Suhu, Kalor, dan Pemuaian

Pernahkah kamu merasa kepanasan di siang hari atau kedinginan saat menyentuh es? Di dalam ilmu IPA, semua itu berhubungan dengan Suhu, Kalor, dan Pemuaian. Yuk, kita pelajari bab ini dengan penjelasan yang seru dan mudah dipahami!

A. Suhu, Termometer dan Konversi Skala Suhu

Suhu adalah ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda. Benda yang panas memiliki suhu yang tinggi, sedangkan benda yang dingin memiliki suhu yang rendah. Alat untuk mengukur suhu secara akurat disebut Termometer.

Mengapa tangan kita tidak bisa digunakan sebagai alat ukur suhu yang baik? Karena tangan kita hanya bisa merasakan indra perabaan yang sifatnya perkiraan (subjektif) dan tidak bisa mengeluarkan angka pasti.

Ada 4 skala termometer yang terkenal di dunia, yaitu Celsius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin. Setiap skala memiliki titik tetap bawah (saat es mencair) dan titik tetap atas (saat air mendidih).

Skala Termometer	Titik Tetap Bawah (Mencair)	Titik Tetap Atas (Mendidih)	Jumlah Skala (Selisih)
Celsius (°C)	0°C	100°C	100
Reamur (°R)	0°R	80°R	80
Fahrenheit (°F)	32°F	212°F	180
Kelvin (K)	273 K	373 K	100

Jika kita sederhanakan jumlah skalanya, kita mendapatkan perbandingan skala suhu berikut:

C : R : (F - 32) : (K - 273) = 5 : 4 : 9 : 5

Contoh Soal Konversi Suhu:

Sebuah benda memiliki suhu 40°C. Berapakah suhunya jika diukur menggunakan termometer Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin?

Jawaban:

·         1. Ke Reamur: R = (4/5) × 40 = 32°R

·         2. Ke Fahrenheit: F = ((9/5) × 40) + 32 = 72 + 32 = 104°F

·         3. Ke Kelvin: K = 40 + 273 = 313 K

B. Kalor dan Perpindahan Kalor

Kalor adalah energi panas yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Kalor diukur dalam satuan Joule (J) atau Kalori.

1. Kalor untuk Menaikkan Suhu

Jika suatu zat diberi kalor, suhunya akan naik. Rumusnya adalah:

Q = m × c × Δt

Keterangan: Q = Banyaknya kalor (Joule), m = Massa benda (kg), c = Kalor jenis zat (J/kg°C), Δt = Perubahan suhu (°C).

Contoh Soal:

Air bermassa 2 kg dipanaskan dari suhu 20°C sampai 50°C. Jika kalor jenis air adalah 4200 J/kg°C, hitunglah kalor yang dibutuhkan!

Penyelesaian:

Diketahui :

m = 2 kg;

c = 4200 J/kg°C;

Δt = 50 - 20 = 30°C.

Ditanyakan :

Q = …. ?

Dijawab :

Q = m × c × Δt

Q = 2 × 4200 × 30 = 252.000 joule = 252 kJ.

2. Kalor untuk Mengubah Wujud (Kalor Laten)

Saat zat berubah wujud (seperti es mencair atau air menguap), suhunya tetap, namun zat tersebut memerlukan kalor.

·         Kalor Lebur (Padat menjadi Cair): Q = m × L   (L = Kalor lebur benda)

·         Kalor Uap (Cair menjadi Gas): Q = m × U   (U = Kalor uap benda)

Contoh Soal Lebur & Uap:

1.  Es sebanyak 0,5 kg ingin dileburkan semuanya menjadi air. Jika kalor lebur es L = 336.000 J/kg, maka: Q = 0,5 × 336.000 = 168.000 Joule.

2. Air sebanyak 0,2 kg ingin diuapkan seluruhnya. Jika kalor uap air U = 2.260.000 J/kg, maka: Q = 0,2 × 2.260.000 = 452.000 Joule.

3. Cara Perpindahan Kalor

Kalor berpindah lewat 3 cara berbeda:

·         Konduksi (Hantaran): Perpindahan panas melalui zat perantara tanpa disertai perpindahan partikel zat tersebut. Contoh: Sendok logam terasa panas saat dimasukkan ke air kopi panas.

