SUHU DAN KALOR: ANOMALI AIR

Anomali air

Anomali alias keanehan Air

Seperti yang telah gurumuda jelaskan dalam pokok bahasan pemuaian, kebanyakan benda akan memuai (volume benda bertambah) jika suhunya bertambah dan benda menyusut (volume benda berkurang) ketika suhunya berkurang. Air mau beda sendiri… Keanehan air terjadi antara suhu 0 ^oC sampai 4 ^oC.

Antara suhu 0 ^oC sampai 4 ^oC volume air berkurang (air menyusut) seiring bertambahnya suhu. Misalnya jika kita memanaskan air pada suhu 0 ^oC, semakin panas si air, semakin berkurang volumenya. Proses penyusutan akan terhenti ketika air mencapai suhu 4 ^oC. Di atas 4 ^oC, air menjadi benda yang normal lagi. Maksudnya, volumenya akan bertambah (terjadi pemuaian) seiring bertambahnya suhu.

Sebaliknya, air akan memuai (volume air bertambah) ketika mendingin dari 4 ^oC sampai 0 ^oC. Misalnya air kita masukan ke dalam kulkas. Mula-mula suhu air 30 ^oC. Ketika dikurung dalam kulkas, air mulai kedinginan (suhu air menurun). Pada saat suhu air menurun, volume air juga berkurang (air mengalami penyusutan). Nah, ketika mencapai suhu 4 ^oC, air akan memuai (volumenya bertambah). Pemuaian akan terhenti ketika suhunya mencapai 0 ^oC. Volume air juga semakin bertambah ketika ia membeku menjadi es. Sangat berbeda dengan benda lain yang menyusut (volume benda berkurang) ketika benda semakin dingin.

Ingat ya, massa jenis suatu benda akan bertambah ketika benda tersebut menyusut (volume benda berkurang). Sebaliknya, massa jenis benda akan berkurang ketika benda memuai (volume benda bertambah). Ini persamaannya : Massa jenis = massa / volume. Massa benda selalu tetap. Sedangkan volumenya bisa berubah-ubah, tergantung dari suhu. Ketika volume benda berkurang, massa jenisnya akan bertambah. Semakin kecil volume, semakin besar massa jenis benda. Sebaliknya, jika volume benda bertambah, massa jenis benda akan berkurang. Nah,si air khan cuma bisa menyusut (volume air berkurang) sampai suhu 4 ^oC. Karenanya, air memiliki massa jenis paling tinggi pada suhu 4 ^oC. Sampai di sini, ar yu andersten ?

Perhatikan grafik di bawah. Grafik ini menyatakan hubungan antara volume dan suhu air.

Jangan tanya gurumuda, mengapa air kok jadi aneh seperti itu. Anggap saja ini takdir Seandainya antara 0 ^oC sampai 4^oC air tidak berperilaku menyimpang, makhluk hidup yang tinggal di bawah air akan punah ketika musim dingin tiba. Masa sich ?

Ketika musim dingin tiba, udara akan kedinginan (suhu udara menurun). Karena permukaan air danau atau air sungai juga bersentuhan dengan udara, maka air yang ada di permukaan sungai atau danau juga ikut2an kedinginan. Karena suhu air menurun, maka volume air juga berkurang. Karena volume air berkurang, maka massa jenis air bertambah. Air yang ada di permukaan memiliki massa jenis yang lebih besar daripada temannya yag ada di sebelah bawah. Akibatnya, si air yang ada di permukaan terjun bebas ke dasar. Temannya yang ada di sebelah bawah segera meluncur ke atas, menggantikan posisi si air yang tenggelam tadi. Ikan2 yang ada di dasar pada stress… kok tiba2 jadi dingin. Karena kedinginan, ikan2 pun berpelukan… musim dingin tiba, ikan2 makin romantis saja… Proses ini terjadi sampai suhu air mencapai 4 ^oC. Ingat ya, air menyusut (volume air berkurang) hanya sampai 4 ^oC. Karenanya, air memiliki massa jenis paling tinggi pada suhu 4 ^oC.

Ketika suhu air di permukaan sungai atau danau lebih kecil dari 4 ^oC, air yang ada di permukaan memuai (volumenya bertambah). Akibatnya, massa jenis air yang ada di permukaan menjadi kecil. Karena massa jenis air yang ada di permukaan lebih kecil dari massa jenis air yang ada di sebelah bawah, maka air yang ada di permukaan tidak bisa terjun bebas lagi ke bawah. Air yang ada di permukaan tetap berada di atas dan akan membeku duluan seiring dengan menurunnya suhu… Jika suhu udara semakin rendah, temannya yang ada di sebelah bawah ikut2an membeku. Demikian seterusnya… jadi urutan perbekuan dimulai dari atas… Air yang ada di dasar danau atau dasar sungai biasanya tidak membeku, karena suhu tidak sangat dingin. Kecuali kalau di kutub utara atau selatan, semuanya pasti membeku. Karena air yang ada di dasar tidak mendapat jatah es batu, maka ikan2 selamat dari malapetaka musim dingin. Mereka berpelukan ria di dasar sungai atau danau… kata ikan,biar kedinginan asal tidak kejepit es batu

Seandainya air tidak berperilaku menyimpang pada suhu 4 oC, maka ketika musim dingin tiba, semua ikan akan mati karena kejepit es batu. Air yang telah mencapai suhu 4 oC akan mengalami penyusutan, bukan pemuaian. Dalam hal ini, volume air akan berkurang. Ketika volumenya berkurang, massa jenis alias kerapatan air bertambah. Karenanya air akan terjun bebas ke dasar sungai, danau, kolam dkk… Proses ini akan berulang secara terus menerus seiring dengan menurunnya suhu hingga di bawah 4 oC.

