[Type text]
GLOSARIUM
Fluida : Suatu zat yang bisa mengalami perubahan bentuknya secara kontinu/terus
menerus bila terkena tekanan/gaya geser walaupun relatif kecil atau
Fluida ideal disebut juga sebagai zat mengalir
Aliran laminer : Fluida yang memiliki ciri-ciri seperti tidak termampatkan (tidak
Aliran turbulen kompresibel), tidak mengalami perubahan volume/massa jenis ketika
Fluida dinamis memperoleh tekanan
Debit Fluida
Azas Kontinuitas : Aliran fluida yang kecepatan aliran pada setiap titik pada fluida berubah
terhadap waktu
Azas Bernoulli
: Aliran berputar atau aliran yang partikel-partikelnya berbeda bahkan
berlawanan arah secara keseluruhan
: Fluida (zat cair atau gas) yang bergerak
: Besaran yang menunjukkan volume fluida yang melalui suatu penampang
setiap waktu
: Ketentuan yang menyatakan bahwa untuk suatu fluida yang tidak
termampatkan dan mengalir dalam keadaan tunak, maka laju aliran
volume di setiap waktu sama besar
: Jumlah tekanan, energi kinetik per satuan volume dan energi potensial per
satuan volume memiliki nilai yang sama di setiap titik sepanjang aliran
fluida ideal
48
PETA KONSEP
FLUIDA Jenis Aliran
DINAMIS Fluida
Debit Fluida Tangki Air
Azas Berlubang
Kontinuitas Pipa
Azas Bernoulli Venturimeter
49 Tabung Pitot
Sayap Pesawat
Terbang
Kompetensi Dasar
3.4. Menerapkan prinsip fluida dinamis dalam teknologi
4.4. Membuat dan menguji proyek sederhana yang menerapkan prinsip dinamisa fluida dan makna
fisisnya
Sumber : https://id.wikihow.com/Memilih-Waktu-Terbaik- Ayo mencari
untuk-Menyiram-Tanaman tahu...!
Sore hari adalah waktu yang tepat untuk
menyiram tanaman bagi orang-orang yang
memiliki tanaman di halaman rumah
maupun kebun. Saat menyiram tanaman di
rumah, orang-orang cenderung akan
menggunakan selang sebagai salah satu alat
bantu.
Untuk tanaman yang dekat dengan posisi
sumber air, selang cenderung dibiarkan
begitu saja tanpa ada perlakukan apapun.
Air yang keluar dari selang biasa saja,
normal dan cenderung kecil. Namun,
bagaimana jika ujung selang kita tutup
sebagian? Bagaimana kondisi air yang
keluar dari lubang selang tersebut? Apakah
sama dengan ketika selang dibiarkan tanpa
perlakuan? Atau adakah perbedaannya?
Bagaimana hal tersebut dapat terjadi jika
ditinjau menurut konsep Fisika?
50
MATERI
A.Pengertian dan Jenis Fluida
Pada pembahasan sebelumnya, Anda telah mempelajari tentang Fluida Statis, yaitu fluida yang
tidak mengalir. Pada pembahasan tersebut, hukum-hukum Fisika tentang fluida dalam keadaan statis
bergantung pada massa jenis dan kedalaman titik pengamatan dari permukaan suatu fluida. Untuk
fluida statis, kita menganalisis suatu fluida yang berada dalam posisi diam atau tidak mengalir.
Selanjutnya pada materi berikut, kita akan membahas jenis fluida berikutnya, yaitu Fluida Dinamis.
Fluida Dinamis adalah fluida yang bergerak, dengan ciri-ciri sebagai berikut :
1. Fluida dianggap tidak kompresibel
2. Fluida dianggap bergerak tanpa gesekan walaupun ada gerakan materi (tidak mempunyai
kekentalan)
3. Aliran fluida adalah aliran stasioner, yaitu kecepatan dan arah gerak partikel fluida melalui
suatu titik tertentu selalu tetap
4. Tak tergantung waktu (tunak) artinya kecepatannya konstan pada titik tertentu dan
membentuk aliran laminer
Perhatikan gambar. Pernahkan Anda melihat asap
yang keluar dari sebatang rokok? Dari gambar terlihat
bahwa mula-mula asap keluar dengan bentuk yang
teratur, namun lama kelamaan bentuk asap yang
keluar menjadi tidak teratur. Aliran yang teratur kita
sebut sebagai aliran laminer, adalah aliran yang
mempunyai bentuk yang lurus dan teratur dengan
kecepatan aliran laminer tidak berubah atau tetap.
Sedangkan untuk aliran yang tidak teratur, kita sebut
sebagai aliran turbulen. Bentuk aliran turbulen tidak
lurus, dapat berupa lingkaran seperti pada gambar,
dengan kecepatan aliran turbulen yang dapat berubah
akibat bentuk alirannya yang tidak teratur.
Perhatikan gambar di samping. Berdasarkan uraian
di atas, bagaimanakah dengan aliran sungai pada
saat jernih dan pada saat terjadi banjir? Manakah
yang termasuk aliran laminar dan aliran turbulen?
Mengapa demikian?
51
B. Debit Fluida
Pada fluida yang bergerak memiliki besaran yang dinamakan debit. Debit adalah laju
aliran air. Besarnya debit menyatakan banyaknnya volume air yang mengalir setiap
detik.
Keterangan :
Q = Debit (m3/s)
3
V = volume (m )
t = waktu (s)
Jika fluida mengalir melalui pipa dengan luas penampang A dan setelah selang waktu
t menempuh jarak L, maka volume fluidanya adalah V = A.L. Sehingga diperoleh :
Keterangan :
Q = Debit (m3/s)
2
A = luas penampang pipa (m )
v = kecepatan alir fluida (m/s)
Contoh Soal 1
Sebuah bak mandi akan diisi dengan air mulai pukul 07.20 WIT s/d pukul 07.50 WIT.
Jika debit air 10 liter/menit, maka berapa literkah volume air yang ada dalam bak
mandi tersebut ?
Pembahasan
Diketahui : t = 30 menit (diperoleh dari 07.50 WIT – 07.20 WIT), Q = 10 liter/menit
Ditanyakan : V = ..?
Jawab :
Rumus Debit
52
C. Azas Kontinuitas
Perhatikan gambar berikut
Pada saat kita menyiram tanaman dengan menggunakan selang dan jarak tanaman jauh
dari ujung selang maka yang kita lakukan adalah memencet ujung selang supaya luas
permukaan ujung selang menjadi semakin kecil. Akibatnya kecepatan air yang
memancar semakin besar disebabkan debit air yang masuk harus sama dengan debit
air yang keluar.
Mari kita meninjau aliran fluida yang melalui sebuah penampang yang tidak
seragam. Misalkan kita mempunyai sebuah selang air yang ukuran diameter pangkal
dan ujungnya berbeda (sebagai analogi selang air yang ujungnya kita tutup dengan
jari), seperti ditunjukkan pada gambar.
Berdasarkan gambar di atas, sejumlah fluida mengalir melalui sebuah penampang
seluas A1 dengan kelajuan v1. Ketika melalui penampang seluas A2, kelajuannya
berubah menjadi v2. Persamaan yang menyatakan hubungan antara luas penampang
dengan kelajuan fluida dinamakan persamaan kontinuitas, dan secara matematis
dituliskan sebagai berikut.
A1v1 = A2v2
dimana: A1 = luas penampang 1
v1 = kelajuan fluida ketika melalui penampang 1
A2 = luas penampang 2
v2 = kelajuan fluida ketika melalui penampang 2
53
Persamaan tersebut menunjukkan bahwa jika penampang pipa lebih besar, maka
kelajuan fluida ketika melalui penampang tersebut lebih kecil, atau sebaliknya ketika
penampang pipa lebih kecil, maka kelajuan fluida ketika melalui penampang tersebut
menjadi lebih besar. Dari persamaan tersebut terlihat bahwa hasil kali laju alir (v)
dengan luas penampang (A) selalu memiliki nilai yang tetap. Hasil kali laju alir dan
luas penampang ini dinamakan debit aliran (Q), dan secara matematis dituliskan
sebagai berikut.