·         Konveksi (Aliran): Perpindahan panas yang disertai dengan perpindahan partikel zat perantaranya karena perbedaan massa jenis. Terjadi pada zat cair dan gas. Contoh: Gerakan naik turun air yang mendidih.

·         Radiasi (Pancaran): Perpindahan panas tanpa memerlukan zat perantara sama sekali. Contoh: Panas matahari sampai ke bumi, kehangatan api unggun.

Peristiwa Alam Akibat Konveksi: Angin Darat dan Angin Laut

·         Angin Laut (Siang Hari): Daratan lebih cepat panas daripada laut. Udara di atas daratan naik, dan udara dingin dari laut bertiup menuju darat. Digunakan nelayan tradisional untuk pulang dari laut.

·         Angin Darat (Malam Hari): Daratan lebih cepat dingin daripada laut. Udara di atas laut naik, dan udara dingin dari darat bertiup menuju laut. Digunakan nelayan untuk pergi melaut.

C. Pemuaian

Pemuaian adalah peristiwa bertambahnya ukuran suatu benda (panjang, luas, atau volume) karena benda tersebut menerima panas (suhunya naik). Sebaliknya, jika benda mendingin, ukurannya mengecil (menyusut).

Contoh Pemuaian di Kehidupan Sehari-hari:

·         Sambungan rel kereta api sengaja diberi celah longgar agar rel tidak melengkung saat memuai di siang hari yang panas.

·         Kabel listrik di pinggir jalan dipasang kendur agar tidak putus di malam hari ketika kabel menyusut akibat hawa dingin.

·         Kaca jendela diberi sisa ruang pada bingkainya supaya kaca tidak pecah saat memuai.

Rumus Pemuaian Panjang Benda:

Besarnya pertambahan panjang suatu benda padat dapat dihitung dengan rumus:

ΔL = L₀ × α × Δt

Keterangan: ΔL = Pertambahan panjang (m), L₀ = Panjang awal benda (m), α = Koefisien muai panjang (/°C), Δt = Perubahan suhu (°C).

Contoh Soal:

Sebuah batang besi panjangnya 2 meter memiliki suhu 30°C. Batang tersebut dipanaskan hingga suhunya menjadi 80°C. Jika koefisien muai panjang besi adalah 0,000012/°C, berapakah pertambahan panjangnya?

Penyelesaian:
Diketahui :

L₀ = 2 m
Δt = 80°C - 30°C = 50°C
α  = 0,000012/°C

Ditanyakan :

ΔL = … ?

Dijawab :

ΔL = L₀ × α × Δt

ΔL = 2 × 0,000012 × 50 = 0,0012 meter (atau 0,12 cm).

 D. Ujian Sumatif

Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!
1. Ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda disebut...

A. Kalor

B. Suhu

C. Pemuaian

D. Energi

2. Alat ukur suhu yang baku dan bekerja secara akurat adalah...

A. Tangan manusia

B. Termometer

C. Barometer

D. Penggaris

3. Mengapa indra peraba tangan kita tidak bisa dijadikan alat ukur suhu utama dalam sains? (HOTS)

A. Karena tangan mudah terluka

B. Karena indra peraba bersifat subjektif dan tidak memberikan nilai angka pasti

C. Karena suhu tangan selalu berubah mengikuti cuaca

D. Karena tangan hanya bisa mengukur zat padat saja

4. Titik tetap bawah termometer skala Celsius didasarkan pada suhu...

A. Air mendidih

B. Es murni yang sedang mencair

C. Campuran es dan garam

D. Suhu tubuh manusia

5. Berapakah nilai titik tetap atas pada skala termometer Fahrenheit?

A. 100°

B. 80°

C. 212°

D. 373°

6. Skala termometer yang tidak menggunakan simbol derajat (°) karena merupakan skala mutlak adalah...

A. Celsius

B. Reamur

C. Fahrenheit

D. Kelvin

7. Selisih antara titik tetap atas dan titik tetap bawah pada termometer Reamur adalah...

A. 100 bagian

B. 80 bagian

C. 180 bagian

D. 273 bagian

8. Zat cair yang sering digunakan untuk mengisi pipa termometer karena mengkilap dan tidak membasahi dinding kaca adalah...