Dengan demikian, proses perbekuan akan dimulai dari dasar. Dengan kata lain, bagian dasar sungai, danau, kolam dkk akan penuh terisi es batu… ikan dkk akan kejepit es batu dan menghembuskan napas terakhir… Sudah kedinginan, mati secara menggenaskan pula. Tapi kenyataannya tidak seperti itu… Tuhan pencipta alam semesta melindungi mereka, dengan membuat air berperilaku sedikit menyimpang pada suhu 4 oC… Kalau benda lain makin dingin makin menyusut (volume berkurang), maka air beda sendiri… Ketikasi air kedinginan hingga 4 oC, air bukannya menyusut tetapi malah memuai.

SUHU DAN KALOR: KONDUKSI

Konduksi

Perpindahan Kalor dengan cara Konduksi

Sebelum melangkah lebih dekat, mari kita lakukan percobaan kecil2an. Siapkan sebuah lilin dan sepotong kawat. Tarik napas 100 kali lalu nyalakan lilin tersebut. Pegang salah satu ujung logam lalu sentuhkan ujung logam yang lain ke nyala api. Tunggu selama beberapa saat. Tanganmu kepanasan-kah ? hiks2… mengapa tangan bisa terasa panas ?

Ketika salah satu bagian logam bersentuhan dengan nyala lilin atau nyala api, secara otomatis kalor mengalir dari nyala lilin (suhu tinggi) menuju bagian logam tersebut (suhu rendah). Walaupun hanya salah satu bagian logam yang bersentuhan dengan nyala api, semua bagian logam tersebut akan kepanasan juga. Tanganmu bisa terasa panas, karena kalor mengalir dari logam (suhu tinggi) menuju tanganmu (suhu rendah). Kalor tuh energi yang berpindah. Kita bisa mengatakan bahwa ketika salah satu bagian benda yang bersuhu tinggi bersentuhan dengan benda yang bersuhu rendah, energi berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju bagian benda yang bersuhu rendah.

Nah, karena mendapat tambahan energi maka molekul2 penyusun benda bergerak semakin cepat. Molekul lain yang berada di sebelahnya bergerak lebih lambat karena molekul tersebut tidak bersentuhan langsung dengan benda yang bersuhu tinggi. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik (EK = ½ mv²). Molekul2 yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menumbuk temannya yang ada di sebelah. Karena ditumbuk alias ditabrak oleh temannya, maka molekul2 yang pada mulanya bergerak lambat ikut2an bergerak lebih cepat. Ingat ya, pada mulanya si molekul bergerak lambat (v kecil) sehingga energinya juga kecil (EK = ½ mv²). Setelah bergerak lebih cepat (v besar), energi kinetiknya bertambah. Si molekul tadi menumbuk lagi temannya yang ada di sebelah… temannya yang lagi pacaran pun ikut2an bergerak lebih cepat. Karena v besar, energinya pun bertambah. Demikian seterusnya… mereka saling tumbuk menumbuk, sambil berbagi energi.

Ketika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, terdapat sejumlah kalor yang mengalir dari benda atau tempat yang bersuhu tinggi menuju benda atau tempat yang bersuhu rendah. Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Perlu diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada juga yang kurus (luas penampangnya kecil). Untuk mengetahui secara pasti hubungan antara jumlah kalor yang mengalir melalui suatu benda selama selang waktu tertentu akibat adanya perbedaan suhu, maka kita perlu menurunkan persamaan. Rumus lagi… rumus lagi

Amati gambar di bawah…

Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T₁) sedangkan benda yang terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T₂). Karena adanya perbedaan suhu (T₁ - T₂), kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).

Berdasarkan hasil percobaan, jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T₁ – T₂), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Q = Kalor (satuannya kilokalori (k) atau Joule (J) )

t = Waktu (satuannya sekon (s) )

Q/t = Laju aliran kalor (satuannya kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )

A = Luas penampang benda (Satuannya meter kuadrat (m²) )

T₁ – T₂ = Perbedaan suhu (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (^oC) )

T₁ = Suhu alias Temperatur tinggi (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (^oC) )

T₂ = Suhu alias Temperatur rendah (Satuannya Kelvin (K) atau derajat celcius (^oC) )

l = Panjang benda (satuannya meter (m) )

T₁ - T₂ / l = Gradien suhu (satuannya Kelvin per meter (K/m) atau derajat celcius per meter (^oC/m) )

k = Konduktivitas termal benda

Persamaan konduktivitas termal

Kita oprek persamaan laju aliran kalor di atas untuk memperoleh persamaan konduktivitas termal…

Satuan konduktivitas termal

Kita bisa menurunkan satuan konduktivitas termal dengan mengoprek persamaan konduktivitas termal :

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan C^o, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (sudah dijelaskan pada pokok bahasan Kalor, Kalor Jenis dan Kalor laten).