Q = Av
Sehingga persamaan kontinuitas dapat pula dituliskan:
Q1 = Q2
Contoh Soal 2
Sebuah pipa dengan luas penampang 616 cm2 di pasang keran pada ujungnya dengan
jari jari keran 3,5 cm Jika besar kecepatan aliran air dalam pipa 0,5 m/s, maka dalam
waktu 5 menit , berapakah voume air yang keluar dari keran ?
Pembahasan
Diketahui :
2 -4
A1 = 616 cm = 616.10 m, v1 = 0,5 m/s, R2 = 3,5 cm = 0,035 m, t = 5 menit = 300 s
Ditanya : v2 = ...?
Jawab :
Q1 = Q2
v2 = A1.v1.t2
-4
= 616.10 . 0,5 . 300
-2
= 924.10
= 9,24 m3
D. Azas Bernoulli
Perhatikan gambar berikut!
54
Terlihat dalam gambar, seorang petugas pemadam kebakaran hutan sedang berusaha
memadamkan api yang membakar lahan dengan menggunakan selang yang sangat
panjang serta berusaha menempatkan posisi selang sedemikian rupa sehingga dapat
menjangkau titik api yang ingin dia padamkan.
Menurut asas kontinuitas, dikatakan bahwa pada saat aliran fluida melewati sebuah
penampang yang luasnya lebih kecil akan memiliki kecepatan yang lebih tinggi
dibandingkan ketika melewati luas penampang yang lebih besar. Daniel Bernoull
(1700 – 1782), seorang fisikawan dari Swiss memberikan kesimpulan bahwa “pada
fluida yang mengalir dengan kecepatan lebih tinggi akan diperoleh tekanan yang lebih
kecil”. Azas Bernoulli membicarakan pengaruh kecepatan fluida terhadap tekanan di
dalam fluida tersebut.
Bernoulli memberikan sebuah perumusan matematis yang menyatakan hubungan
antara tekanan dalam fluida, kecepatan aliran fluida dan perbedaan ketinggian
penampang adalah tetap. Perumusan matematis ini dinamakan persamaan Bernoulli
dan dituliskan sebagai berikut.
Contoh Soal 3
Air dialirkan melalui pipa seperti pada gambar di atas. Besar kecepatan air pada titik 1,
3 m/s dan tekanannya P1 = 12300 Pa. Pada titik 2, pipa memiliki ketinggian 1,2 meter
lebih tinggi dari titik 1 dan besar kecepatan air 0,75 m/s. Dengan menggunakan azas
Bernoulli, tentukan besar tekanan pada titik 2 !
Pembahasan
Diketahui : V1 = 3 m/s, ρair =1000 kg/m3, v2 = 0,75 m/s, h2 = 1,2 m, P1 = 12.300 Pa
Ditanyakan : P2 = ... ?
Jawab :
P2 = P1 + ½ ρv12 – ½ ρv22 – ρgh2
= 12.300 +½ 1000.32 – ½ 1000. 0,752 – 1000.9,8.1,2
= 4.080 Pa
55
E. Penerapan Azas Bernoulli
Aplikasi Azas Bernaulli banyak ditemui dalam kehidupan sehari hari diantarnya
tangki air berlubang, Venturimeter, tabung pitot dan aliran udara pada sayap pesawat
terbang.
1. Tangki Air Berlubang
Sebuah tabung yang berisikan fluida dengan ketinggian permukaan fluida dari
dasar adalah h, memiliki lubang kebocoran pada ketinggian h2 dari dasar tabung
seperti gambar.
Jika permukaan fluida dianggap sebagai permukaan 1 dan lubang kebocoran
sebagai permukaan 2, maka berdasarkan Azas Bernoulli :
P1 + ½ ρv12 + ρgh1 = P2 + ½ ρv22 + ρgh2
Karena P1 = P2 dan v1 = 0 maka (v1 < v2)
ρgh1 = ½ ρv22 + ρgh2
gh1 = ½ v22 + gh2
½ 2 = gh1 – gh2
v2
2 = 2g(h1 – h2)
v2
v2
dimana :
v2 = besar kecepatan aliran fluida keluar dari lubang (m/s)
g = perceptan gravitasi bumi (m/s2)
h1 = ketinggian fluida dari dasar tabung (m)
h2 = ketinggian lubang kebocoran dari dasar tabung (m)
2. Pipa Venturimeter
Alat ini digunakan untuk mengukur laju aliran suatu cairan dalam sebuah pipa.
Pada dasarnya, alat ini menggunakan pipa yang mempunyai bagian yang
menyempit. Ada dua macam venturimeter, yaitu venturimeter tanpa manometer
dan venturimeter dengan manometer.
a. Venturimeter tanpa manometer
56
Menggunakan Azas Bernoulli, maka :
P1 + ½ ρv12 + ρgh1= P2 + ½ ρv22 + ρgh2
Karena h1 = h2, maka :
P1 + ½ ρv12 = P2 + ½ ρv22
P1 - P2 = ½ ρ(v22 – v12)
Karena P1 – P2 = ρgh dan , maka
√( ) atau √( )
b. Venturimeter dengan manometer
Bila venturimeter dilengkapi dengan manometer (pipa U yang berisi zat cair
lain), maka kecepatan fluida dapat ditentukan dengan persamaan :
()
√
()
dengan :
ρ’ = massa jenis fluida pada manometer (kg/m3)
ρ = massa jenis fluida yang diukur kecepatannya (kg/m3)
h = perbedaan tinggi fluida pada manometer (m)
3. Tabung Pitot
Tabung pitot merupakan alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran suatu
gas atau udara.
Zat cair yang berada pada pipa U mempunyai beda ketinggian h dan massa jenis ρ’.
Bila massa jenis udara yang mengalir adalah ρ dengan kelajuan v, maka :
57
√
Dengan :
v = besar kecepatan aliran udara/gas (m/s)
ρ’ = massa jenis zat cair dalam manometer (kg/m3)
ρ = massa jenis udara/gas 3
(kg/m )
h = selisih tinggi permukaan kolom zat cair dalam manometer (m)
4. Sayap Pesawat Terbang
Gaya angkat pesawat diperoleh karena tekanan di bawah sayap lebih besar dari
pada tekanan di atas sayap, hal itu disebabkan karena perbedaan bentuk sayap
pesawat yang lebih melengkung di bagian bawah pesawat sehingga kecepatan
dibagian bawah sayap lebih kecil dari pada dibagian atas sayap. Desain sayap
pesawat yang berbentuk aerodinamik menyebabkan kelajuan udara di atas sayap v1
lebih besar daripada di bawah sayap v2 , sehingga Dengan menggunakan Azas
Bernoulli untuk sayap pesawat dibagian atas dan sayap pesawat di bagian bawah
dimana tidak terdapat perbedaan ketinggian sehingga energi potensialnya sama-
sama nol, didapat:
P1 + ½ ρv12 = P2 + ½ ρv22
P2 – P1= ½ ρ(v12 – v22 )
Fangkat = F2 -F1 = ½ ρ(v12 – v22 ) A
Dimana:
Fangkat = F2 - F1 = gaya angkat pesawat (N)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luasan sayap pesawat (m2)
v1 = kecepatan aliran udara di atas sayap (m/s)
v2 = kecepatan aliran udara di bawah sayap (m/s)
58
EVALUASI
1. Dibawah ini yang merupakan ciri fluida ideal adalah ….
a. Alirannya termampatkan
b. Alirannya tunak
c. Alirannya turbulen
d. Kental
e. Stabil
2. Besaran pada fluida yang mengalir melalui suatu penampang tertentu, dalam suatu
waktu tertentu, disebut dengan ….
