Ringkas Suhu & Kalor SMP — Fisika Penyegaran SMP

Setelah ini kamu bisa membedakan suhu dan kalor, menghitung kalor dengan $Q = mc\,\Delta t$ , menerapkan asas Black, dan menjelaskan tiga cara perpindahan kalor.

Tuang air panas ke gelas berisi air dingin, beberapa saat kemudian seluruh air jadi hangat seimbang. Es di gelas mencair walau suhunya tidak naik selama pencairan — kalornya pergi memutus ikatan. Suhu dan kalor sering tertukar, padahal beda: suhu derajat panas, kalor energi yang berpindah. Sebelum masuk termodinamika kelas 11, kamu perlu mengenang termometer, rumus kalor, asas Black, dan tiga jalur kalor berpindah. Coba lihat sendiri di bawah.

Geser slider massa dan kalor jenis di bawah, lalu amati kemiringan garis Q terhadap kenaikan suhu yang berubah.

Suhu, termometer, dan derajat panas

Suhu adalah ukuran derajat panas atau dingin suatu benda. Di SMP kamu mengukurnya dengan termometer yang memakai sifat termometris (mis. pemuaian raksa/alkohol, atau sensor digital). Empat titik acuan umum: titik beku dan titik didih air. Skala Celsius (°C), Reamur (°R), Fahrenheit (°F), dan Kelvin (K) — konversi antar skala ini akan didalami di kelas 11.

Suhu menyatakan derajat panas benda; kalor adalah energi panas yang berpindah dari benda bersuh tinggi ke benda bersuh rendah. Satuan kalor dalam SI adalah joule (J).

Penting: suhu bukan kalor. Secangkir air mendidih bersuh 100 °C punya kalor lebih sedikit daripada kolam renang bersuh 25 °C — kolam menyimpan jauh lebih banyak energi karena massanya besar, walau suhunya rendah.

Kalor dan rumus Q = mcΔt

Bila sebuah benda menerima kalor, suhunya naik (selama belum berubah wujud). Besar kalor yang diperlukan bergantung pada massa, jenis bahan, dan besar kenaikan suhu. Inilah rumus dasar dari SMP:

$Q = m \cdot c \cdot \Delta t$

Arti tiap simbol: $Q$ kalor (joule), $m$ massa benda (kg), $c$ kalor jenis bahan (J/kg·°C), $\Delta t$ perubahan suhu (°C atau K). Kalor jenis air $c = 4.200$ J/kg·°C — paling besar di antara zat umum.

Maka memanaskan 0,5 kg air sebesar 20 °C butuh $Q = 0{,}5 \times 4.200 \times 20 = 42.000$ J. Bahan dengan kalor jenis kecil (mis. besi 450) naik suhunya jauh lebih cepat untuk kalor yang sama — itulah kenapa panci besi cepat panas.

Asas Black: kalor lepas = kalor terima

Saat air panas dan air dingin dicampur, air panas melepas kalor dan air dingin menerima kalor sampai tercapai suhu akhir yang sama. Asas Black menyatakan: kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima (anggap tak ada kalor hilang ke lingkungan).

Pada grafik di bawah, suhu akhir campuran ditunjukkan oleh titik temu dua kurva — air panas mendingin, air dingin memanas, bertemu di suhu keseimbangan. Geser slider perbandingan massa untuk merasakan pergeseran titik temu.

Asas Black seperti menukar uang antar dua orang sampai keduanya punya jumlah sama. Yang panas “membayar” kalor, yang dingin “menerima” kalor, sampai suhu mereka seimbang. Kalor yang hilang dari satu pihak tidak hilang dari alam — ia hanya pindah.

Tiga cara perpindahan kalor

Kalor berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah lewat tiga jalur:

Konduksi — perpindahan lewat zat padat tanpa partikel berpindah (sendok logam di sup panas).
Konveksi — perpindahan lewat aliran zat cair/gas (air mendidih, angin laut).
Radiasi — perpindahan tanpa medium, lewat gelombang elektromagnetik (panas matahari ke bumi).

Pada grafik di bawah, profil suhu sepanjang batang hasil konduksi memperlihatkan penurunan linier dari ujung panas ke ujung dingin. Geser slider beda suhu untuk melihat kemiringannya.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. 0,2 kg air pada 20 °C dicampur dengan 0,3 kg air pada 80 °C (keduanya $c = 4.200$ J/kg·°C, tak ada kalor hilang). (a) Tulis asas Black. (b) Berapa suhu akhir campuran?

Kalor yang dilepas air panas = kalor yang diterima air dingin: $m_p \cdot c \cdot (t_p - t_a) = m_d \cdot c \cdot (t_a - t_d)$ . Kalor jenis sama sehingga coret.

$0{,}3 \cdot (80 - t_a) = 0{,}2 \cdot (t_a - 20)$ . Kuatkan: $24 - 0{,}3 t_a = 0{,}2 t_a - 4$ .

$24 + 4 = 0{,}2 t_a + 0{,}3 t_a \Rightarrow 28 = 0{,}5 t_a \Rightarrow t_a = 56$ °C. Inilah suhu keseimbangan campuran — antara 20 °C dan 80 °C, lebih dekat ke suhu massa yang lebih besar.

Jebakan: menyamakan suhu dengan kalor. Yang benar: suhu derajat panas (°C), kalor energi yang berpindah (joule). Benda bersuh sama bisa menyimpan kalor berbeda tergantung massanya.

Jebakan: mengira kalor jenis sama untuk semua bahan. Yang benar: air punya kalor jenis tinggi ( $4.200$ J/kg·°C), logam rendah (~450 besi). Itulah kenapa air lambat panas-dingin dan dipakai sebagai pendingin mesin.

Jebakan: menyamakan konduksi, konveksi, dan radiasi. Yang benar: konduksi = lewat zat padat tanpa partikel berpindah; konveksi = lewat aliran zat cair/gas; radiasi = tanpa medium (gelombang EM). Hanya radiasi yang bisa menembus ruang hampa.

Suhu = derajat panas (°C); kalor = energi yang berpindah (joule).
Kalor untuk menaikkan suhu: $Q = mc\,\Delta t$ .
Asas Black: kalor yang dilepas = kalor yang diterima (suatu sistem terisolasi).
Tiga cara perpindahan kalor: konduksi, konveksi, radiasi.
Hanya radiasi yang dapat menembus ruang hampa antariksa.