Ketiga, satuan konduktivitas termal (k) bisa juga ditulis seperti ini :

Joule/sekon = J/s = Watt (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

Berikut ini nilai konduktivitas termal beberapa benda yang diperoleh melalui percobaan.

Jenis benda	Konduktivitas Termal (k)
	J/m.s.Co	Kkal/m.s.Co
Perak	420	1000 x 10-4
Tembaga	380	920 x 10-4
Aluminium	200	500 x 10-4
Baja	40	110 x 10-4
Es	2	5 x 10-4
Kaca (biasa)	0,84	2 x 10-4
Bata	0,84	2 x 10-4
Air	0,56	1,4 x 10-4
Tubuh manusia	0,2	0,5 x 10-4
Kayu	0,08 – 0,16	0,2 x 10-4 – 0,4 x 10-4
Gabus	0,042	0,1 x 10-4
Wol	0,040	0,1 x 10-4
Busa	0,024	0,06 x 10-4
Udara	0,023	0,055 x 10-4

Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).

Tahanan Termal (R)

Para insinyur biasanya menggunakan konsep tahanan termal (R = resistansi termal) untuk menyatakan kemampuan suatu bahan dalam menghambat aliran kalor. Tahanan termal merupakan perbandingan antara ketebalan suatu bahan dengan konduktivitas termal bahan tersebut. Secara matematis bisa dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan :

R = tahanan alias hambatan termal

l = ketebalan bahan

k = konduktivitas termal

Tambahan :

Pada umumnya zat padat merupakan konduktor termal yang baik, sedangkan zat cair dan zat gas merupakan konduktor termal yang buruk. Konduktor termal = penghantar panas alias kalor. Zat cair dan zat gas bisa disebut juga sebagai isolator termal terbaik. Isolator termal = penghambat panas alias kalor.

Penerapan Konduksi dalam kehidupan sehari-hari

Mengapa ubin terasa lebih sejuk daripada karpet ?

Ubin memiliki konduktivitas termal yang lebih besar daripada karpet. Karenanya ubin merupakan penghantar kalor yang bagus, sedangkan temannya si karpet merupakan pernghantar kalor yang buruk. Ketika kita menginjak karpet, kalor mengalir dari kaki menuju karpet. Hal ini terjadi karena suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu karpet. Karena si karpet merupakan penghantar kalor yang buruk maka kalor alias panas yang mengalir dari kaki kita menumpuk di permukaan karpet. Akibatnya permukaan karpet menjadi lebih hangat. Kaki mu pun ikut2an terasa hangat…

Ketika kita menginjak ubin atau keramik, kalor mengalir dari kaki menuju si ubin atau keramik. Karena si ubin merupakan penghantar kalor yang baik maka kalor alias panas yang mengalir dari kaki kita tidak tertahan di permukaan ubin. Kalor mengalir dengan lancar sehingga kaki kita terasa dingin.

SUHU DAN KALOR: KONVEKSI

Konveksi

Selain berpindah tempat dengan cara konduksi, kalor juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain dengan cara konveksi. Konveksi tuh proses berpindahnya kalor akibat adanya perpindahan molekul-molekul suatu benda. Ingat ya, biasanya kalor berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi menuju tempat yang bersuhu rendah. Nah, jika terdapat perbedaan suhu maka molekul2 yang memiliki suhu yang lebih tinggi mengungsi ke tempat yang bersuhu rendah. Posisi molekul tersebut digantikan oleh molekul lain yang bersuhu rendah. Jika suhu molekul ini meningkat, maka ia pun ikut2an mengungsi ke tempat yang bersuhu rendah. Posisinya digantikan oleh temannya yang bersuhu rendah. Demikian seterusnya…

Perlu diketahui bahwa benda yang dimaksudkan di sini adalah zat cair atau zat gas. Walaupun merupakan penghantar kalor (konduktor termal) yang buruk, zat cair dan zat gas bisa memindahkan kalor dengan cepat menggunakan cara konveksi. Contoh zat cair adalah air, minyak goreng, oli dkk. Contoh zat gas adalah udara…

Untuk membantumu memahami perpindahan kalor dengan cara konveksi, gurumuda menggunakan contoh saja…

Proses pemanasan air

Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan. Air yang berada di dalam wadah dipanaskan dengan nyala api yang berasal dari kompor.

Ketika kita memanaskan air menggunakan kompor, kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju dasar wadah (suhu lebih rendah). Karena mendapat tambahan kalor, maka suhu dasar wadah meningkat. Ingat ya, yang bersentuhan dengan nyala api adalah bagian luar dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari bagian luar dasar wadah (yang bersentuhan dengan nyala api) menuju bagian dalam dasar wadah (yang bersentuhan dengan air). Suhu bagian dalam dasar wadah pun meningkat. Karena air yang berada di permukaan wadah memiliki suhu yang lebih kecil, maka kalor mengalir dari dasar wadah (suhu lebih tinggi) menuju air (suhu lebih rendah). Perlu diketahui bahwa perpindahan kalor pada wadah terjadi secara konduksi. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air yang berada di permukaannya juga terjadi secara konduksi.

