Termometer dan Skala suhu
Jenis-jenis Termometer dan Prinsip Kerja Termometer
Alat yang dirancang untuk mengukur suhu adalah termometer. Terdapat banyak jenis termometer, tetapi prinsip kerjanya sebenarnya sama. Biasanya, kita memanfaatkan materi yang bersifat termometrik (sifat materi yang berubah terhadap temperatur). Maksudnya, kalau suhu materi tersebut berubah, bentuk dan ukuran materi tersebut juga ikut2an berubah. Kebanyakan termometer menggunakan materi yang bisa memuai ketika suhunya berubah.
Termometer yang sering digunakan saat ini terdiri dari tabung kaca, di mana terdapat alkohol atau air raksa pada bagian tengah tabung. Ketika suhu meningkat, alkohol atau air raksa yang berada di dalam wadah akan memuai sehingga panjang kolom alkohol atau air raksa akan bertambah. Sebaliknya, ketika suhu menurun, panjang kolom alkohol atau air raksa akan berkurang. Pada bagian luar tabung kaca terdapat angka-angka yang merupakan skala termometer tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh ujung kolom alkohol atau air raksa merupakan nilai suhu yang diukur. Lihat gambar…..
Jenis termometer lain yang biasa digunakan adalah termometer yang menggunakan lembaran bimetal (dua logam yang jenisnya berbeda dan kecepatan pemuaiannya juga berbeda). Pada saat suhu meningkat, salah satu logam mengalami pemuaian yang lebih besar dari logam lain. Akibatnya keping tersebut melengkung. Biasanya keping bimetal berbentuk spiral, di mana salah satu ujung keping tetap, sedangkan ujung lain dihubungkan ke penunjukskala . Ketika suhu berubah, penunjuk akan berputar. Termometer yang menggunakan lembaran bimetal biasanya digunakan sebagai termometer udara biasa, termometer ruangan, termometer oven dll.
Termometer yang lebih akurat alias lebih tepat, biasanya menggunakan sifat elektris suatu materi. Misalnya termometer hambatan. Pada termometer hambatan, biasanya diukur perubahan hambatan listrik suatu kumparan kawat tipis atau silinder karbon atau kristal germanium. Karena hambatan listrik biasanya dapat diukur secara tepat, maka termometer hambatan bisa mengukur suhu secara lebih tepat daripada termometer biasa.
Skala Suhu
Agar termometer bisa digunakan untuk mengukur suhu maka perlu ditetapkan skala suhu. Terdapat 2 skala suhu yang sering digunakan, antara lain skala celcius dan skala Fahrenheit. Skala yang paling banyak digunakan saat ini adalah skala celcius (nama lain skala celcius adalah skala centigrade. Centigrade = seratus langkah). Skala Fahrenheit paling banyak digunakan di Amerika Serikat, mungkin pingin beda sendiri kali 
Skala suhu yang cukup penting dalam bidang sains adalah skala mutlak alias skala Kelvin. Mengenai skala Kelvin akan kita bahas kemudian (tuh di bawah).
Titik tetap skala celcius dan skala Fahrenheit menggunakan titik beku dan titik didih air. Titik beku suatu zat merupakan temperatur di mana wujud padat dan wujud cair berada dalam keseimbangan (tidak ada perubahan wujud zat). Sebaliknya, titik didih suatu zat merupakantemperatur di mana wujud cair dan wujud gas berada dalam keseimbangan. Perlu diketahui bahwa titik beku dan titik didih selalu berubah terhadap tekanan udara., karenanya tekanan perlu ditetapkan terlebih dahulu. Biasanya kita menggunakan tekanan standar, yakni 1 atm (satu atmosfir)
Skala Celcius
Untuk skala celcius, temperatur titik beku normal air (disebut juga sebagai titik es) dipilih sebagai nol derajat celcius (0o C) dan temperatur titik didih normal air (disebut juga sebagai titik uap) dipilih sebagai seratus derajat celcius (100o C). Di antara titik es dan titik uap terdapat 100 derajat. Pada termometer yang menggunakan skala celcius, temperatur yang lebih rendah dari temperatur titik es biasanya ditandai dengan angka negatif.
