Konsep dan Pembelajaran IPA SD (Sifat Termal Zat)

A. Sifat Termal Zat

Sifat termal adalah respon material terhadap panas. Ketika bahan padat menyerap energi panas maka temperaturnya akan naik dan dimensinya bertambah.

Kapasitas panas/kalor, adalah kemampuan material untuk menyerap energi panas dari lingkungannya, atau sejumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikan 1 unit temperatur.

Sifat termal zat ialah bahwa setiap zat yang menerima ataupun melepaskan kalor, maka zat tersebut akan mengalami: Perubahan suhu/ temperatur/ derajat panas. Perubahan panjang ataupun perubahan volume zat tersebut. Perubahan wujud.

sumber gambar: kompas.com

1. Temperatur

        Temperatur adalah derajat panas suatu benda. Dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termalapabila temperaturnya sama. Kalor (heat) adalah energi yang mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Untuk mengukur temperatur digunakan termometer yang memanfaatkan sifat bahan tertentu yang memuai jika temperaturnya naik, misalkan bahan Air Raksa (Hg).

Skala temperatur ditentukan oleh dua suhu referensi.

1. Titik Beku Air Suhu dimana air membeku pada tekanan satu atmosfer (1 atm).

2. Titik Didih Air Suhu dimana air mendidih pada tekanan satu atmosfer (1 atm).

   Alat untuk mengukur suhu suatu zat disebut

Termometer. Secara umum ada 3 jenis termometer, yaitu:

1. Termometer celcius, mempunyai titik beku air 00

   titik didih air 1000

2. Termometer reamur, mempunyai titik beku air 00

   titik didih air 800

3. Termometer Fahrenheit, mempunyai titik beku air

   320 titik didih air 2120

2. Kalor dan Perpindahannya

        Kamu tentu sudah menyadari bahwa sumber panas yang utama di dunia ini adalah matahari. Energi panas atau energi kalor yang diradiasikan hingga ke bumi itu dimanfaatkan oleh tumbuhan hijau untuk fotosintesis. Manusia dan hewan mentransfer energi itu dengan memakan bagian dari tumbuhan. Tumbuhan-tumbuhanpurba masih menyisakan energi tersebut dalam wujud batubara, dan hewan-hewan purba menyisakan energi itu dalam wujud minyak bumi.

Dari awal abad 18 hingga 19 Masehi, kalor masih diyakini oleh sebagian orang sebagai suatu fluida yang disebut kalori k. Fluida ini dapat berpindah dari suatu zat ke zat yang lainnya. Arah perpindahan itu adalah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu rendah. Kalor adalah suatu bentuk energi. Istilah kalor berasal dari Caloric, pertama kali diperkenalkan oleh A.L. Lavoiser seorang ahli kimia dari Perancis. Oleh para ahli kimia dan fisika kalor dianggap sejenis zat alir yang tidak terlihat oleh manusia, berdasarkan itulah satuan kalor ditetapkan dengan nama kalori disingkat kal.

Kalori didefinisikan : Satu kalori (kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gr air sehingga suhunya naik 1oC. Sedang pengertian suhu adalah ukuran derajat panas dinginnya suatu benda. Suhu umumnya diukur dengan alat ukur suhu berupa termometer.

Adapun syarat terjadinya perpindahan kalori ini adalah adanya sentuhan kedua benda yang berbeda suhu. Fluidakalori k ini akan berpindah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang bersuhu rendah, hingga tercapai suatu kesamaan suhu antara kedua benda yang disebut dengan kesetimbangan termal. 

Hingga pertengahan abad ke 18 pengertian kalor sebagai suatu fluida masih mengemuka dimasyarakat, bahkan pengertian kalor semakin rancu denganpengertian suhu, yang sesungguhnya memang berbeda. Kalor adalah fluida atau zat alir, dan suhu adalah derajat panas atau dinginya suatu benda yang diukur dengan termometer.

Namun pendapat tersebut berubah, ketika seorang bernama Benjamin Thompson menyatakan bahwa kalor bukanlah suatu fluida kalorik tetapi dihasilkan oleh usaha yang dilakukan oleh kerja mekanis.

Percobaan Joule: Pemikiran bahwa kalor bukanlah suatu fluida, namun dihasilkan dari suatu usaha yang berarti berhubungan dengan energi, maka Prescot Joule melakukan percobaan untuk menghitung besar energi mekanik yang ekuivalen dengan kalor sebanyak 1 kalori.

Percobaan joule adalah dengan menggantung beban pada suatu kontrol yang dihubungkan dengan kincir yang dapat bergerak manakala beban bergerak. Kincir tersebut dimasukkan kedalam air. Akibat gerakan kincir tersebut, maka suhu air akan berubah naik.