a. Kontinuitas
b. Fluida
c. Debit
d. Aliran turbulen
e. Aliran lunak
3. Suatu pipa mengalirkan air dengan debit 0,2 m3/s. Massa air yang keluar dari pipa
tersebut selama 5 sekon adalah ….
a. 1000 kg
b. 500 kg
c. 400 kg
d. 200 kg
e. 100 kg
4. Suatu jenis fluida dialirkan melalui suatu pipa panjangnya L, mendatar dan luas
penampang ujungnya sebesar A. Jika ujung yang lain luas penampangnya ½ A, maka
yang tidak mempengaruhi kontinuitas fluida tersebut adalah ….
a. Kecepatan aliran fluida
b. Luas penampang pipa
c. Diameter penampang
d. Panjang pipa
e. Ketinggian titik yang diamati
5. Cairan mengalir melalui pipa berdiameter 4 cm pada kelajuan 4 m/s. Pada pipa,
terjadi penyempitan sehingga diameternya menjadi 2 cm. Kecepatan cairan dalam
penyempitan ini adalah ….
a. 8 m/s
b. 16 m/s
c. 24 m/s
d. 32 m/s
e. 40 m/s
6. Suatu cairan dialirkan melalui pipa seperti pada gambar. Air melaju dengan kecepatan
6 m/s pada pipa dengan luas penampang 5 cm2. Jika laju air pada pipa kecil 12 m/s,
maka luas penampang pipa kecil adalah ….
a. 2,5 cm2
b. 4 cm2
59
c. 5 cm2
d. 6 cm2
e. 7,5 cm2
7. Tinggi permukaan air dalam tangki adalah 1 meter. Pada tangki terdapat kebocoran
setinggi 20 cm dari dasar tangki. Kecepatan aliran pada titik kebocoran adalah ….
a. 8 m/s
b. 6 m/s
c. 4 m/s
d. 2 m/s
e. 10 m/s
8. Tinggi permukaan air dalam tangki adalah 1 meter. Pada tangki terdapat kebocoran
setinggi 20 cm dari dasar tangki. Jarak jatuhnya air dari tangki adalah ….
a. 1,2 meter
b. 1 meter
c. 0,8 meter
d. 0,6 meter
e. 0,4 meter
9. Perhatikan data berikut.
(1) Venturimeter
(2) Pompa hidrolik
(3) Gaya angkat sayap pesawat
(4) Balon udara yang mengudara
Alat-alat yang berkaitan dengan penerapan konsep Hukum Bernoulli ditunjukkan oleh
nomor ….
a. (1) dan (2)
b. (1) dan (3)
c. (2) dan (4)
d. (1), (2), dan (3)
e. (2), (3), dan (4)
10. Perhatikan gambar. Sayap pesawat terbang
dirancang agar memiliki gaya angkat ke atas
maksimal. Jika vA adalah kecepatan aliran udara di
atas sayap dan vB adalah kecepatan aliran udara di
bawah sayap, serta PA adalah tekanan udara di atas
sayap dan PB adalah tekanan udara di bawah sayap,
maka sesuai dengan azas Bernoulli, rancangan
tersebut dibuat agar ….
a. vA > vB sehingga PA > PB
b. vA > vB sehingga PA < PB
c. vA < vB sehingga PA > PB
d. vA < vB sehingga PA < PB
e. vA > vB sehingga PA = PB
60
[Type text]
GLOSARIUM
Suhu : derajat panas atau dingin suatu benda yang dirasakan indera
Kalor
Kalor jenis : proses transfer energi dari suatu zat ke zat lainnya dengan diikuti
Kalor laten perubahan suhu
Koefisien muai panjang
Kapasitas kalor : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat
Azas Black sebesar 1 K
Konduksi : kalor yang dibutuhkan benda untuk mengubah wujudnya per satuan
Konveksi massa
Radiasi
: perbandingan antara pertambahan panjang zat dengan panjang mula-
mula zat, untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu
: jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan jika suhu benda
tersebut dinaikkan atau diturunkan 1 K atau 1 0C
: pada percampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang
suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima
zat yang suhunya lebih rendah
: peristiwa perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai dengan
perpindahan partikel-partikelnya
: perambatan kalor yang disertai perpindahan massa atau perpindahan
partikel-partikel zat perantaranya, seperti partikel udara
: perpindahan kalor pada suatu zat tanpa melalui zat perantara
62
63
Kompetensi Dasar
3.5. Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor yang meliputi karakteristik termal
suatu bahan, kapasitas dan konduktivitas kalor pada kehidupan sehari-hari
4.5. Merancang dan melakukan percobaan tentang karakteristik termal suatu bahan, terutama
terkait dengan kapasitas dan konduktivitas kalor, beserta presentasi hasil percobaan dan
pemanfaatannya
MATERI
Dalam keseharian, kita sering menemukan atau merasakan suatu keadaan “panas” atau
“dingin”. Es kita ketahui lebih dingin dibandingkan benda-benda yang ada disekitarnya.
Sebaliknya, api lebih panas dibandingkan dengan benda-benda lainnya. Keadaan panas dan
dinginnya suatu benda dinyatakan dalam suatu besaran yang dinamakan suhu. Akan tetapi,
keadaan panas atau dingin suatu benda ini memunculkan pengertian yang relatif, artinya
setiap orang memiliki standar yang berbeda-beda. Oleh karena itu perlu dibuat standar dalam
menentukan derajat panas atau dingin, sehingga penting untuk mengetahui besaran suhu
melalui alat pengukuran suhu atau disebut dengan termometer.
Ketika kita berada dekat benda yang panas, pada dasarnya terjadi perpindahan kalor dalam
bentuk radiasi benda panas tersebut ke tubuh kita, sehingga kita merasakan panas melalui
kulit. Perubahan keadaan dari panas menjadi dingin atau sebaliknya, selalu berkaitan dengan
adanya perpindahan panas atau kalor. Pada pembelajaran kali ini akan kita pelajari
bagaimana pengaruh suhu terhadap perubahan wujud suatu benda, juga mengenai bagaimana
proses yang terjadi pada perpindahan kalor.
A. SUHU
Suhu merupakan ukuran atau derajat panas atau dinginnya suatu benda atau sistem. Suhu
didefinisikan sebagai suatu besaran fisika yang dimiliki bersama antara dua benda atau
lebih yang berada dalam kesetimbangan termal. Suatu benda yang dalam keadaan panas
dikatakan memiliki suhu yang tinggi, dan sebaliknya, suatu benda yang dalam keadaan
dingin dikatakan memiliki suhu yang rendah. Perubahan suhu benda, baik menjadi lebih
panas atau menjadi lebih dingin biasanya diikuti dengan perubahan bentuk atau
wujudnya. Misalnya, perubahan wujud air menjadi es batu atau uap air karena pengaruh
panas atau dingin.
Untuk mengkuantitatifkan besaran suhu dan menyatakan seberapa tinggi atau rendahnya
nilai suhu suatu benda diperlukan pengukuran yang dinamakan termometer. Secara
64
umum, dilihat dari hasil tampilannya, ada dua jenis termometer yang biasa kita kenal
yaitu termometer analog dan termometer digital. Termometer analog yang banyak kita
jumpai umumnya merupakan termometer zat cair (termometer raksa atau termometer
alkohol), sedangkan untuk termometer digital umumnya menggunakan sensor elektronik.
Terdapat 4 skala suhu yang digunakan pada termometer dintaranya Celcius (oC), Reamur
(oR), Fahrenheit (oH) dan Kelvin (K).