Skala Fahrenheit
Om Fahrenheit menghendaki agar semua temperatur yang diukur bernilai positif. Karenanya, ia memilih 0 oF untuk temperatur campuran es dan air garam (temperatur terdingin yang bisa dicapai air). Ketika mengukur temperatur titik es dan titik uap, angka yang ditunjukkan pada skala Fahrenheit berupa bilangan pecahan. Akhirnya beliau mengoprek lagi skalanya sehingga temperatur titik es dan titik uap berupa bilangan bulat.
Untuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih sebagai 32 derajat Fahrenheit (32o F) dan temperatur titik titik didih normal air (titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212o F). Di antara titik es dan titik uap terdapat 180 derajat.
Normal tuh maksudnya di dalam air tidak ada unsur lain, tidak ada garam, tidak ada gula, tidak ada teh, tidak ada susu . Jadi murni H20
Konversi skala Suhu
Sekarang mari kita bermain oprek2an. Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan skala om Fahrenheit dan skala om Celcius. Karena kedua skala ini berbeda, maka alangkah baiknya jika kita belajar mengoprek skala celcius menjadi skala fahrenheit. Demikian juga sebaliknya, skala fahrenheit dioprek menjadi skala celcius.
Catatan :
Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu, maka kita menyebutnya derajat Celcius (oC) atau derajat Fahrenheit (oF). Contoh : Pada tekanan 1 atm, suhu air panas = 100 oC atau 180 oF. Suhu tubuh saya = 98 oF. Sebaliknya, jika kita mengatakan perubahan suhu atau selisih suhu, maka kita menyebutnya Celcius derajat (Co) atau Fahrenheit derajat (Fo). Contoh : suhu air mula-mula 20 oC. Setelah dipanaskan, suhunya berubah menjadi 50 oC. Dengan demikian, air mengalami perubahan suhu sebesar 30 Celcius derajat (30 Co). lanjut ya….
Pada tekanan 1 atm, suhu titik es untuk termometer berskala celcius = 0 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 32 oF. Sebaliknya, pada tekanan 1 atm, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius = 100 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 212 oF. Amati gambar di bawah….
Untuk memudahkanmu mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit atau mengoprek skala Fahrenheit menjadi skala Celcius, ingat saja 0 oC = 32 oF dan 100 oC = 212 oF. Sambil lihat gambar di atas… Pada skala Celcius, antara 0 oC sampai 100 oC terdapat 100o. Sedangkan pada skala Fahrenheit, antara 32 oF sampai 212 oF terdapat 180o.
Mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit
Untuk memperoleh suhu dalam skala Fahrenheit (TF), kalikan terlebih dahulu suhu dalam skala Celcius (TC) dengan 9/5. Setelah itu tambahkan dengan 32o
Contoh soal 1 :
Suhu air yang lagi kepanasan = 60 oC. Berapakah suhu air panas dalam skala Fahrenheit ?
Panduan jawaban :
Guampang kok…. Kalikan terlebih dahulu 60 oC dengan 9/5. Setelah itu baru tambahkan dengan 32o. 60 x 9/5 = 108. 108 + 32 = 140 oF. kesimpulannya, 60 oC = 140 oF
Mengubah skala Fahrenheit menjadi skala Celcius
Untuk memperoleh suhu dalam skala Celcius (TC), kurangi terlebih dahulu suhu dalam skala Fahrenheit (TF) dengan 32o, setelah itu baru kalikan dengan 5/9. Jangan pake hafal tuh rumus, ntar dirimu bisa pusink seribu keliling……. Syukur kalau cuma pusink. Pas mau ujian rumusnya lupa wah, jadi stress seribu keliling
Contoh soal 2 :
Suhu air yang lagi kepanasan = 140 oF. Berapakah suhu air panas dalam skala Celcius ?