Penurunan ketinggian beban dapat menunjukkan adannya perubahan energi potensial gravitasi pada beban. Jika beban turun dengan kecepatan tetap, Maka dapat dikatakan tidak terdapat perubahan energi kinetic pada beban, sehingga seluruh perubahan energi potensial dari beban akan berubah menjadi energi kalor pada air. Berdasarkan teori bahwa terjadi perubahan energi potensial gravitasi menjadi energi kalor, maka diperoleh suatu nilai tara mekanik kalor, yaitu ekuivalensi energi mekanik menjadi energi kalor.

Hukum Ke Nol Termodinamika

Menurut hukum ke Nol Termodinamika: Jika

benda A berada dalam keseimbangan termal dengan benda B, sedang B setimbang termal dengan benda C, maka ketiga benda dalam keseimbangan termal satu terhadap lainnya. Jadi dua benda dikatakan berada dalam kesetimbangan termal adalah jika dua benda dengan temperatur berbeda disentuhkan secara termal satu sama lain , akhirnya dua benda tersebut mempunyai temperatur yang sama.

Pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud zat Adanya pengertian, bahwa kalor bukanlah aliran fluida, melainkan merupakan suatu bentuk energi, yang dapat diperoleh dari perubahan energi mekanik, maka akan kita perhatikan apakah kalor tersebut akan mempengaruhi suatu benda atau temperatur dari suatu benda atau zat.

Apabila suatu benda diberikan kalor, maka pada zat tersebut dapat terjadi perubahan seperti :

1. Terjadi pemuaian
2.  Terjadi perubahan wujud
3. Terjadi kenaikan suhu

3. Pemuaian 

    Pemberian kalor pada sustu zat selain dapat menaikkan atau menurunkan suhu zat, dapat juga merubah wujud suatu zat, atau menyebabkan benda mengalami pemuaian. Umumnya semua zat akan memuai jika ia mengalami kenaikan suhu, kecuali beberapa zat yang mengalami penyusutan saat terjadikenaikan suhu, pada suatu interval suhu tertentu. Kejadian penyusutan wujud zat saat benda mengalami kenaikan suhu disebut anomali, seperti terjadi pada air. Air saat dipanaskan dari suhu 0°C menjadi 4°C justru volumenya mengecil, dan baru setelah suhunya lebih besar dari 4°C volumenya membesar.

Hal tersebut diatas tidak berlaku sepenuhnya pada air, pada air terjadi perkecualian. Misalnya volume air akan berkurang bila suhunya dinaikkan dari 0°C, peristiwa ini disebut dengan anomali air.

Proses Pemuaian Zat
    Pemuaian zat adalah peristiwa perubahan geometri dari suatu benda karena pengaruh panas (kalor). Perubahan geometri meliputi bertambahnya panjang, lebar, maupun volume. biasanya diiringi dengan kenaikan suhu zat. Jenis-jenis pemuaian zat

• Pemuaian Zat Padat

    Pemuaian zat padat merupakan peristiwa bertambah panjang, lebar, atau volume suatu benda padat karena pengaruh panas (kalor). Contoh pemuaian zat padat seperti pemuaian rel kereta. Jenis-jenis Pemuaian Zat Padat Benda padat pada prinsipnya mengalami pemuaian di semua bagian benda tersebut (volume) tapi guna memudahkan mempelajarinya, pemuaian zat padat dibagi menjadi 3 yaitu: 

1. Pemuaian Panjang Pemuaian panjang adalah pertambahan panjang benda akibat pengaruh suhu (1 dimensi). Contohnya pada kabel listrik yang terlihat lebih kendor di siang hari jika dibanding pada pagi hari, itulah contoh dari pemuaian panjang. Besarnya pemuaian zar tergantung pada konstanta muai panjang zat dan nilai konstanta tersebut akan berbeda- beda untuk tiap zatnya. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda.

2. Pemuaian Luas, Contohnya pada pemanasan lempeng tipis logam. Lempeng tipis logam akan mengalami penambahan luas setelah dipanaskan. Kemampuan suatu benda untuk mengalami pemuaian luas sangat ditentukan oleh koefisien muai luas dilambangkan dengan β, Dengan nilai β = 2α.

3. Pemuaian Volume Pemuaian volume sama juga dengan pertambahan atau pemuaian panjang secara 3 dimensi. Karena itu muai volume sama juga dengan tiga kali muai panjang. 

