SUHU DAN KALOR (THERMODINAMIKA)By Rahmania Ambarika, S.Kep.,NsDivisi Fisika KeperawatanStikes Surya Mitra Husada Kediri

Konsep SuhuKonsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kitaBerdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain.

Lanjutan...Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenal dengan julukan suhu alias temperaturBenda yang terasa panas biasanya memiliki suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya.

Alat pengukur suhu...Thermometermemanfaatkan materi yang bersifat termometrik (sifat materi yang berubah terhadap temperatur), Maksudnya, kalau suhu materi tersebut berubah, bentuk dan ukuran materi tersebut juga ikut2an berubahKebanyakan 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.

Contoh Termometer

Skala suhu termometerTerdapat 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, Skala suhu yang cukup penting dalam bidang sains adalah skala mutlak alias skala Kelvin.

Titik beku dan titik didihTitik beku suatu zat merupakan temperatur di mana wujud padat dan wujud cair berada dalam keseimbangan (tidak ada perubahan wujud zat)titik didih suatu zat merupakan temperatur di mana wujud cair dan wujud gas berada dalam keseimbangan.

Skala celciusUntuk 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 sebagaiseratus derajat celcius (100 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 farenheitUntuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih sebagai 32 derajat Fahrenheit (32 F) dan temperatur titik titik didih normal air (titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212F). Di antara titik es dan titik uap terdapat 180 derajat.

Konversi skala suhuPada tekanan 1 atm, suhu titik es untuk termometer berskala celcius = 0 C, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 32 F. Sebaliknya, pada tekanan 1 atm, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius = 100 C, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 212 F.

Untuk memudahkanmu mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit atau mengganti skala Fahrenheit menjadi skala Celcius, ingat saja 0 C = 32 F dan 100 C = 212 F. Pada skala Celcius, antara 0 C sampai 100 C terdapat 100C. Sedangkan pada skala Fahrenheit,antara 32 F sampai 212 F terdapat 180.

Mengubah skala celcius menjadi skala farenheitTF =100/180TC + 32TF =5/9TC + 32

Skala farenheit menjadi skala celciusTC =180/100 (TF 32)TC = 9/5 (TF 32)

SKALA SUHU K = C + 273, 15 : Untuk ilmu pengetahuan F = 9/5 C + 32 F = R 459, 67 R = 9/5 K : Bidang tekhnik C = Digunakan untuk kedokteranReamur : 4/5 C C : F : Re = 5 : 9 : 4

Contoh SoalTemperatur tubuh dalam skala Fahrenheit = 98,6 F, nyatakan temperature itu dalam C, K, R, Re Jawab :C : 9/5 (F 32 )K : C + 273, 15R : 9/5 X KRe : 4/5 x C

Contoh soal 2Suhu air yang lagi kepanasan = 60 C. Berapakah suhu air panas dalam skala Fahrenheit ?Jawab : F = 9/5 C + 32

Kalibrasi TermometerMasukan 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.

Masukan termometer dalam wadah (maksudnya si air mendidih). Jika panjang kolom air raksa sudah tidak berubah lagi, tanda ujung kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih normal air alias titik uap

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 = 0 C, sedangkan tanda bagian atas = 100 C.

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 F, sedangkan tanda bagian atas = 212 F. 32 F tuh baru suhu titik es. Karenanya bisa menambahkan garis atau titik sampai 0F. Tambahkan juga garis/titik di sebelah atas 212 F. Panjang setiap garis/titik harus sama dengan sebelumnya.

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 KelvinKarena 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. ketika suhu bertambah, tekanan gas juga ikut bertambah.

T (K) = T (C) + 273,15T (C) = T (K) - 273,15

Contoh Soal20 C = .... K ?T (K) = T (C) + 273,15

293,15 K = .... C ?T (C) = T (K) - 273,15

100 F = ..... K ? C = 9/5 (F - 32 )T (K) = T (C) + 273,15

Kalor dan perubahan wujudkalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda2 yang bersentuhan mencapai suhu yang sama.