Adanya tambahan kalor membuat air yang menempel dengan dasar wadah mengalami peningkatan suhu. Akibatnya air tersebut memuai. Ketika memuai, volume air bertambah. Karena volume air bertambah maka massa jenis air berkurang. Kalau bingung, ingat lagi persamaan massa jenis alias kerapatan (massa jenis = massa / volume). Massa air yang memuai tidak berubah, yang berubah hanya volumeya saja. Karena volume air bertambah, maka massa jenisnya berkurang. Berkurangnya massa jenis air menyebabkan si air bergerak ke atas (kita bisa mengatakan air tersebut mengapung). Mirip seperti gabus atau kayu kering yang terapung jika dimasukan ke dalam air. Gabus atau kayu kering bisa terapung karenamassa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air.

Karena bergerak ke atas maka posisi air tadi digantikan oleh temannya yang berada di sebelah atas. Kali ini temannya yang menempel dengan dasar wadah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari dasar wadah menuju temannya. Temannya ikut2an kepanasan juga (suhu meningkat) sehinggamassa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka ia bergerak ke atas. Posisinya digantikan oleh temannya yang berada di sebelah atas. Demikian seterusnya sampai semua air yang berada dalam wadah mendapat jatah kalor. Ingat ya, air yang memiliki suhu yang tinggi tidak langsung meluncur tegak lurus ke atas tetapi berputar seperti yang ditunjukkan pada gambar. Hal ini disebabkan karena temannya yang berada tepat di atasnya memilikimassa jenis yang lebih besar.

Perpindahan kalor pada proses pemanasan air merupakan salah satu contoh perpindahan kalor secara konveksi.

Catatan :

Pertama, proses perpindahan kalor dengan cara konveksi hanya terjadi dalam air. Perpindahan kalor dari dasar wadah menuju air terjadi secara konduksi.

Kedua, seandainya nyala api bersentuhan dengan wadah, maka kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju wadah (suhu lebih rendah) dengan cara konduksi. Sebaliknya, jika nyala api tidak bersentuhan dengan wadah maka kalor mengalir dari nyala api menuju wadah dengan cara radiasi. Mengenai radiasi akan dibahas kemudian.

Ketiga, Jika nyala api cukup besar maka kalor tidak hanya mengalir dari nyala api menuju dasar wadah tetapi juga menuju dinding wadah. Perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara konduksi (apabila nyala api bersentuhan dengan dinding wadah) atau perpindahan kalor bisa terjadi dengan cara radiasi (apabila nyala api tidak bersentuhan dengan dinding wadah).

Keempat, proses pemanasan air menggunakan pemanas listrik juga mirip dengan kasus di atas. Elemen pemanas memiliki suhu yang lebih tinggi sedangkan air yang berada di sekitarnya memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari elemen pemanas menuju air yang menempel dengannya. Perpindahan kalor dari elemen pemanas menuju air terjadi secara konduksi. Sebaliknya, proses perpindahan kalor dalam air terjadi secara konveksi.

Contoh lain dari perpindahan kalor secara konveksi adalah proses terjadinya angin laut dan angin darat

Angin laut

Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

Kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Akibatnya ketika dipanaskan oleh cahaya matahari pada siang hari, kenaikan suhu daratan lebih besar daripada kenaikan suhu air laut. Kalau bingung baca lagi pembahasan gurumuda mengenai kalor, kalor jenis dan kalor laten. Jadi walaupun mendapat jatah kalor yang sama dari matahari, daratan lebih cepat panas (suhu lebih tinggi) daripada air laut (suhu air laut lebih rendah).

Daratan yang sudah kepanasan tadi memanaskan udara yang berada tepat di atasnya sehingga suhu udara pun meningkat. Karena mengalami peningkatan suhu maka udara memuai. Ketika memuai, volumenya bertambah. Akibatnyamassa jenis udara berkurang. Karena massa jenis udara berkurang, maka udara tersebut bergerak ke atas (1). Posisi udara yang bergerak ke atas tadi digantikan oleh udara yang berada di atas permukaan laut. Hal ini disebabkan karenamassa jenis udara yang berada di atas permukaan laut lebih besar. Ketika bergerak ke darat, posisi udara tadi digantikan oleh temannya yang berada tepat di atasnya (2)

Sampai pada ketinggian tertentu, udara panas yang bergerak ke atas mengalami penurunan suhu. Ingat ya, ketika suhu udara menurun, volume udara juga berkurang. Berkurangnya volume udara menyebabkanmassa jenis udara bertambah. Akibatnya, udara yang sudah mendingin tadi meluncur ke bawah untuk menggantikan posisi udara yang kabur dari permukaan laut (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dirimu menyebutnya dengan julukan angin laut. Di sebut angin laut karena udara yang berada di atas permukaan air laut melakukan pengungsian massal menuju darat. Angin laut hanya terjadi pada siang hari… Kalau malam hari kasusnya sudah berbeda.