Konversi antara 4 skala tersebut ditunjukkan oleh tabel berikut :
Skala Celcius dan Fahrenheit banyak kita temukan di kehidupan sehari hari, sedangkan
skala suhu yang ditetapkan sebagai Satuan Internasional adalah Kelvin. Berikut
gambaran mengkonversi suhu pada 2 termometer yang berbeda secara umum
dituliskan:
65
Contoh soal
Suhu udara dalam suatu ruangan 95oF. Nyatakan suhu tersebut dalam Kelvin!
Jawab
Konversi Fahrenheit ke kelvin
( )
()
K = 35 + 273
K = 308 K
B. KALOR
Banyak fenomena dalam keseharian yang berkaitan dengan konsep kalor. Salah satunya
adalah ketika kita menyentuhkan balok besi A yang lebih panas dengan balok besi B
yang lebih dingin, seperti pada gambar, maka lama kelamaan suhu balok A turun
menjadi lebih dingin dan balok B suhunya naik menjadi lebih panas dari sebelumnya.
Mengapa terjadi demikian?
Ketika kedua balok disentuhkan, ada “sesuatu” yang mengalir dari balok A yang
suhunya lebih tinggi ke balok B yang suhunya lebih rendah. Para ahli Fisika menamai
“sesuatu” itu dengan istilah “Kalor”. Jadi ketika balok A dan B disentuhkan, ada kalor
yang mengalir dari A ke B. Karena balok A kehilangan sebagian kalornya, maka
suhunya turun. Sebaliknya, balok B mendapat tambahan kalor, sehingga suhunya naik.
Setelah kedua balok itu suhunya sama, tidak terjadi lagi perpindahan kalor. Keadaan
demikian disebut keseimbangan termal.
Kalor merupakan besaran fisika yang sangat penting. Keberadaannya tidak dapat diamati
secara langsung, tetapi dapat diamati dari gejalanya, seperti suhu benda naik atau turun,
atau benda yang berubah wujud. Kalor tersebut merupakan salah satu bentuk energi,
satuannya dalam SI adalah Joule (J), dengan lambang besarannya adalah Q.
1. Kapasitas Kalor dan Kalor Jenis
Bila kepada dua benda yang berbeda diberikan kalor dalam jumlah yang sama, maka
hasilnya akan berbeda. Misalnya, kalor satu juta kilojoule diberikan pada air satu
tangki dan sebuah paku. Jumlah air yang sangat banyak, mengakibatkan air menjadi
sedikit hangat, tetapi paku menjadi merah membara. Perbedaan dua benda ini
66
disebabkan karena kapasitas kalornya berbeda. Kapasitas kalor (C) sebuah benda
menyatakan tentang jumlah kalor (Q) yang dibutuhkan benda itu agar suhunya naik
sebesar ΔT. Secara umum persamaan kapasitas kalor adalah :
dengan Q adalah jumlah kalor yang diberikan dalam satuan Joule dan ΔT adalah
perubahan kenaikan suhu dalam satuan Kelvin.
Dalam praktek sehari-hari ketika kita memanaskan air, semakin banyak kalor yang
kita berikan maka suhu air akan semakin naik. Berarti Q sebanding dengan
perubahan suhunya. Demikian pula ketika semakin banyak air yang kita masak, maka
semakin banyak kalor yang dibutuhkan. Kedua perbandingan tersebut dapat
dinyatakan dalam suatu persamaan :
Dimana c adalah kalor jenis dengan satuan J/kg K. Dari kedua persamaan tersebut,
diperoleh hubungan antara kapasitas kalor dan kalor jenis zat, sebagai berikut :
Pada prakteknya, sangat sukar untuk memperoleh nilai kalor jenis yang akurat. Hal
ini disebabkan oleh :
a. Sejumlah kalor yang diberikan pada suatu benda, sebagian diserap oleh
lingkungan sekitarnya
b. Jika benda berbentuk cairan, maka harus menggunakan bejana, sedangkan bejana
ini sendiri juga akan menyerap kalor yang diberikan.
Cara sederhana untuk mengukur kalor jenis adalah dengan memberikan sejumlah
kalor yang diketahui melalui alat yang disebut Joulemeter, yang dihubungkan ke
pemanas listrik. Semakin besar nilai kalor jenis suatu zat, semakin banyak kalor yang
dibutuhkan untuk menaikkan/menurunkan suhu zat tersebut (dalam 0C) per 1 kg nya
(semakin besar kalor jenis suatu benda, maka semakin besar pula kemampuan benda
tersebut dalam menyerap kalor).
2. Pengaruh Kalor terhadap Suhu Zat
Pengertian kalor tidak sama dengan pengertian suhu. Tetapi keduanya saling
berhubungan. Air yang diberi kalor, suhunya akan naik. Sebaliknya, air yang melepas
kalor, suhunya akan turun. Jadi pengaruh kalor terhadap suhu zat adalah kalor
tersebut dapat menyebabkan naik atau turunnya suhu zat itu. Akan tetapi tidak berarti
zat yang suhunya tinggi mengandung kalor yang lebih banyak.
Berdasarkan fakta eksperimen, semakin besar kalor yang diberikan maka semakin
besar pula kenaikan suhunya. Semakin besar massa benda, semakin banyak kalor
67
yang dibutuhkan untuk menaikkan suhunya. Berdasarkan fakta tersebut dapat
dituliskan dalam persamaan, sebagai berikut :
dengan :
Q = kalor yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu benda (kalori atau Joule)
m = massa benda (kg)
c = kalor jenis benda (J/kg0C)
ΔT = perubahan suhu (0C)
3. Pengaruh Kalor terhadap Wujud Zat
Kalor yang diberikan pada suatu zat dapat mengubah wujud zat tersebut. Perubahan
wujud yang terjadi ditunjukkan oleh gambar dibawah. Ada tiga wujud benda, yang
dimana setiap perubahannya dibutuhkan kalor, baik untuk diserap maupun dilepas.
Kalor yang diperlukan atau dilepaskan per satuan massa pada saat terjadinya
perubahan fase atau wujud zat, disebut kalor laten.
dengan :
L = kalor laten (J/kg)
Q = kalor yang diserap atau dilepas (Joule)
m = massa benda (kg)
Contoh soal
1. Air sebanyak 3 kg bersuhu 100C dipanaskan hingga bersuhu 350C. Jika kalor jenis
4.186 J/kg0C, tentukan kalor yang diserap air tersebut!
Diketahui :
m = 3 kg
ΔT = 35 -10 = 25 0C
c = 4.186 J/kg0C
68
Ditanyakan : Q = ...?
Penyelesaian :
Q = m.c. ΔT
= 3 . 4186 . 25
= 313.950 J
2. Air sebanyak 100 gram bersuhu 70 0C disiramkan pada balok es bersuhu 0 0C hingga
semua es melebur. Jika kalor lebur es 0,5 kkal/kg dan kalor jenis air 1 kkal/kg 0C,
tentukan massa es yang melebur.
Diketahui :
mair = 100 g = 0,1 kg, Tair = 40 oC, Cair = 1 kkal.kg-1, Lb = 0,5 kkal.kg-1
Ditanyakan : mes ... ?
Penyelesaian :
Dalam kasus ini, air melepaskan kalor dan es menerima kalor, suhu air sama dengan
suhu es yakni 0 oC.
Qair = Qes
mair cair ∆T = mes Lb
0,1 × 1 × (40 – 0) = mes × 0,5
0,5 x mes = 4
mes = 8 kg
4. Azas Black
Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh
Joseph Black. Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut:
“Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih
tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah”.
Energi selalu kekal sehingga benda yang memiliki temperatur lebih tinggi akan
melepaskan energi sebesar QL dan benda yang memiliki temperatur lebih rendah
akan menerima energi sebesar QT dengan besar yang sama.
Secara matematis, pernyataan tersebut dapat ditulis sebagai berikut.