Panduan jawaban :
Ini mah anak sd juga bisa oprek Kurangi dulu 140 oF dengan 32o. Setelah itu baru kalikan dengan 5/9. 140 – 32 = 108. 108 x 5/9 = 60 oC
Kalibrasi Termometer
Kalibrasi tuh proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut ini beberapa petunjuk dari gurumuda…
Langkah pertama, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah sebuah termometer air raksa tanpa skala. Syukur kalau di laboratorium sekolahmu sudah ada. Langkah kedua, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah es batu secukupnya. Langkah ketiga, curi air punya tetangga secukupnya. Langkah keempat, siapkan sebuah pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan si air hingga mendidih.
Masukan es batu dan air ke dalam sebuah wadah (usahakan air dan es batu sama banyak). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air dan es batu tersebut. Karena pada mulanya termometer lebih panas dari air es, maka setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom air raksa akan berkurang. Biarkan sampai panjang kolom air raksa tidak berubah (si air raksa tidak jalan-jalan lagi). Ketika panjang kolom air raksa tidak berubah, campuran es batu dan air telah berada dalam keseimbangan termal. Tandai posisi kolom air raksa tersebut (tandai bagian ujung kolom air raksa). Ini adalah suhu titik es alias titik beku normal air. Amati gambar di bawah biar paham.
Air sudah dipanaskan belum ? kalau belum, silahkan memanaskan air. Masukkan si termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Tunggu sampai si air kepanasan dan berdisko ria dalam wadah (maksudnya si air mendidih). Jika panjang kolom air raksa sudah tidak berubah lagi, tandai ujung kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih normal air alias titik uap. Amati gambar di bawah.
Jika dirimu ingin membuat skala Celcius, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 100 garis/titik. Usahakan jarak antara setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 0o C, sedangkan tanda bagian atas = 100o C. Lihat gambar di bawah…
Jika dirimu ingin membuat skala Fahrenheit, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 180 garis/titik. Usahakan panjang setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian bawah = 32 oF, sedangkan tanda bagian atas = 212 oF. 32 oF tuh baru suhu titik es. Karenanya dirimu bisa menambahkan garis atau titik sampai 0 oF. Tambahkan juga garis/titik di sebelah atas 212 oF. Panjang setiap garis/titik harus sama dengan sebelumnya.
Catatan :
Suhu titik es dan suhu titik uap tergantung pada tekanan udara. Karenanya termometer yang dikalibrasi di tempat yang tekanannya berbeda akan memberikan hasil berbeda. Termometer biasa seperti termometer air raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah atau suhu yang sangat tinggi.
Termometer Gas Volume-Konstan dan Skala Kelvin
Sebelumnya kita sudah mempelajari cara mengkalibrasi suatu termometer. Termometer yang kita gunakan adalah termometer air raksa yang belum punya skala. Btw, seandainya kita mengkalibrasi 2 termometer yang jenisnya berbeda, misalnya termometer air raksa dan termometer alkohol, skala kedua termometer tersebut mungkin hanya cocok pada 0 oC (atau 32 oF) dan 100 oC (atau 212 oF). Apabila kita menggunakan kedua termometer tersebut untuk mengukur suhu ruangan, angka yang ditunjukkan belum tentu sama. Bisa saja termometer air raksa menujukkan angka 48 oC, sedangkan termometer alkohol menunjukkan angka 46 oC. Hal ini disebabkan karena kecepatan pemuaian setiap materi berbeda2. Demikian juga dengan jenis termometer yang lain, seperti termometer bimetal dkk. Skala suhu yang ditetapkan dengan cara ini sangat bergantung pada sifat materi yang digunakan. Materi yang gurumuda maksud adalah si air raksa, alkohol, keping bimetal dkk.
Karena skala suhu yang ditetapkan menggunakan termometer biasa mempunyai keterbatasan (skala suhu tergantung pada sifat materi yang digunakan), maka kita membutuhkan sebuah termometer standar. Adanya termometer standar membantu kita untuk menetapkan skala suhu secara lebih tepat, tanpa harus bergantung pada sifat suatu materi.
Termometer yang nyaris sempurna/ideal adalah termometer gas volume-konstan. Prinsip kerja si termometer gas volume-konstan adalah sebagai berikut. Volume gas dijaga agar selalu tetap alias tidak berubah. Nah, ketika suhu bertambah, tekanan gas juga ikut2an bertambah.