Angin darat

Ketika malam tiba, daratan lebih cepat dingin daripada air laut. Dengan kata lain, pada malam hari, suhu daratan lebih rendah daripada suhu air laut. Hal ini disebabkan karena kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Walaupun jumlah kalor yang dilepaskan oleh daratan dan air laut sama, tetapi karena kalor jenis daratan lebih kecil daripada kalor jenis air laut, maka penurunan suhu yang dialami oleh daratan lebih besar daripada air laut. Ingat saja rumus Q = (m)(c)(deltaT). Jika bingung berlanjut silahkan pelajari kembali pokok bahasan kalor, kalor jenis dan kalor laten.

Air laut yang memiliki suhu lebih tinggi menghangatkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas permukaan laut meningkat. Peningkatan suhu udara menyebabkan massa jenis udara berkurang sehingga udara bergerak ke atas (1)

Daratan yang memiliki suhu lebih rendah mendinginkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas daratan menurun. Penurunan suhu udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Udara yang berada di atas daratan segera meluncur ke laut (2)

Sampai pada ketinggian tertentu, udara yang bergerak ke atas mendingin (suhunya menurun). Penurunan suhu menyebabkan massa jenis udara bertambah. Si udara pun meluncur ke bawah, menggantikan posisi udara yang meluncur ke laut tadi (3). Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dirimu menyebutnya dengan julukan angin darat. Di sebut angin darat karena udara yang berada di daratan melakukan pengungsian massal menuju laut. Angin darat hanya terjadi pada malam hari

SUHU DAN KALOR: RADIASI

Radiasi

Perpindahan kalor dengan cara Radiasi

Selain berpindah dari tempat yang memiliki suhu lebih tinggi menuju tempat yang memiliki suhu lebih rendah dengan cara konduksi dan konveksi, kalor juga bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Bedanya, perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi membutuhkan medium. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak membutuhkan medium. Dirimu jangan pake bingung dengan istilah medium. Yang dimaksudkan dengan medium adalah benda-benda yang berfungsi sebagai penghantar kalor. Penghantar kalor yang baik menggunakan cara konduksi adalah zat padat. Sedangkan penghantar kalor yang baik menggunakan cara konveksi adalah zat cair dan zat gas. Nah, perpindahan kalor dengan cara radiasi tidak menggunakan penghantar. Kok bisa ya ?…. yupz

Radiasi sebenarnya merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, seperti cahaya tampak (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dll), infra merah dan ultraviolet alias ultra ungu. Mengenai gelombang elektromagnetik akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri.

Salah satu contoh perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah perpindahan kalor dari matahari menuju bumi. Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 K), sedangkan bumi memiliki suhuyang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara matahari dan bumi, maka secara otomatis kalor mengungsi dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara aliasmedium , maka kalor tidak mungkin tiba di bumi. Persoalannya si kalor harus melewati ruang hampa (atau hampir hampa alias kosong melompong). Jika tidak ada sumbangan kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada. Ingat ya, kalor tuh energiyang berpindah. Kehidupan kita di planet bumi sangat bergantung pada energi yang disumbangkan oleh matahari. Nah, energi bisa berpindah dari matahari ke bumi dalam bentuk kalor alias panas.

Contoh lain dari perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah panas yang dirasakan ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang kita rasakan bukan disebabkan oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. Seperti yang telah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan konveksi, biasanya udara yang kepanasan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Akibatnya, udara yang massa jenisnya berkurang tadi meluncur ke atas, tidak meluncur ke arah kita. Mirip seperti asap yang keluar lewat cerobong. Kita bisa merasa hangat atau kepanasan ketika berada di dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah). Dengankata lain, kita bisa merasa hangat atau kepanasan karena adanya energi yang berpindah dengan cara radiasi dari nyala api menuju tubuh.

Perpindahan kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi terjadi ketika benda-bendayang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. Matahari dan bumi tidak saling bersentuhan, tetapi kalor bisa mengungsi dari matahari menuju bumi. Demikian juga nyala api dan tubuh kita tidak saling bersentuhan, tetapi tubuh bisa kepanasan kalau kita berdiri di dekat nyala api.

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi ditemukan sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlak (Skala Kelvin) benda tersebut. Benda yang memiliki luas permukaan yang lebih besar memiliki laju perpindahan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang memiliki luas permukaan yang lebih kecil. Demikian juga, benda yang bersuhu 2000 Kelvin, misalnya, memiliki laju perpindahan kalor sebesar 2⁴ = 16 kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang bersuhu 1000 Kelvin. Hasil ini ditemukan oleh om Josef Stefan pada tahun 1879 dan diturunkan secara teoritis oleh om Ludwig Boltzmann sekitar 5 tahun kemudian. Secara matematisbisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Catatan :

Pertama, kalor merupakan energi yang berpindah. Lebih tepatnya kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Kedua, laju perpindahan kalor = jumlah kalor yang berpindah tempat selama selang waktu tertentu.

Ketiga, kata radiasi bisa berarti pancaran, demikian juga kata meradiasikan bisa berarti memancarkan. Kita menggunakan kata memancarkan karena kalor berpindah tempat menggunakan gelombang elektromagnetik (tidak pake perantara).