Q lepas = Q terima
Keterangan:
QLepas = jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat (Joule)
QTerima = jumlah kalor yang diterima oleh zat (Joule)
Besarnya kalor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
Q = mc∆T
69
Ketika menggunakan persamaan ini, perlu diingat bahwa temperatur naik berarti zat
menerima kalor, dan temperatur turun berarti zat melepaskankalor, maka
QLepas = QTerima
m1c1∆T1 = m2c2∆T2
dengan ∆T1 = T – Takhir dan ∆T2 = Takhir – T, sehingga :
m1c1(T1 – Tc) = m2c2(Tc – T2)
Keterangan:
m1 = massa benda 1 yang suhunya tinggi (kg)
m2 = massa benda 2 yang suhunya rendah (kg)
c1 = kalor jenis benda 1 (J/kgoC)
c2 = kalor jenis benda 2 (J/kgoC)
T1 = suhu mula-mula benda 1 (oC atau K)
T2 = suhu mula-mula benda 2 (oC atau K)
Tc = suhu akhir atau suhu campuran (oC atau K)
Contoh soal
Air bermassa 200 gram bersuhu 30°C dicampur air mendidih bermassa 100
gram dan bersuhu 90°C. (Kalor jenis air = 1 kal.gram−1°C−1). Suhu air campuran
pada saat keseimbangan termal adalah….
Pembahasan
Diketahui :
kma1l.g=ra2m00−1°gCra−m1 = 0,2 kg, T1 = 30oC, T2 = 100oC, m2 = 100 gram = 0,1 kg, c = 1
Ditanyakan : Tc = ..?
Jawab :
Q lepas = Q terima
m2.c.ΔT = m1.c.ΔT
0,1.(90 – Tc) = 0,2 . (Tc – 30)
45-0,5 Tc = Tc -30
75 = 1,5 Tc
Tc = 50 oC
70
C. PEMUAIAN ZAT
Gambar diatas menunjukkan gambar sambungan antar rel kereta api yang dibuat agak
renggang untuk memberi ruang saat rel mengalami pemuaian. Pemuaian zat umumnya
terjadi ke segala arah, ke arah panjang, ke arah lebar dan ke arah tebal. Namun, pada
pembahasan tertentu mungkin kita hanya memandang pemuaian ke satu arah tertentu,
misalnya ke arah panjang, sehingga kita hanya hanya membahas pemuaian panjang.
1. Pemuaian Zat Cair
Pada umumnya setiap zat memuai jika dipanaskan, kecuali air jika dipanaskan dari
0oC sampai 4oC akan menyusut. Sifat keanehan air seperti itu disebut anomali air.
Grafik anomali air seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini.
Keterangan:
Pada suhu 4oC diperoleh :
1) Volume air terkecil
2) Massa jenis air terbesar
Karena pada zat cair hanya mengalami pemuaian volume, maka pada pemuaian zat
cair hanya diperoleh persamaan berikut.
Vt = V0(1 + γ∆T)
∆V = γV0∆T
Tabel Koefisien Muai Ruang Zat Cair untuk Beberapa Jenis Zat dalam Satuan K
No. Jenis Zat Cair Koefisien
1. Alkohol muai Panjang
0,0012
2. Air 0,0004
3. Gliserin 0,0005
4. Minyak parafin 0,0009
5. Raksa 0,0002
71
2. Pemuaian Zat Padat
a. Pemuaian Panjang
Untuk pemuaian panjang digunakan konsep koefisien muai panjang atau
koefisien muai linier yang dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara
pertambahan panjang zat dengan panjang mula-mula zat, untuk tiap kenaikan
suhu sebesar satu satuan suhu.
Jika koefisien muai panjang dilambangkan dengan α dan pertambahan panjang
ΔL, panjang mula-mula L0 dan perubahan suhu ΔT maka koefisien muai panjang
dapat dinyatakan dengan persamaan:
α= ∆
.∆
Sehingga satuan dari α adalah 1/K atau K-1. Dari persamaan di atas, diperoleh
pula persamaan berikut.
ΔL = α L ΔT
Dimana:
∆L = Lt – L0,
Lt – L0 = αL0∆T
Lt = L0 + αL0∆T
Lt = L0 (1+ α∆T)
Keterangan:
Lt = panjang benda saat dipanaskan (m)
L0 = panjang benda mula-mula (m)
α = koefisien muai linear/panjang (/oC)
∆T= perubahan suhu (oC)
Tabel Koefisien Muai Panjang dariBeberapa Jenis Zat Padat
Jenis Bahan Koefisien muai Panjang
(dalam K-1)
Kaca
Baja/besi 0,000009
0,000011
Aluminium 0,000026
Pirex (Pyrex) 0,000003
Platina 0,000009
Tembaga 0,000017
72
b. Pemuaian Luas
Jika zat padat mempunyai 2 dimensi (panjang dan lebar), kemudian dipanasi
tentu baik panjang maupun lebarnya mengalami pemuaian atau dengan kata lain
luas zat padat tersebut mengalami pemuaian. Koefisien muai pada pemuaian luas
ini disebut dengan koefisien muai luas yang diberi lambang β Analog dengan
pemuaian panjang, maka jika luas mula-mula A0, pertambahan luas ΔA dan
perubahan suhu ΔT, maka koefisien muai luas dapat dinyatakan dengan
persamaan:
Dari persamaan di atas, diperoleh pula persamaan berikut
ΔA = β A ΔT
Dimana ∆A = At – A0, sehingga persamaan menjadi:
At – A0 = βA0∆T
At = A0 + βA0∆T
At = A0 (1+ β∆T)
Nilai β = 2α sehingga persamaan diatas dapat juga ditulis sebagai berikut.
At = A0 (1+ 2α∆T)
Keterangan:
At = luas benda saat dipanaskan (m2)
A0 = luas benda mula-mula (m2)
β = 2α = koefisien muai luas (/oC)
∆T = perubahan suhu (oC)
c. Pemuaian Volume
Zat padat yang mempunyai bentuk ruang, jika dipanaskan mengalami pemuaian
volume. Koefisien pemuaian pada pemuaian volume ini disebut dengan koefisien
muai volume atau koefisien muai ruang yang diberi lambang γ. Jika volume
mula-mula V0, pertambahan volum ΔV dan perubahan suhu ΔT, maka koefisien
muai volume dapat dinyatakan dengan persamaan:
Dari persamaan di atas, diperoleh pula persamaan berikut.
ΔV = γVoΔT
Dimana ∆V = Vt – V0, sehingga menjadi:
Vt – V0 = γV0∆T
Vt = V0 + γV0∆T
Vt = V0 (1+ γ∆T)
73
Nilai γ = 3α sehingga persamaan diatas dapat juga ditulis sebagai berikut.
Vt = V0 (1+ 3α∆T)
Keterangan:
Vt = luas benda saat dipanaskan (m3)
V0 = luas benda mula-mula (m3)
γ = 3α = koefisien muai volume (/oC)
∆T = perubahan suhu (oC)
D. PERPINDAHAN KALOR
Kalor dapat berpindah karena adanya perbedaan suhu. Kalor pada suatu benda dapat
berpindah dari suatu benda yang suhunya tinggi ke benda lain yang suhunya rendah.
Fenomena perpindahan kalor ini dapat dengan mudah dijumpai dalam kehidupan sehari-
hari, misalnya pada saat memasak, api yang mengenai bagian dasar panci akan menyebar
ke seluruh bagian permukaan panci dan bahan makanan yang ada di dalamnya.
Berbicara mengenai perpindahan kalor, maka kita mengenal setidaknya ada tiga cara
terjadinya perpindahan kalor, yaitu melalui cara konduksi, cara konveksi, dan cara
radiasi.
1. Konduksi
Gambar tersebut menunjukkan sebuah batang logam yang salah satu ujungnya
dipanaskan di atas api sementara ujung yang satu lagi dipegang tangan. Panas yang
terjadi di ujung logam yang dipanaskan di atas api dirasakan juga oleh tangan yang
memegang ujung logam yang lainnya. Ini membuktikan adanya aliran kalor (panas)
pada logam.
