Untuk memahami konsep suhu, kita perlu mendefinisikan dua istilah yang sering digunakan: kontak termal dan kesetimbangan termal. Untuk memahami makna dari kontak termal, bayangkan dua benda diletakkan dalam sebuah kotak yang terisolasi di mana benda tersebut saling memengaruhi satu sama lain, tetapi bukan dengan lingkungannya. Apabila suhu kedua benda tersebut berbeda, maka akan terjadi pertukaran energi di antara benda tersebut, walaupun pada awalnya kedua benda tersebut tidak melakukan kontak fisik. Kita mengasumsikan bahwa kedua benda mengalami kontak termal satu sama lain apabila terjadi pertukaran energi di antara kedua benda tersebut melalui proses-proses yang diakibatkan oleh perbedaan suhu. Keseimbangan termal adalah situasi di mana dua benda tidak akan bertukar energi melalui kalor ataupun radiasi elektromagnetik jika mereka berada dalam kontak termal (Serway: 2010).
Menurut Halliday (2010), kalor adalah energi yang ditranfer antara sistem dan lingkungannya dikarenakan perbedaan suhu yang ada di antara sistem dan lingkungan. Sebelum para ilmuwan menyadari bahwa panas adalah energi yang ditransfer, panas diukur dalam hal kemampuan untuk menaikkan suhu air. Sehingga, kalori (kal) didefinisikan sebagai jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 g air dari 14,5℃ sampai 15,5℃. Dalam sistem satuan inggris, satuan yang digunakan adalah British thermal unit (Btu) yang didefenisikan sebagai jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 lb air dari 63℉ hingga 64℉. Pada tahun 1948, komunitas ilmiah memutuskan bahwa panas ( seperti usaha W ) merupakan energi yang ditransfer, maka satuan SI yang digunakan untuk panas harus seperti satuan yang digunakan untuk energi, yaitu joule. Sementara kalori saat ini didefinisikan menjadi tepat 4,1868 J, tanpa mengacu pada pemanasan air. (Istilah “kalor” yang digunakan dalam nutrisi, terkadang disebut dengan Kalori (Cal). Hubungan antara berbagai satuan-panas adalah
1 cal = 3,969 × 10^-3 Btu = 4,1868 J
Menurut Herman & Asisten LFD (2015), air yang dipanaskan dalam panci akan mulai panas dan lama-kelamaan akan mendidih. Peristiwa ini sering dijumpai dalam keseharian. Proses air menjadi panas dan mendidih melibatkan perpindahan kalor dari sumber kalor ke lingkungan sekitarnya. Sumber kalor adalah api, sehingga dapat dikatakan bahwa semakin besar nyala api, maka berarti makin besar kalor yang dimiliki, atau semakin lama dipanaskan maka semakin banyak kalor yang dilepaskan. Akibat pemberian kalor tersebut, maka suhu air akan mengalami kenaikan dimana semakin lama dipanaskan maka semakin besar kenaikan suhu pada air. Dua wadah berisi air yang massanya berbeda, jika dipanaskan dengan waktu yang sama maka suhu yang terukur pada kedua wadah tersebut akan berbeda. Suhu air dalam wadah yang memiki air yang massanya lebih kecil akan memilki suhu yang lebih tinggi dibanding wadah yang berisi air lebih banyak. Sehingga dapatdisimpulkan bahwa terdapat hubungan antara banyak kalor (Q), kenaikan suhu (∆T ) dan massa air (m). Segelas air panas yang dicampurkan dengan segelas air dingin, akan terasa hangat. Hal disebabkan oleh karena adanya perpindahan kalor dari air panas ke air dingin. Itulah sebabnya suhu air panas turun dan suhu air dingin naik setelah keduanya bercampur. Pada proses pencampuran tersebut, kalor yang dilepaskan air panas diserap oleh air dingin. Jadi banyaknya kalor yang dilepaskan sama dengan banyaknya kalor yang diserap. Pernyataan ini disebut Azaz Black yang secara matematis dapat dituliskan;
Qlepas = Qserap
Selain melakukan percobaan diatas, banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda dapat juga kita amati ketika kita memasak air. Untuk mendidihkan air dalam cerek dengan kompor diperlukan selang waktu tertentu. Semakin banyak volume air yang didihkan semakin lama selang waktu yang diperlukan. Hal ini menunjukkan bahwa suhu bergantung pada besarnya kenaikan suhu benda dan massanya. Secara matematis dapat dituliskan:
Q = m.c.∆T
Menurut Halliday (2010), menguapkan zat cair adalah mengubah keadaan zat cair dari zat tersebut ke keadaan (gas) uap. Proses ini, seperti mencair, membutuhkan energi dikarenakan molekul harus dibebaskan dari susunannya. Pendidihan air untuk mengubah keadaan cair ke uap air (atau uap-gas-molekul air individu) adalah salah satu contoh umum. Mengkondensasi gas untuk membentuk cairan adalah kebalikan dari proses penguapan; pada proses ini, energi dilepaskan dari molekul gas sehingga molekul akan menjauh satu sama lain. Jumlah energi per satuan massa yang yang harus ditransfer sebagai kalor ketika suatu sampel mengalami perubahan fasa disebut kalor transformasi L. Jadi, ketika sampel massa m mengalami perubahan fasa, maka total energi yang ditransfer akan sebesar
Q = Lm
Ketika terjadi perubahan fasa dari cair ke gas (maka sampel harus menyerap panas) atau dari gas ke cair (sampel harus melepaskan panas), kalor transformasi disebut sebagai kalor penguapan L_V. Untuk air di titik didih normal atau kondensasi suhu
L_V = 539 cal/g = 40,7 kJ/mol = 2256 kJ/kg
Ketika perubahan fasa dari padat ke cair (maka sampel harus menyerap panas) atau dari cair ke padat (samoel harus melepaskan panas), kalor transformasi disebut sebagai kalor penggabungan L_F. Untuk air pada nilainya di titik beku normal suhu leleh adalah
L_F = 79,5 cal/g = 6,01 kJ/mol = 333 kJ/kg
Demikian artikel mengenai Teori Singkat Suhu dan Kalor pada postingan kali ini, semoga bermanfaat bagi Anda dan tentunya dapat menambah wawasan bagi siapa saja yang membacanya, khususnya bagi kalangan akademisi yang mendalami ilmu Fisika.
Sumber Referensi
Halliday, David. Resnick, Robert. Walker, Jearl. 2010. Fisika Dasar Edisi Ketujuh Jilid 1 Terjemahan. Jakarta : Erlangga.
Herman & Asisten LFD. 2015. Penuntun Fisika Dasar 2. Laboratorium Fisika Unit Praktikum Fisika Dasar : Makassar.
Serway, Raymond A. dan John W. Jewett.. 2010. Fisika untuk Sains dan Teknik Buku 2 Edisi 6. Jakarta : Salemba Teknika.
Tags:
Fisika Dasar