A. Air murni

B. Minyak goreng

C. Raksa

D. Alkohol warna hijau

9. Salah satu keuntungan menggunakan alkohol sebagai zat pengisi termometer adalah...

A. Dapat mengukur suhu yang sangat tinggi di atas 100°C

B. Dapat mengukur suhu yang sangat rendah karena titik bekunya rendah

C. Warnanya mengkilap seperti cermin

D. Tidak bisa memuai jika dipanaskan

10. Prinsip kerja termometer zat cair didasarkan pada peristiwa...

A. Pemuaian volume zat cair ketika dipanaskan

B. Perubahan warna zat cair saat dingin

C. Aliran konveksi zat cair

D. Penguapan air akibat panas

11. Suhu suatu ruangan menunjukkan angka 20°C. Jika diukur menggunakan termometer Reamur, suhunya menjadi...

A. 16°R

B. 25°R

C. 40°R

D. 68°R

 

12. Suhu badan seorang anak yang sehat adalah 35°C. Berapakah nilai suhu tersebut dalam skala Fahrenheit?

A. 67°F

B. 95°F

C. 102°F

D. 110°F

13. Logam dipanaskan hingga suhunya mencapai 323 K. Berapakah nilai suhu ini jika diubah ke skala Celsius?

A. 25°C

B. 50°C

C. 100°C

D. 0°C

14. Jika sebuah termometer Reamur menunjukkan angka 48°R, maka angka yang ditunjukkan oleh skala Celsius adalah...

A. 30°C

B. 50°C

C. 60°C

D. 90°C

15. Suhu air hangat diukur menunjukkan 113°F. Berapakah suhu air tersebut dalam Celsius?

A. 40°C

B. 45°C

C. 50°C

D. 60°C

16. Perbandingan yang benar antara skala Celsius, Reamur, dan Fahrenheit setelah dikurangi 32 adalah...

A. 5 : 4 : 9

B. 4 : 5 : 9

C. 9 : 4 : 5

D. 5 : 5 : 9

17. Skala termometer Celsius dan termometer Fahrenheit akan menunjukkan angka yang sama persis pada nilai suhu... (HOTS)

A. 0 derajat

B. 40 derajat

C. -40 derajat

D. 100 derajat

18. Suhu es murni mencair diukur dengan Kelvin adalah 273 K, sedangkan air mendidih adalah 373 K. Jika suhu suatu benda adalah 25°C, maka dalam skala Kelvin nilainya adalah...

A. 248 K

B. 298 K

C. 300 K

D. 325 K

19. Jika suhu suatu zat mengalami kenaikan sebesar 20 derajat pada skala Reamur, berapakah besar kenaikannya jika diukur pada skala Celsius? (HOTS)

A. 16 derajat

B. 20 derajat

C. 25 derajat

D. 36 derajat

20. Suhu udara di puncak gunung yang dingin mencapai 59°F. Berapakah suhu tersebut jika diukur dalam skala Reamur?

A. 12°R

B. 15°R

C. 20°R

D. 27°R

21. Energi panas yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah disebut...

A. Kalor

B. Kerapatan

C. Massa Jenis

D. Radiasi

22. Di bawah ini yang merupakan satuan standar Internasional (SI) untuk besaran kalor adalah...

A. Kalori

B. Celsius

C. Joule

D. Watt

23. Rumus yang digunakan untuk mencari banyaknya kalor yang dipakai untuk menaikkan suhu suatu benda adalah...

A. Q = m × L

B. Q = m × c × Δt

C. Q = m × U

D. ΔL = L₀ × α × Δt

24. Air bermassa 1 kg bersuhu 20°C dipanaskan hingga menjadi 30°C. Jika kalor jenis air 4200 J/kg°C, kalor yang diserap air adalah...