Peristiwa perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai dengan perpindahan
partikel partikelnya disebut konduksi. Jumlah kalor yang dipindahkan per satuan
waktu, secara matematis dituliskan:
74
Keterangan :
H = jumlah kalor yang merambat tiap satuan waktu = laju aliran kalor (J s-1)
k = koefisien konduksi termal (J m-1s-1K-1)
A = luas penampang batang (m2)
L = panjang batang (m)
ΔT = perbedaan suhu antara kedua ujung batang (K)
Contoh Soal
Batang logam dengan panjang 2 meter memiliki luas penampang 20 cm2 dan
perbedaan suhu kedua ujungnya 50oC. Jika koefisien konduksi termal 0,2 kal m-1s-1
oC-1, tentukan laju aliran kalor !
Pembahasan
Diketahui :
L=2m
A = 20 cm2 = 20.10-4m2
k = 0,2 kal m-1s-1oC-1
ΔT = 50oC
Ditanyakan : H = ...?
Jawab :
H = 0,2. 20.10-4.
H = 0,01 kal s-1
2. Konveksi
Saat kalian merebus air maka akan terjadi aliran (perpindahan ) kalor dari air yang
panas dibagian bawah dengan air yang dingin dibagian atas wadah. Peristiwa
perpindahan kalor yang disertai perpindahan massa atau perpindahan partikel partikel
zat perantaranya disebut dengan aliran kalor secara konveksi. Laju kalor secara
konveksi , secara matematis dapat dirumuskan:
H = h A ΔT
75
Dengan
H = laju perpindahan kalor (J s-1)
H = koefisen konveksi termal (J s-1 m-2 K-1)
A = luas permukaan (m2)
ΔT = perbedaan suhu (K)
Contoh Soal
Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,01 kal m-1s-1oC-1, memiliki luas
penampang aliran 20 cm2. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu
100oC ke dinding lainnya yang bersuhu 20oC dan kedua dinding sejajar, berapakah
besar kalor yang dirambatkan ?
Pembahasan
Diketahui :
h = 0,01 kal m-1s-1 oC-1, A = 20 cm2 = 20.10-4 m2, ΔT= 100 – 20 = 80 oC
Ditanyakan : H = ...?
Jawab :
H = hA ΔT
= 0,01 . 20.10-4 .80
= 1,6 . 10-3 kal s-1
3. Radiasi
Saat kalian berkumpul di sekitar api unggun, akan dirasakan panas dari api yang
menyala. Peristiwa perpindahan kalor tanpa zat perantara disebut dengan radiasi.
Besar laju aliran kalor secara matematis dirumuskan :
Dengan
Q = Kalor yang dipancarkan (J)
T = suhu mutlak (K)
e = emisivitas bahan
σ = tetapan Boltzman = 5,67 . 10-8 W m-1 K -4
2
A = luas penampang benda (m )
76
EVALUASI
Pilihlah satu jawaban yang paling tepat
1. Suhu suatu zat 212 0C. Suhu mutlak zat tersebut dalam skala Kelvin adalah . . . .
a. 485 K
b. 453 K
c. 391 K
d. 373 K
e. 100 K
2. Di bawah ini perbandingan nilai yang benar antara skala Celcius dengan Fahrenheit
adalah . . . .
a. 4 : 5
b. 9 : 5
c. 5 : 9
d. 5 : 4
e. 9 : 4
3. Skala-skala di bawah ini adalah skala pada termometer, kecuali . . . .
a. Mutlak
b. Celcius
c. Reamur
d. Fahrenheit
e. Kelvin
4. Pemuaian suatu zat dipengaruhi oleh . . . .
a. Massa zat
b. Volume zat
c. Perubahan kalor
d. Luas permukaan
e. Kenaikan suhu
5. Sebuah gelas kaca memiliki koefisien muai panjang 9 x 10-6 /C0. Pada suhu 25 0C,
gelas dapat menampung 120 mL air. Pada suhu 40 0C, berapakah air yang dapat
ditampung?
a. 120 mL
b. 122,358 mL
c. 121,0486 mL
d. 121,2873 mL
e. 120,0486 mL
6. Energi yang dapat berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah
disebut dengan . . . .
a. Kalor
b. Suhu
c. Radiasi
d. Konduksi
e. Konveksi
77
7. Jumlah kalor yang dilepas benda bersuhu tinggi sama dengan jumlah kalor yang
diterima benda bersuhu rendah. Hal tersebut merupakan bunyi dari . . . .
a. Hukum Newton
b. Hukum Pascal
c. Hukum Archimedes
d. Azas Black
e. Hukum Snellius
8. Jika 75 gram air bersuhu 00C dicampur dengan 50 gram air yang suhunya 1000C,
maka suhu akhir campuran itu adalah . . . 0C.
a. 25
b. 40
c. 60
d. 65
e. 75
9. Air sebanyak 60 gram bersuhu 90°C (kalor jenis air = 1 kal.g-'.2C-1) dicampur 40
gram air sejenis bersuhu 25°C. Jika tidak ada faktor lain yang mempengaruhi
proses ini, maka suhu akhir campuran adalah . . . .
a. 77,0 oC
b. 64,0 oC
c. 46,0 oC
d. 23,0 oC
e. 15,4 oC
10. Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur . . . .
a. Suhu benda
b. Volume benda
c. Kalor benda
d. Massa benda
e. Kecepatan benda
11. Bila kalor jenis air 4200 J/kg K, berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu 3 kg air dari 10 0C menjadi 27 0C ?
a. 215200 Joule
b. 214200 Joule
c. 213200 Joule
d. 212000 Joule
e. 210000 Joule
12. Berikut ini yang bukan peristiwa perubahan fase adalah . . . .
a. Mencair
b. Menguap
c. Membeku
d. Mengembun
e. Membekas
78
13. Benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik disebut dengan . . . .
a. Isolator
b. Konduktor
c. Resistor
d. Radiasi
e. Konduksi
14. Jika anda memarkirkan motor pada tempat terbuka di siang hari, jok motor akan
terasa panas. Hal tersebut merupakan contoh peristiwa perpindahan kalor secara . . . .
a. Konduksi-radiasi
b. Radiasi-konveksi
c. Konveksi
d. Radiasi
e. Konduksi
15. Contoh peristiwa perpindahan kalor secara radiasi adalah . . . .
a. Pancaran sinar matahari
b. Air mendidih
c. Aliran asap pabrik
d. Pengering rambut
e. Terjadinya angin laut
16. Pada siang hari, pakaian yang lebih menyerap panas adalah pakaian yang
berwarna . . . .
a. Biru
b. Kuning
c. Abu-abu
d. Hitam
e. Putih
17. Dua batang A dan B memiliki ukuran yang sama tetapi berasal dari jenis logam yang
berbeda dihubungkan satu sama lain. Jika koefisien konduksi termal A adalah 2 kali
koefisien konduksi termal B, maka suhu pada bidang batas A dan B adalah . . . .
a. 750 C 750 A
b. 600 C B 00
c. 550 C
d. 500 C
e. 400 C
18. Air sebanyak 60 gram bersuhu 90°C (kalor jenis air = 1 kal.g-'.2C-1) dicampur 40
gram air sejenis bersuhu 25°C. Jika tidak ada faktor lain yang mempengaruhi
proses ini, maka suhu akhir campuran adalah . . . .
a. 77,0 oC
b. 64,0 oC
c. 46,0 oC
d. 23,0 oC
e. 15,4 oC
79
19. Batang logam mengalami pertambahan panjang 8x10-3 m. Jika koefisien muai
panjang logam 2x10-5 /0C dan batang logam tersebut telah dipanaskan sampai 100 0C,
panjang batang mula-mula adalah . . . .