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal).Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 oC (Tepatnya dari 14,5 oC menjadi 15,5 oC).Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal)1 kkal = 1000 kalori

Kalor memiliki keterkaitan dengan energi (Dalam hal ini, kalor merupakan energi yang berpindah),karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi.

1 kalori = 4,186 Joule1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule

Contoh soal 1

Pada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ?

jawaban1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule

Contoh soal 2Setelah menghabiskan banyak cemilan, seorang gadis yang sangat cantik baru sadar kalau ia telah kelebihan makan 200 Kalori (huruf K besar). Si gadis ingin mengurangi kelebihan energi yang diperolehnya dari cemilan. Karenanya ia memutuskan untuk mengangkat batu dari permukaan tanah hingga ketinggian 1 meter. Jika massa batu = 10 kg, berapa kalikah si gadis harus mengangkat batu tersebut ?

Panduan Jawaban :1 Kalori = 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule200 kkal = (200)(4186 Joule) = 837.200 JouleKetika mengangkat batu, si gadis melakukan usaha alias kerja pada batu. Besarnya usaha yang dilakukan adalah :Usaha (W) = Gaya (F) x Perpindahan (s) = Gaya berat (w) x ketinggian (h) = massa (m) x percepatan gravitasi (g) x Ketinggian (h)Usaha (W) = (10 kg)(10 m/s2)(1 m)Usaha (W) = 100 N.m = 100 JouleUntuk mengangkat batu setinggi 1 meter, besarnya usaha yang dilakukan = 100 Joule. Pertanyaannya,berapa kali si gadis harus mengangkat batu837.200 Joule / 100 Joule = 8372.

Note..Pertama, tidak semua makanan diubah menjadi energi. Selama proses pencernaan, pasti ada energi yang terbuang. Kedua, jika gadis tersebut mengangkat batu bermassa 10 kg hingga ketinggian 1 meter maka ia harus mengangkat batu tersebut sebanyak 8372 kali. Jika gadis tersebut tidak ingin mengangkat batu sebanyak 8372 kali, ia bisa menambah massa batu atau menambah ketinggian.

Hubungan antara Kalor (Q) dan Perubahan suhu (delta T)Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan perubahan suhu yang dialamibenda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :Q DT Persamaan 1Keterangan := SebandingQ= KalorDT = T2 T1 = Perubahan suhuT1 = suhu awalT2 = suhu akhir

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m)Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa air. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa (m) dapat ditulis sebagai berikut :Q m Persamaan 2Keterangan := Sebanding

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan Kalor Jenis benda (c)Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :Q c Persamaan 3Keterangan := SebandingQ= Kalorc = kalor jenis (kharakteristik/sifat/ciri khas suatu benda)Persamaan 1, persamaan 2 dan persamaan 3 bisa ditulis kembali sebagai berikut :Q mcDT

Persamaan 1,2,3Q = mcDT Persamaan Kalor (Q)Persamaan ini menyatakan hubungan antara Kalor (Q) dengan massa benda (m), kalor jenis (c) dan perubahan suhu (delta T).Keterangan :Q = Kalorm = Massa bendac = Kalor jenisDT = T2 T1 = Perubahan suhu

Contoh soal 1Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebuah kawat tembaga yang bermassa 2 kg,dari 20 C sampai 80 C ?

Contoh soal 2Berapakah kalor yang harus dilepaskan untuk menurunkan suhu lempeng besi yang bermassa 20 kg, dari 80 C menjadi 20 C ?

Kalor latenKalor peleburanKalor penguapan

Kalor peleburanTambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud padat menjadi cairQ = m. LFQ = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses pencairan atau pembekuanm = massa bendaLF = Kalor peleburan

Kalor penguapanTambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud cair ke gasQ = m LVKeterangan :Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunanm = massa bendaLV = Kalor penguapan

Contoh soal 1Berapakah tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air ?