A. 42.000 J

B. 84.000 J

C. 126.000 J

D. 420.000 J

25. Banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk menaikkan suhunya sebesar 1°C dinamakan...

A. Kalor lebur

B. Kalor jenis

C. Kalor laten

D. Kapasitas kalor

26. Rumus kalor yang digunakan murni untuk mengubah wujud zat dari padat menjadi cair (melebur) tanpa menaikkan suhunya adalah...

A. Q = m × c × Δt

B. Q = m × L

C. Q = m × U

D. Q = m / V

27. Sebongkah es bermassa 2 kg hendak dileburkan pada titik leburnya. Jika kalor lebur es tersebut adalah 336.000 J/kg, berapa kalor yang dibutuhkan?

A. 168.000 J

B. 336.000 J

C. 504.000 J

D. 672.000 J

 

28. Rumus yang tepat untuk mencari kalor yang digunakan zat cair untuk menguap menjadi gas adalah...

A. Q = m × U

B. Q = m × L

C. Q = m × c

D. Q = Δt × c

29. Air sebanyak 0,5 kg ingin diuapkan seluruhnya. Jika diketahui kalor uap air adalah 2.260.000 J/kg, kalor yang diperlukan adalah...

A. 1.130.000 J

B. 2.260.000 J

C. 4.520.000 J

D. 565.000 J

30. Saat kita memanaskan air di dalam panci logam di atas kompor, pegangan besi panci ikut menjadi panas lama-kelamaan. Cara perpindahan kalor ini disebut...

A. Radiasi

B. Konveksi

C. Konduksi

D. Pemuaian

31. Perpindahan kalor yang diikuti oleh perpindahan bagian-bagian partikel zat perantaranya disebut...

A. Konduksi

B. Konveksi

C. Radiasi

D. Isolasi

32. Sinar matahari bisa sampai ke bumi melewati ruang hampa udara angkasa. Hal ini membuktikan adanya perpindahan kalor secara...

A. Konduksi

B. Konveksi

C. Radiasi

D. Pemuaian

33. Pada siang hari di pantai, daratan lebih cepat panas dibanding lautan, sehingga udara di darat naik dan digantikan udara dari laut. Peristiwa konveksi alami ini menghasilkan...

A. Angin darat

B. Angin laut

C. Hujan badai

D. Gelombang tsunami

34. Mengapa pada malam hari nelayan tradisional berangkat mencari ikan ke laut? (HOTS)

A. Karena udara laut sangat dingin

B. Karena terjadi angin darat yang meniup perahu dari darat menuju ke laut

C. Karena ikan hanya muncul di malam hari

D. Karena air laut sedang surut

35. Peristiwa bertambahnya ukuran panjang, luas, atau volume suatu zat karena menerima energi panas disebut...

A. Penyusutan

B. Kerapatan

C. Pemuaian

D. Pencairan

36. Mengapa pemasangan kaca pada bingkai jendela sengaja dibuat agak renggang atau longgar? (HOTS)

A. Agar jendela terlihat lebih indah

B. Agar kaca tidak pecah ketika memuai di siang hari yang terik

C. Agar udara luar bisa masuk lewat celah

D. Supaya mempermudah pembersihan kaca

37. Kabel listrik di sepanjang jalan dipasang agak kendur di tiang penopang. Tujuan utama dari tindakan ini adalah... (HOTS)

A. Menghemat biaya kabel tembaga

B. Mencegah kabel putus saat menyusut di malam hari karena suhu dingin

C. Agar kabel tidak tersambar petir

D. Memudahkan aliran arus listrik

38. Sambungan jembatan beton atau rel kereta api diberi celah kosong di antara kedua ujungnya agar...

A. Air hujan bisa mengalir lancar

B. Kendaraan bisa melaju dengan bergetar

C. Ada ruang bagi logam/beton untuk memuai sehingga tidak melengkung rusak

D. Mengurangi berat jembatan

39. Besarnya pertambahan panjang sebuah benda padat yang memuai bergantung pada hal-hal berikut, KECUALI...

A. Panjang awal benda

B. Kenaikan suhu

C. Jenis bahan logam (koefisien muai)

D. Warna permukaan benda

40. Batang tembaga sepanjang 1 meter dipanaskan hingga suhunya naik sebesar 100°C. Jika koefisien muai panjang tembaga 0,000017/°C, berapakah pertambahan panjang batang tembaga tersebut?