Ini cuma gambaran kasarnya saja. Termometer gas volume konstan sekarang canggih2… Dalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu konstan, dengan cara menaikan atau menurunkan pipa 2 sehingga permukaan air raksa dalam pipa 1 selalu berada pada tanda acuan. Jika suhu alias temperatur meningkat, tekanan gas dalam tabung juga ikut2an bertambah. Karenanya, pipa 2 harus diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan. Tekanan gas bisa diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2. Kalau pakai cara manual, ingat saja kolom air raksa setinggi 760 mm = tekanan 1 atm (1 atmosfir). Mengenai hal ini bisa dipelajari pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida. Materinya sudah ada di blog ini. Biasanya pada termometer gas volume konstan yang canggih sudah ada alat penghitung tekanan. Wadah yang berisi gas juga sudah dirancang agar gas selalu berada dalam volume yang tetap. Jadi yang diukur cuma perubahan tekanannya saja…
Untuk mengkalibrasi termometer gas volume konstan, kita bisa mengukur tekanan gas pada 2 suhu. Misalnya kita gunakan suhu titik es dan suhu titik uap. Suhu titik es dan suhu titik uap bergantung pada tekanan udara. Biasanya pada tekanan 1 atm, suhu titik es = 0 oC dan suhu titik uap = 100 oC. Anggap saja kita mengkalibrasi termometer gas volume konstan pada tempat yang mempunyai tekanan udara 1 atm.
Pertama, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 harus diturunkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan. Btw, kalau pakai termometer gas yang canggih, tabung yang berisi gas langsung dicelup saja ke dalam wadah yang berisi es batu dan air. Sudah ada alat pengukur tekanan, tinggal dibaca saja tekanan gas berapa… Catat besar tekanan gas tersebut (anggap saja ini tekanan 1 = P1)
Kedua, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi air yang lagi dipanaskan. Seperti biasa, volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 dinaikkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan gas…. (anggap saja ini tekanan 2 = P2)
Ketiga, buat grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan suhu… lihat contoh di bawah.
P1 adalah tekanan gas untuk suhu titik es (0 oC) dan P2 adalah tekanan gas untuk suhu titik uap (100 oC). Gambarkan sebuah garis yang menghubungkan titik temu P1 dan 0 oC dan titik temu P2 dan 100 oC. Dengan berpedoman pada grafik, walaupun kita hanya mengetahui besar tekanan gas, besar suhu juga bisa diketahui dengan mudah bahkan bisa diramalkan.
Skala Kelvin
Sekarang tataplah grafik di atas dengan penuh kelembutan….. Jika garis miring ditarik ke kiri sampai memotong sumbu T oC, kita akan menemukan bahwa ketika tekanan gas = 0, besar suhu = -273,15 oC. Mungkin kita berpikir bahwa besar suhu tersebut berbeda-beda, tergantung pada jenis gas yang dikurung dalam tabung termometer gas volume konstan. Btw, berdasarkan hasil percobaan, walaupun jenis gas berbeda, ketika tekanan gas menjadi nol, besar suhu tetap bernilai -273,15 oC. Dengan demikian, kita bisa menggunakan besar suhu ini sebagai patokan skala suhu (disebut juga sebagai suhu alias temperatur nol mutlak).
Temperatur nol mutlak ini dikenal dengan julukan skala mutlak alias skala suhu Kelvin. Kirain skala suhu gurumuda Kelvin adalah nama almahrum Lord Kelvin (1824-1907), mantan fisikawan Inggris. Sekarang beliau sudah beristirahat di alam baka, karenanya gurumuda menyebutnya mantan fisikawan. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K). Selang antara derajat sama sperti pada skala celcius, tetapi harga nol digeser hingga 0 K. Jadi 0 K = -273,15 oC dan 273,15 K = 0 oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis, bisa ditulis sebagai berikut :
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) – 273,15
Contoh soal 1 :
20 oC = …. K ?
Panduan juawaban….
T = 20 + 273,15 = 293,15 K
Contoh soal 2 :
293,15 K = …. oC ?
Panduan juawaban….
T = 293,15 – 273,15
T = 20 oC
MANTAP
BalasHapus