Keempat, kata memancarkan dan menyerap tuh artinya berbeda. Kalau memancarkan, berarti kalor ditendang keluar. Tapi kalau menyerap, berarti kalor disedot habis2an.

Kelima, kadang gurumuda pakai istilah perpindahan kalor, kadang pake istilah radiasi energi. Kalor tuh energi yang berpindah. Si kalor bisa berpindah tempat dengan cara radiasi. Karenanya, kita juga bisa menggunakan istilah radiasi energi atau radiasi. Jangan pake bingung… Lanjut ya

Benda yang permukaannya berwarna gelap (hitam pekat, seperti arang) memiliki emisivitas mendekati 1, sedangkan benda yang berwarna terang memiliki emisivitas mendekati 0. Semakin besar emisivitas suatu benda (e mendekati 1), semakin besar laju kaloryang dipancarkan benda tersebut. Sebaliknya, semakin kecil emisivitas suatu benda (e mendekati 0), semakin kecil laju kalor yang dipancarkan. Kita bisa mengatakan bahwa benda yang berwarna gelap (warna hitam dkk) biasanya memancarkan kalor yang lebih banyak dibandingkan dengan benda yang berwarna terang (warna putih dkk).

Besarnya emisivitas tidak hanya menentukan kemampuan suatu benda dalam memancarkan kalor tetapi juga kemampuan suatu benda dalam menyerap kaloryang dipancarkan oleh benda lain. Benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang berwarna gelap) menyerap hampir semua kalor yang dipancarkan padanya. Hanya sebagian kecil saja yang dipantulkan. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) menyerap sedikit kalor yang dipancarkan padanya. Sebagian besar kalor dipantulkan oleh benda tersebut.

Benda yang menyerap semua kalor yang dipancarkan padanya memiliki emisivitas = 1. Benda jenis ini dikenal dengan julukan benda hitam. Dinamakan benda hitam bukan berarti benda tersebut berwarna hitam. Benda hitam sebenarnya merupakan sebuah benda ideal saja. Btw, konsep benda hitam ideal ini penting karena laju radiasi benda ini secara teoritisbisa dihitung. Mengenai benda hitam akan kita oprek dalam pokok bahasan tersendiri.

Berdasarkan ulasan panjang pendek di atas, bisa disimpulkan bahwa benda yang memiliki emisivitas mendekati 1 (benda yang nyaris hitam pekat) merupakan pemancar sekaligus sebagai penyerap kalor yang baik. Sebaliknya, benda yang memiliki emisivitas mendekati 0 (benda yang berwarna terang) merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, setiap benda, apapun itu, selain memancarkan kalor, juga bisa menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda lain. Misalnya terdapat dua benda, sebut saja benda 1 dan benda 2. Benda 1 berada di dekat benda 2. Benda 1 memancarkan kalor, benda 2 juga memancarkan kalor. Nah, selain memancarkan kalor, benda 1 pasti menyerap kalor yang dipancarkan benda 2. Demikian juga sebaliknya, selain memancarkan kalor, benda 2 pasti menyerap kalor yang dipancarkan oleh benda 1. Karenanya untuk menghitung laju total perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 atau benda 2, kita tidak bisa menggunakan persamaan om Stefan-Boltzmann di atas. Persamaan di atas hanya bisa digunakan untuk menentukan laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda (dengan anggapan tidak ada benda lain yang berada di sekitar benda tersebut). Jadi kita perlu mengoprek persamaan di atas untuk memperoleh persamaan yang sesuai dengan kondisi ini. Untuk menurunkan persamaan yang dimaksud, gurumuda tetap menggunakan ilustrasi benda 1 dan benda 2.

Misalnya benda 1 memiliki emisivitas e, suhu T₁ dan luas permukaannya A. Laju perpindahan kalor yang dipancarkan oleh benda 1 sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak T₁, emisivitas e dan luas permukaan A. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

Agar perpindahan kalor bisa terjadi maka harus terdapat perbedaan suhu. Karenanya suhu benda 1 berbeda dengan suhu benda 2. Benda 2 memiliki suhu T₂. Laju kalor yang dipancarkan benda 2 sebanding dengan pangkat empat suhu T₂. Karena kalor yang dipancarkan benda 2 diserap oleh benda 1, maka laju kalor yang diserap benda 1 juga sebanding dengan pangkat empat suhu T₂.

Karena terdapat kalor yang dipancarkan dan kalor yang diserap oleh benda 1, maka laju total kalor yang dipancarkan oleh benda 1 adalah :

Ini persamaan yang kita cari. Persamaan ini digunakan untuk menentukan laju total kalor yang dipancarkan oleh sebuah benda. Yang dimaksudkan dengan laju total kalor adalah selisih antara laju kalor yang pancarkan dan laju kalor yang diserap.

Pemancaran dan penyerapan kalor dengan cara radiasi akan terhenti jika kedua benda tersebut berada dalam keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Jadi apabila T₁ = T₂, maka Q/t = 0.