A. 0,00017 meter

B. 0,0017 meter

C. 0,017 meter

D. 0,17 meter

 

E. Kunci dan Pembahasan

1. B (Suhu merupakan parameter derajat tingkat panas/dingin objek.)

2. B (Termometer bekerja berdasarkan sifat termometrik zat secara akurat.)

3. B (Tangan manusia memiliki perasaan subyektif bergantung kondisi sebelumnya, tidak menghasilkan data kuantitatif baku.)

4. B (Titik nol derajat Celsius disepakati diambil dari es murni yang melebur.)

5. C (Titik didih air pada skala Fahrenheit ditentukan sebesar 212°F.)

6. D (Kelvin merupakan skala mutlak termodinamika tanpa tanda derajat.)

7. B (Reamur memiliki interval rentang titik beku ke titik didih sebesar 80 bagian.)

8. C (Raksa mengkilap, konduktor yang baik, dan tidak melekat di dinding tabung kaca.)

9. B (Alkohol membeku pada suhu sangat rendah (-114°C) sehingga efektif untuk daerah kutub.)

10. A (Volume cairan dalam pipa kapiler memuai linier searah kenaikan suhu.)

11. A (R = 4/5 × 20 = 16°R.)

12. B (F = (9/5 × 35) + 32 = 63 + 32 = 95°F.)

13. B (C = 323 - 273 = 50°C.)

14. C (C = 5/4 × 48 = 60°C.)

15. B (C = 5/9 × (113 - 32) = 5/9 × 81 = 45°C.)

16. A (Perbandingan dasar Celsius (5), Reamur (4), Fahrenheit minus 32 (9).)

17. C (Pada -40°, nilai C dan F bernilai setara (-40 × 1.8 + 32 = -40).)

18. B (K = 25 + 273 = 298 K.)

19. C (ΔC = 5/4 × ΔR = 5/4 × 20 = 25 derajat.)

20. A (R = 4/9 × (59 - 32) = 4/9 × 27 = 12°R.)

21. A (Kalor adalah energi termal yang berpindah akibat perbedaan suhu.)

22. C (Satuan SI untuk energi (termasuk energi panas/kalor) adalah Joule.)

23. B (Rumus perubahan suhu menggunakan Q = m.c.Δt.)

24. A (Q = 1 × 4200 × (30 - 20) = 42.000 J.)

25. B (Kalor jenis mendefinisikan karakteristik kapasitas kalor per satuan massa.)

26. B (Proses perubahan wujud padat ke cair menggunakan kalor laten lebur Q = m.L.)

27. D (Q = 2 × 336.000 = 672.000 J.)

28. A (Proses penguapan menggunakan rumus Q = m.U.)

29. A (Q = 0,5 × 2.260.000 = 1.130.000 J.)

30. C (Konduksi terjadi lewat hantaran material padat logam tanpa perpindahan materi.)

31. B (Konveksi mengalirkan energi termal bersama perpindahan molekul fluida.)

32. C (Radiasi memancarkan gelombang elektromagnetik tanpa medium zat perantara.)

33. B (Siang hari, angin bertiup dari laut yang bertekanan tinggi (lebih dingin) ke darat.)

34. B (Malam hari daratan dingin cepat, memicu aliran angin darat ke laut membawa perahu nelayan.)

35. C (Pemuaian adalah penambahan dimensi geometri akibat eksitasi partikel panas.)

36. B (Celah mencegah tekanan mekanis yang dapat memecahkan kaca jendela saat memuai.)

37. B (Kabel menyusut di malam hari, jika dipasang tegang akan rentan putus.)

38. C (Memberikan ruang toleransi dimensi agar struktur tidak melengkung rusak.)

39. D (Warna permukaan mempengaruhi laju radiasi, bukan nilai mutlak pemuaian termal panjang.)

40. B (ΔL = L₀.α.Δt = 1 × 0,000017 × 100 = 0,0017 meter.)