a. 20 cm
b. 30 cm
c. 35 cm
d. 40 cm
e. 45 cm
Jawaban : C
20. Saat sore hari, Denis membuat kopi. Ia menuangkan air mendidih ke dalam gelas
yang berisi kopi. Tiba-tiba gelas tersebut pecah seperti gambar. Hal ini disebabkan
oleh ....
a. Kalor jenis gelas bagian dalam dan bagian luarnya menjadi tidak seimbang
b. Daya serap kalor oleh dinding gelas bagian dalam lebih besar daripada bagian
luarnya
c. Dinding gelas bagian dalam sudah memuai sedangkan dinding gelas bagian
luar belum memuai
d. Tekanan air panas dan tekanan udara pada dinding gelas bagian dalam dan
luar menjadi tidak seimbang
e. Daya serap kalor oleh dinding bagian luar lebih besar daripada bagian
dalamnya
Jawaban : C
80
TEORI
KINETIK GAS
Karakteristik Prinsip
Gas Ideal Ekuipartisi
Energi
Gas Gas
Monoatomik Diatomik
Isotermal Isobarik Isokhorik
Hukum Hukum Hukum
Boyle Gay Gay
Lusaac Lusaac
82
GLOSARIUM
Teori Kinetik Gas : teori yang menjelaskan tingkah laku gas berdasarkan tinjauan
makroskopik gas, seperti tekanan, suhu, dan volume dengan
Makroskopis memperhatikan komposisi molekoler geraknya
Mikroskopis
: merupakan sistem dengan skala besar (dapat diukur) yang dilengkapi
Gas ideal dengan variabel-variabel tekanan, suhu, volume, energi, dan lain-lain
Ekuipartisi energi : sifat ukuran yang sangat kecil dan tidak dapat dilihat dengan mata
Isotermik telanjang sehingga diperlukan alat bantu untuk dapat melihatnya dengan
Isobarik jelas
Isokhorik
Monoatomik : sekumpulan partikel gas yang tidak saling berinteraksi satu dengan
Diatomik lainnya. Jarak antarpartikel gas ideal sangat berjauhan dan bergerak
secara acak
: rumusan umum yang merelasikan suhu suatu sistem dengan energi rata-
ratanya
: perubahan keadaan gas pada suhu yang tetap
: perubahan keadaan gas pada tekanan tetap
: perubahaan keadaan gas pada volume yang tetap
: atom tunggal, biasa digunakan terhadap gas yang atomnya tidak
berikatan satu sama lain
: molekul yang hanya terdiri dari dua atom dan atom tersebut dapat
berupa unsur yang sama maupun berbeda
83
Kompetensi Dasar
3.6. Memahami teori kinetik gas karakteristik gas pada ruang tertutup
4.6. Memperesentasikan laporan hasil pemikiran tentang teori kinetik gas, dan makna
fisisnya
MATERI PEMBELAJARAN
A. PENGERTIAN GAS IDEAL
Gas ideal adalah gas yang secara tepat memenuhi persamaan pV = nRT. Sebagai gambaran
tentang keadaan gas ideal, kita tinjau sifat-sifat gas ideal diantaranya adalah:
1. Gas ideal terdiri dari partikel-partikel yang amat besar jumlahnya, yang tersebar merata
di seluruh bagian jumlahnya, dan bergerak secara acak ke segala arah dengan kelajuan
tetap
2. Jarak antara partikel gas jauh lebih besar dari dibanding ukuran partikel
3. Tidak ada gaya di antara partikel-partikel tersebut kecuali jika bertumbukan (tumbukan
dianggap lenting sempurna dan partikel dianggap bulat, licin, dan pejal), dan
berlangsung sangat singkat
4. Volume partikel gas sangat kecil dibandingkan dengan wadah yang ditempatinya
sehingga ukurannya dapat diabaikan
5. Hukum Newton tentang gerak berlaku
B. HUKUM-HUKUM YANG MENDASARI TEORI KINETIK GAS
1. Hukum Boyle
Robert Boyle (1627 – 1691) melakukan percobaan untuk menyelidiki hubungan tekanan
dengan volume gas dalam suatu wadah tertutup pada suhu konstan. Hubungan tersebut
pertama kali dinyatakan pada tahun 1666, yang dikenal sebagaihukum Boyle, yang
berbunyi:
“jika suhu gas yang berada dalam bejana tertutup dijaga konstan, maka tekanan gas
berbanding terbalik dengan volumenya”.
Secara matematis, pernyataan diatas dapat ditulis sebagai berikut:
PV = konstan atau P1V = P2V2
Di mana
P = tekanan (N/m2 = Pa)
V = volume (m3)
84
Hubungan antara tekanan dan volume gas pada suhu konstan dapat dilukiskan dengan
grafik seperti yang tampak pada gambar dibawah. Grafik tersebut menunjukkan bahwa
pada saat volumenya bertambah, tekanan gas akan berkurang. Proses pada suhu konstan
disebut proses isotermis.
2. Hukum Charles
Jacques Charles (1746 – 1823) menyelidiki hubungan volume dengan suhu dalam suatu
wadah tertutup pada tekanan konstan, yang berbunyi:
” jika tekanan gas yang berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) dijaga tetap, maka
volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya”.
Secara matematis pernyataan diatas dapat ditulis sebagai berikut:
atau
dengan:
V1 = volume gas pada keadaan 1 (m3)
T1 = suhu mutlak gas pada keadaan 1 (K)
V2 = volume gas pada keadaan 2 (m3)
T2 = suhu mutlak gas pada keadaan 2 (K)
Proses yang terjadi pada saat tekanan konstan disebut dengan proses isobaris/isobarik.
3. Hukum Gay-Lusaac
Joseph Gay Lussac (1778-1805) menyelidiki hubungan suhu dengan tekanan dalam
suatu wadah tertutup pada volume konstan yang berbunyi:
“ jika volume gas yang berada dalam bejana tertutup dijaga konstan, maka tekanan gas
sebanding dengan suhu mutlaknya”.
Secara matematis pernyataan di atas dapat ditulis sebagai berikut:
Dimana :
P1 = tekanan gas pada keadaan 1 (N/m 2 )
T1 = suhu mutlak gas pada keadaan 1 (K)
P2 = tekanan gas pada keadaan 2 (N/m2)
T2 = suhu mutlak gas pada keadaan 2 (K)
85
Proses yang terjadi pada saat volume konstan disebut dengan proses
isokhoris/isokhorik.
4. Hukum Boyle Gay-Lusaac
Persamaan hukum Boyle – Gay Lussac merupakan gabungan dari ketiga hukum diatas
dimana:
Persamaan ini dikenal dengan persamaan Boyle-Gay Lussac. Persamaan ini sebaiknya
digunakan untuk menyelesaikan soal-soal suatu gas yang jumlahnya tetap (massanya
tetap) yang mengalami dua keadaan (keadaan 1 dan keadaan 2). Massa suatu gas adalah
tetap jika ditaruh dalam wadah yang tidak bocor.