Panduan jawabanQ = m.LF ---- LF air = 79,5 kkal/kg (lf air=79,5)Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

ThermodinamikaDalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses perpindahan energi dengan mengacu pada suatu sistem.Sistem adalah sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak ditelitiBenda-benda lainnya di alam semesta dinamakan lingkunganBiasanya sistem dipisahkan dengan lingkungan menggunakan penyekat/pembatas/pemisah.

Terdapat beberapa jenis sistem, yakni sistem terbuka dan sistem tertutupSistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan Contoh sistem terbuka adalah tumbuh-tumbuhan, hewan dkk

Tumbuh-tumbuhan biasanya menyerap air dan karbondioksida dari lingkungan (terjadi pertukaran materi). Tumbuhan juga membutuhkan kalor yang dipancarkan matahari (terjadi pertukaran energi). Dirimu dan diriku juga termasuk sistem terbuka Masih banyak contoh lain

Sebaliknya, sistem tertutup merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran materi antara sistem tersebut dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak adanya kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan tidak terisolasi jika bisa terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan Contoh sistem tertutup yang terisolasi adalah termos air panas

Hukum ThermodinamikaHukum nol thermodinamikaHukum pertama thermodinamikaHukum kedua thermodinamikaHukum ketiga thermodinamika

Hukum nol thermodinamikaSuatu gas ideal dalam ruangan tertutup pemuaian sangat lambatJika benda A dan Benda B berada dalam keadaan setimbang termal dengan brnda C, maka kedua benda A dan B berada dalam keadaan setimbang termalKeadaan setimbang termal : tidak ada perpindahan kalor antara kedua benda, suhu kedua benda sama

Hukum pertama thermodinamikaSuatu zat dirubah dari keadaan 1 ke 2 menurut lintasan tertentu maka panas Q yang diberikan itu akan diserap dan akan menyebabkan usaha sebesar WMembahas berapa besar energi yang diserap atau bebas

Hukum kedua thermodinamikaMesin carnotDiberi enersi berwujud panas pada suhu yang relatif tinggi , mesin melakukan energi mekanik, dan mesin menuangkan panas yang lebih rendah suhunya

Hukum ketiga thermodinamikaHukum ernest

Metabolisme sebagai konversi energiKatabolismeanabolisme

katabolismeMenggambarkan kerusakan jaringan dan penggunaan dari sumber energi

AnabolismeMenunjukan reaksi sintesis menjurus ke tempat arah penyimpanan enersi

contohKetika lemak dibentuk dari karbohidrat dan disimpan dalam jaringan lemak tampak disini pengertian dari anabolismeKatabolisme dapat terjadi pada saat yang sama dalam proses penggunaan enersi dalam sintesis

Hasil pembakaran suatu materiUntuk karbohidratSukrose = 3,94 Kcal/gramGlukose=3,74 Kcal/gramGlikogen=4,19Kcal/gramTepung=4,18Kcal/gram

Untuk lemakRata-rata menghasilkan 9,3 Kcal/gram

Untuk ProteinRata-rata menghasilkan 5,6 Kcal/gram

Untuk manusiaProtein dan karbohidrat masing-masing=4,1 Kcal/gramLemak=9,3 Kcal/gram

Pengaturan temperatur tanpa umpan balikMekanisme aktifitas oleh dinginMenggigil, kelaparan,peningkatan aktifitas otot bergaris,peningkatan sekresi norephinefrin dan efeneprin = peningkatan produksi panasPenyempitan pembuluh darah, kulit mengkerut=penurunan kehilangan panas

Mekanisme aktifitas oleh panasPelebaran pembuluh darah kulit, berkeringat,peningkatan pernafasan=peningkatan kehilangan panasNafsu makan berkurang,lesu dan lembam = penurunan produksi panas

Energi panas dalam bidang kedokteran

Efek panasFisikKimiabiologis

Metode konduksiKantong air panasHanduk panasMandi uapLumpur panasParafin bathElectrik pads

Metode radiasiInfra red (lampu pijar 250-1000 W)Short wave diathermi (diatermi gel pendek)Micro wave diathermi (gelombang mikro)

**************************************************************************