan panjang dapat dinyatakan: =

dengan :

=

) = (1 + Keterangan: = pertambahan panjang zat (m) = panjang akhir zat (m) = panjang awal zat (m) = koefisien muai panjang (/oC) = perubahan suhu (oC) = suhu awal (oC) = suhu akhir (oC) Jika perubahan suhu bernilai negatif maka perubahan panjang juga negatif, berarti zat memendek (menyusut). Keofisien muai panjang beberapa zat dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai koefisien muai panjang logam No 1 2 3 4 5 6 7

Jenis logam Aluminium Baja Besi Emas Kaca Kuningan Tembaga

Koefisien muai panjang (/oC) 0,000026 0,000011 0,000012 0,000014 0,000009 0,000018 0,000017

b) Pemuaian luas Jika suatu zat padat yang berbentuk persegi atau lempeng dipanaskan maka terjadi pemuaian ke arah memanjang dan melebar. Dengan kata lain, zat tersebut mengalami pemuaian luas. Apabila luas sebuah zat berbentuk lempeng yang bersuhu To adalah Ao dipanaskan hingga suhunya naik sebesar sehingga sisi zat tersebut memuai sebesar

.

9

L L

Lo Lo

Gambar 7. Lempeng logam jika dipanaskan akan memuai

Dengan demikian luas akhir zat adalah: =

dengan : dan

=

(1 +

)

=2

=

Keterangan: = pertambahan luas zat (m2) = luas awal zat (oC) = luas akhir zat (oC) = koefisien muai luas (/oC) Jika perubahan suhu bernilai negatif, maka perubahan luas juga negatif berarti luas zat menyusut.

c) Pemuaian volume Jika zat padat berbentuk balok dipanaskan, maka akan terjadi pemuaian dalam arah memanjang, melebar, dan meninggi. Hal ini berarti zat tersebut mengalami pemuaian volume. Apabila luas sebuah zat berbentuk balok yang bersuhu To adalah Vo dipanaskan hingga suhunya naik sebesar sehingga sisi zat tersebut memuai. Secara eksperimen ditemukan untuk jumlah gas tertentu bahwa volume gas berbanding terbalik dengan tekanan yang diberikan ketika ketika suhu konstan, yaitu; sebesar

(Gambar 8).

10

V

Vo

Gambar 8. Balok jika dipanaskan akan memuai

Dengan demikian volume akhir zat adalah: =

dengan : dan = 3

=

) = (1 + Keterangan: = pertambahan volum zat (m3) = volum awal zat (m3) = volum akhir zat (m3) = koefisien muai volum (oC)

2. Pemuaian Zat Cair Zat cair memiliki bentuk yang selalu berubah-ubah sesuai dengan bentuk wadahnya. Wadah berarti volume. Jadi, zat cair hanya memiliki muai volume. Contohnya, ketika sebuah botol dan sedotan yang terisi oleh air diletakkan sangat dekat di samping lilin yang menyala, dinding kaca botol akan menerima panas. Panas tersebut dialirkan ke air. Air yang menerima panas akan mengalami pemuaian sehingga menyebabkan air tumpah melalui ujung sedotan. Pada umumnya, setiap zat akan memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Tetapi, tidak demikian dengan air. Apabila mengalami pemanasan dari suhu 0oC hingga suhu 4oC, maka ...