Jika massa atau mol gas diubah, misal kita menggandakan mol gas n, dengan menjaga
tekanan dan suhu tetap, ternyata hasil volum V yang ganda (lipat dua) juga. karena itu,
boleh ditulis bilangan tetap diruas kanan persamaan diatas dengan nR, dengan R
diperoleh dari percobaan, dan diperoleh persamaan umum gas ideal :
Dengan
P : tekanan (Pa atau atm) dengan 1 atm = 1 x 105 Pa
T : suhu (K)
R : konstanta umum gas : 8314 J kmol-1K-1
V : volume (m3)
5. Persamaan Umum Gas Ideal
Hukum-hukum tentang gas dari Boyle, Charles, GayLussac, dan Boyle-Gay Lussac
diperoleh dengan menjagasatu atau lebih variabel dalam keadaan konstan
untukmengetahui akibat dari perubahan satu variabel.Berdasarkan Hukum Boyle–Gay
Lussac diperoleh:
Apabila jumlah partikel berubah, maka volume gas juga akan berubah. Hal ini berarti
bahwa harga PV/T= tetap.bergantung pada banyaknya partikel (N ) yangterkandung
dalam gas. Persamaan di atas dapat dituliskan :
dengan:
P = tekanan gas (N/m2)
V = volume gas (m3)
n = jumlah mol
T = suhu mutlak (K)
R = konstanta gas umum (J/mol.K)
R = 8,31 J/mol.K = 0,082 L.atm/mol.K
86
Contoh soal
Suatu gas ideal sebanyak 4 liter memiliki tekanan 1,5 atmosfer dan suhu 27 . Tentukan
tekanan gas tersebut jika suhunya 47 dan volumenya 3,2 liter!
Penyelesaian:
Diketahui: V1 = 4 liter, V2 = 3,2 liter, P1 = 1,5 atm, T1= 27 oC = 27+273 = 300 K,
T2 = 47 oC = 47+273 = 320 K
Ditanya: P2= ... ?
Jawab:
C. TEKANAN GAS IDEAL MENURUT TEORI KINETIK GAS
1. Hubungan Tekanan Gas dan Energi Kinetik
Energi kinetik rata-rata ̅̅̅ berhubungan dengan rata-rata kuadrat kecepatan, ̅̅̅ yaitu
̅̅̅ ̅̅̅. Oleh karena itu dapat dinyatakan bahwa tekanan gas ̅̅̅ ( ) dengan
energi kinetik rata-rata :
̅̅̅ ( ̅̅̅) ̅̅̅
Dan ̅̅̅ ( ) dapat diubah menjadi
̅̅̅ ( )
̅̅̅ ( )
2. Kelajuan Efektif Gas
Kelajuan efektif gas berdasarkan teori kinetik gas dapat dirumuskan sebagai berikut :
̅̅̅ ∑( ) ∑( )
∑
Dengan
∑
Kelajuan efektif ( ) didefinisikan sebagai akar rata-
√̅̅̅
rata kuadrat kelajuan ̅̅̅ :
87
D. PRINSIP EKUIPARTISI ENERGI
1. Derajat Kebebasan
Dari persamaan maka jika terdapat N partikel gas, energi kinetik totalnya adalah:
⃗
Karena hampir tidak ada gaya tarik-menarik antara partikel gas, maka energi dalam gas
tersebut (u) sama dengan energi kinetik total gas tersebut.
Persamaan tersebut berlaku untuk gas monoatomik (He, Ar, Ne) Untuk gaya diatomik
(N2, H2 , O2) diperoleh:
a) Pada suhu rendah (± 300 K)
b) Pada suhu sedang (± 500 K)
c) Pada suhu tinggi (± 1000 K)
2. Teorema Ekuipartisi Energi
Teorema ini pertama kali diusulkan pertama kali oleh Ludwig Boltzman, dimana
dinyatakan bahwa :
“Untuk suatu sistem molekul-molekul gas pada suhu mutlak T
dengan tiap molekul memiliki v derajat kebebasan, rata-rata
energi mekanik per-molekul ̅̅̅̅ adalah : ̅̅̅̅ ̅̅̅ ( )”
3. Energi Dalam Gas
Gas ideal yang terkurung dalam sebuah wadah tertutup mengandung banyak sekali
molekul. Tiap molekul gas memiliki energi kinetik rata-rata sebagai berikut:
̅̅̅ ( )
Energi dalam suatu gas didefinisikan sebagai jumlah energi kinetik seluruh
molekul gas yang terdapat didalam wadah tertutup. Jika ada sejumlah N
molekul gas dalam wadah, maka energi dalam gas U merupakan hasil kali N
dengan energi kinetik tiap molekul
̅̅̅ ̅̅̅ ( ) untuk gas monoatomik
() ()
88
EVALUASI
SOAL PILIHAN GANDA
1. Partikel-partikel gas ideal memiliki sifat-sifat antara lain :
1) selalu bergerak
2) tidak tarik menarik
3) bertumbukan lenting sempurna
4) tidak mengikuti Hukum Newton tentang gerak
Pernyataan yang benar adalah …
a. 1, 2, dan 3
b. 2, 3, dan 4 4
c. 1, 3, dan 4
d. 1 dan 3
e. 2 dan 4
2. Jika suatu gas ideal dimampatkan secara isotermal sampai volumenya menjadi setengah dari
volume semula maka ….
a. tekanan dan suhu tetap
b. tekanan menjadi dua kali dan suhu tetap
c. tekanan tetap dan suhu menjadi dua kalinya
d. tekanan menjadi dua kalinya dan suhu menjadi setengahnya
e. tekanan dan suhu menjadi setengahnya.
3. Gas dalam ruangan tertutup yang berolume 20000 liter dan suhu 27 0C memiliki tekanan 10 atm.
Tentukan jumlah mol yang ada dalam ruangan tersebut…
a. 8130,081 mol
b. 2,70 x 10-4mol
c. 5934782,09 mol
d. 0,138 mol
e. 1 mol
4. Suatu gas ideal dengan volume 2 liter,suhunya 70 0C dan tekanan 0,7 atm menempati sebuah
ruang.Jika gas tersebut didinginkan pada volume tetap sehingga suhunya menjadi -730C.
Tentukan tekanan gas ....
a. 5 atm
b. 0,5 atm
c. 0,06 atm
d. 0,512 atm
e. 10 atm
5. Pada keadaan normal (T = 0°C dan p = 1 atm), 4 gram gas oksigen (O2) dengan berat molekul
Mr = 32 memiliki volume sebesar …. (R = 8.314 J/kmol K; 1 atm = 105N/m2)
a. 1,4 × 10–6 m3
b. 2,8 × 10–3 m3
c. 22,4 × 10–3 m3
d. 2,8 m3
e. 22,4 m3
6. Sebuah tangki diisi dengan gas ideal bermassa 10 kg pada tekanan 4 atm dan suhu 47°C. Tangki
tersebut memiliki lubang kecil sehingga memungkinkan gas dapat lolos keluar. Ketika suhu 27°C
dan tekanan gas 3 atm, massa gas yang lolos keluar dari tangki jika 1 atm = 105 Pa adalah …
a. 2 kg
b. 3 kg
c. 4 kg
d. 5 kg
e. 6 kg
89
7. Diketahui volume bola B dua kali volume bola A. Kedua bola terisi gas ideal. Volume tabung
penghubung dapat diabaikan. Gas A berada pada suhu 300 K. Jika jumlah molekul gas dalam
bola A adalah N dan jumlah molekul gas dalam bola B adalah 3 N, suhu gas dalam bola B adalah
…
a. 150 K
b. 200 K
c. 300 K
d. 450 K
e. 600 K
8. Sebuah bejana volume 2 L berisi gas nitrogen pada tekanan 2 atm, dihubungkan dengan bejana
lain volume 1 L yang berisi gas oksigen pada tekanan 1 atm. Berapa tekanan campuran gas?
a. 2/3 atm
b. 4/3 atm
c. 5/3 atm
d. 3/5 atm
e. ½ atm
9. Jika suhu gas dinaikkan, kecepatan rata-rata partikel gas bertambah karena kecepatan gas…
a. Sebanding dengan akar masa partikel
b. Sebanding dengan akar suhu mutlak
c. Berbanding terbalik dengan masa partikel
d. Sebanding dengan suhu mutlak gas
e. Sebanding dengan kuadrat suhu mutlak
10. Berapa kecepatan efektivitas gas bermasa jenis 10 kg/m3 yang berada pada tabung bertekanan 3
x 105 Pa?
a. 100 m/s
b. 200 m/s
c. 300 m/s
d. 500 m/s
e. 600 m/s
90