Apabila kalor yang dipancarkan benda 1 lebih banyak daripada kalor yang diserapnya, maka suhu benda 1 menurun sedangkan suhu benda 2 meningkat. Suhu benda 2 meningkat karena benda 2 menyerap kalor yang dipancarkan benda 1. Sebaliknya, jika kalor yang diserap benda 1 lebih banyak daripada kalor yang dipancarkannya maka suhu benda 1 meningkat sedangkan suhu benda 2 menurun.

Contoh soal 1 :

Sebuah benda berbentuk kubus dengan panjang salah satu sisi kubus = 2 meter. Suhu benda = 100 ^oC dan emisivitas benda = 0,2. Tentukan laju kalor yang dipancarkan benda setiap detik…

Panduan Jawaban :

Suhu benda (T) = 100 ^oC + 273,15 = 373,15 K (suhu benda harus diubah ke dalam skala Kelvin)

Emisivitas (e) = 0,2 (emisivitas tidak punya satuan)

Luas benda (A) = sisi x sisi = 2 m x 2 m = 4 m²

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10^-8 W/m².K⁴

Sekarang kita oprek laju aliran kalor yang dipancarkan benda

Watt = Joule/sekon = J/s (satuan Energi per waktu alias satuan Daya)

1 Watt = 1 Joule/sekon

879,5 Watt = 879,5 Joule/sekon

Benda memancarkan 879,5 Joule per detik.

Contoh soal 2 :

Seorang anak yang lagi bugil alias tidak berpakaian sedang berada dalam sebuah kamar. Luas permukaan tubuh anak tersebut = 2 m², suhu kulitnya = 30 ^oC dan emisivitasnya = 0,8. Jika suhu kamar = 20 ^oC, berapakah laju kalor yang hilang setiap detik dari tubuh si anak ?

Panduan Jawaban :

Suhu anak (T₁) = 30 ^oC + 273,15 = 303,15 K

Suhu kamar (T₂) = 20 ^oC + 273,15 = 293,15 K

Emisivitas (e) = 0,8

Luas tubuh (A) = 2 m²

Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10^-8 W/m².K⁴

Ok, tancap gas….

96,16 Watt = 96,16 Joule/sekon

Laju kalor yang lenyap dari tubuh si anak adalah 96,16 Joule per detik.

Laju kalor yang dipancarkan matahari (Laju radiasi matahari)

Sejak pagi sampai sore, kita selalu kebanjiran kalor dari matahari. Saking baik hatinya matahari, kalor yang disumbangkan kepada kita kadang overdosis sehingga tubuh kita kepanasan. Apalagi orang yang kulitnya agak hitam seperti gurumuda. Wah, kalau siang rasanya dingin sekali… Ok, kembali ke laptop. Seperti biasa, untuk menghitung laju perpindahan kalor dari matahari, tentu saja kita membutuhkan bantuan rumus. Rumus lagi, rumus lagi…. pusink dah

Berdasarkan hasil perhitungan (sesuai dengan kenyataan), ditemukan bahwa terdapat kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi yang mengungsi dari matahari menuju planet bumi di mana dirimu dan diriku berada. Pada hari yang cerah (tidak ada awan), terdapat kalor sebesar 1000 Joule per sekon per meter persegi yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Pada hari yang tidak cerah (banyak awannya), sekitar 70 % kalor diserap oleh atmosfir bumi. Rakus juga ya si atmosfir… Jadi hanya 30 % kalor yang tiba dengan selamat di permukaan bumi. Besarnya kalor yang lenyap di atmosfir bumi tergantung pada banyak atau sedikitnya awan yang menggelayut manja di langit.

Jumlah kalor sebesar 1350 Joule per sekon per meter persegi dikenal dengan julukan konstanta matahari. Karena Joule per sekon (J/s) = Watt, maka kita bisa menulis kembali konstanta matahari menjadi 1350 Watt per meter persegi = 1350 W/m²

Ketika kalor yang dipancarkan oleh matahari tiba di permukaan bumi, kalor tersebut diserap oleh benda hidup dan benda mati yang berada di permukaan bumi. Laju penyerapan kalor bergantung pada emisivitas (e) benda tersebut, luas permukaan benda dan sudut yang dibentuk oleh sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan benda. Untuk memudahkan pemahamanmu, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan.

Secara matematis, laju penyerapan kalor bisa ditulis sebagai berikut :

Keterangan :

Pada siang hari, sinar matahari sejajar atau berhimpit dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi (Sudut yang dibentuk = 0). Amati gambar di bawah…

Karena sudut yang dibentuk = 0^o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju penyerapan kalor (Q/t) bernilai maksimum jika sudut yang dibentuk sinar matahari dengan garis yang tegak lurus permukaan bumi = 0^o (cos 0 = 1). Biasanya ini terjadi pada siang hari, di mana matahari kesayangan kita tepat berada di atas kepala. Jadi tidak perlu heran kalau siang hari rasanya panas sekali.

Pada pagi hari dan sore hari, sudut yang terbentuk mendekati 90^o. Amati gambar di bawah…

Besar sudut yang mendekati 90^o bisa saja 70^o, 75^o, 80^o, 85^o dll. Berdasarkan gambar di atas, sudut yang terbentuk sekitar 80^o (Ini cuma perkiraan kasar saja). Seandainya sudut yang terbentuk adalah 80^o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju kalor (Q/t) pada pagi hari dan sore hari bernilai minimum karena cos teta mendekati nol. Semakin kecil cos teta, semakin kecil laju penyerapan kalor (Q/t). Hal ini yang menjadi alasan mengapa pada pagi hari atau sore hari kita tidak merasa panas.

Pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur, sudut yang terbentuk = 90^o. Amati gambar di bawah…

Karena sudut yang dibentuk = 90^o, maka laju penyerapan kalor adalah :

Laju penyerapan kalor (Q/t) pada saat matahari terbenam di ufuk barat atau hendak terbit di ufuk timur = 0. Jadi tidak ada kalor yang disedot. Ya iyalah, sinar matahari saja tidak ada. Mau disedot apanya…. Pada siang hari matahari baik hati sekali ya, tapi kalau menjelang malam matahari berubah menjadi sangat pelit Kayanya perlu dikasih pelajaran tuh

Penerapan radiasi

Salah satu penerapan perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah termografi. Alatnya dinamakan termograf. Termograf biasa digunakan untuk mendeteksi tumor, kanker dkk. Jalan ceritanya seperti ini… Biasanya proses metabolisme pada bagian tubuh yang ada tumor atau kanker cukup tinggi. Karenanya suhu bagian tubuh tersebut lebih tinggi. Ingat ya, semakin tinggi suhu, semakin banyak kalor yang dipancarkan alias diradiasikan. Nah, tugas si termograf adalah menscan alias mengukur besarnya kalor yang diradiasikan oleh semua bagian tubuh. Bagian tubuh yang memancarkan kalor paling banyak tentu saja pantas dicurigai… Selanjutnya harus dimata-matai, jika sangat membahayakan sebaiknya dipoton.

TEORI KINETIK GAS

Sebelum membahas teori kinetik gas dkk, terlebih dahulu kita pelajari teori atom dan teori kinetik.
Bagaimanapun ini merupakan pengetahuan dasar yang perlu dipahami dengan baik. Selamat bertempur,
semoga dirimu tidak lari terbirit‐birit… he2.… piss….
Teori atom dan Teori kinetik
Teori atom dan teori kinetik. Istilah apa lagi ini, bikin pusink saja. Teori atom dan teori kinetik tuh
semacam kue, enak sekali… terasa lezat dan nikmat di otak… hiks2… Omong soal atom, pasti langsung
ingat bom atom. Hirosima dan nagasaki langsung hancur lebur dalam sekejap, bikin orang jepang pada
stress. Amerika dan kroni2nya senang, Indonesia pun ikut2an senang, lumayan mempercepat
kemerdekaan. Si Dai Nippon ini sudah keterlaluan jadi sekali‐sekali dihajar saja biar kapok. Untung ada
fisika ya…. ;) Btw, sebenarnya atom tuh apa sich ? sejenis roti bakar‐kahMesin Kalor dan Mesin Pendingin

Berdasarkan curhatan Grace Duma yang sampai berulang kali sms, maka saya bahas sedikit mengenai Mesin Kalor (sesuai siklus Carnot) dan Mesin Pendingin.

Mesin kalor dan mesin pendingin menggunakan siklus energi kalor secara spontan dan tidak spontan. Jika mesin kalor kalor menyerap energi dari benda bersuhu tinggi ~ sebab dan benda yang bersuhu rendah akan secara spontan menyerap energi tersebut. Benda bersuhu rendah dinyatakan mempunyai energi sebesar .

Berdasar prinsip mesin pemanas tersebut, maka perhitungan efisiensi mesin panas menjadi :

x 100%

Mengapa dihitung efisiensi ? Berdasarkan pernyataan Clausius, bahwa tidak ada mesin yang menyerap energi seluruhnya kemudian mampu mengubah seluruh energi yang diserap sepenuhnya menjadi kerja/ usaha nah, berdasar pernyataan tersebut maka muncul efisiensi mesin (atau nilai kinerja mesin) yang dinyatakan dengan koefisien yang dibaca “eta”

pertanyaannya mengapa dikurangi ? Karena adalah energi yang diserap mesin pada tandon (reservoir energi) bersuhu tinggi yang akan melepaskan kalor (energi) secara spontan kepada (reservoir atau tandon energi bersuhu rendah) yang berfungsi menyerap energi tersebut.

Sementara mesin pendingin berprinsip, menyerap energi panas dari dalam suatu ruang dan kemudian menyedot dan membuangnya ke lingkungan. Energi yang dibuang ke lingkungan itu suhunya lebih tinggi. Mengapa ? Karena untuk menyedot energi dari dalam ruang diperlukan pompa pengisap sebab energi dari benda bersuhu rendah tidak dapat mengalir secara spontan ! Sehingga energi dalam ruang dinyatakan sebagai
dan energi panas yang dibuang ke luar sistem menuju lingkungan dinyatakan sebagai

Bentuk persamaan efisiensi mesin pendingin (koefisien kinerja mesin pendingin dinyatakan dengan huruf cp atau kk) adalah :

cp = kk = karena selalu lebih besar nilainya dari maka hasil pembagian fungsi tersebut selalu lebih dari angka 1.