•  Pemuaian Zat Cair

    Pada zat cair pemuaian yang terjadi hanya pemuaian volume, tidak ada pemuaian panjang dan luas. Ini terkait dengan sifat dar zat cair sendiri yang bentuknya berubah-ubah sesuai dengan bentuk wadah yang ditempatinya. Coba isi penuh sebuah panci dengan air kemudia panaskan, beberapa saat kemudian akan ada air yang tumpah dari panci tersebut, itulah salah satu contoh pemuaian zat cair 

• Pemuaian Zat Gas/ Pemuaian Gas 

    Gas juga megalamai pemuaian layaknya pada pemuaian zat cair dan zat padat. Khusus untuk pemuaian zat ini agak berbeda dengan pemuaian zat padat dan pemuaian zat cair. Ada satu variabel yang sangat menentukan pemuaia zat gas yaitu tekanan. Balon yang kepanasan tiba- tiba meletus, itu salah satu contoh sederhana pemuaian gas. Hukum yang menjelaskan tentang pemuaian zat gas yaitu: 

a. Hukum Gay Lussac

b.  Hukum Boyle

c.  Hukum Boyle-Gay Lussac 

Contoh Pemuaian Jenis Pemuaian Zat 

• Contoh Pemuaian Zat padat: 

a. Rel Kereta Api yang bengkok karena panas 

b. Kabel listrik/telepon yang lebih kendur ketika siang hari 

 c. Bimetal pada alat-alat listrik seperti pada setrika yang akan mati sendiri ketika sudah terlalu panas.

d.  Pemuaian pada kaca rumah.

e.  Mengeling Pelat Logam Umumnya dilakukan pada pembuatan container dan badan kapal besar.

f.  Pemasangan Ban Baja pada Roda Lokomotif Dilakukan dengan cara memanaskan ban baja hingga memuai kemudian dipasangkan pada poros roda, setelah dingin akan menyusut dan mengikat kuat.

• Contoh Pemuaian Zat Cair

a.  Termometer Memanfaatkan pemuaian zat cair (raksa atau alkohol) pada tabung thermometer.

b.  Air dalam panci akan meluap ketika dipanaskan. (selain dipengaruhi oleh konveksi kalor peristiwa ini juga dipengaruhi oleh pemuaian air)

c.  pemuaian cairan merkuri pada termometer.

Contoh Pemuaian Zat Gas

2. a. Balon yang meletus terkena panas.
   b. Roda kendaraan yang meletus terkena panas

          Manfaat dan Kerugian Pemuaian Zat Pemuaian zat selain memiliki manfaat juga memiliki kerugian. Beberapa pemuaian zat yang tidak terkendali bisa menjadi sesuatu yang merugikan seperti rel kereta yang bengkok atau ban kendaraan yang pecah tiba-tiba karena terlalu panas, ini bisa menyebabkan kecelakann yang fatal. Yang paling penting adalah kita mengatisipasinya sebaik mungkin seperti membuat jarak antar rel atau membuat ban dari bahan yang tidak mudah memuai. Selain merugikan masih banyak juga manfaat dari pemuaian zat sepeti pemuaian bimetal yang digunakan untuk pengamanan alat-alat listrik dari kebakaran atau korsletting dan juga pemakaian listrik berlebih. 

 4. Perubahan Wujud

Ketika sejumlah kalor diterima atau dilepas oleh suatu zat, maka ada dua kemungkinan yang terjadi pada suatu benda, yaitu benda akan mengalami perubahan suhu, atau mengalami perubahan wujud.

Kenaikan suhu suatu benda dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan yang mengkaitkan dengan kalor jenis atau kapasitas kalor.

Sedangkan pada saat benda mengalami perubahan wujud, maka tidak terjadi perubahan suhu, namun semua kalor saat itu digunakan untuk merubah wujud zat, yang dapat ditentukan dengan persamaan yang mengandung unsur kalor laten.Adanya kalor laten berupa kalor lebur dan kalor didih sangat sering dijumpai dalam kehidupan, seperti meleburnya es cream pada suhu normal, atau mendidihnya air sebelum dikonsumsi untuk kehidupan sehari-hari.

Perubahan wujud ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik, yang menyatakan bahwa saat mencapai titik lebur atau titik didih, kecepatan getar zat akan bernilai maksimum, sehingga kalor yang diterima tidak digunakan untuk menambah kecepatan, namun digunakan untuk melawan gaya ikat antar molekul zat. Sehingga saat molekul-molekul itu dapat melepaskan ikatannya, maka zat akan berubah wujud melebur atau mendidih.

5. Perubahan Suhu

Suhu merupakan suatu istilah yang dipakai untuk membedakan panas dinginnya suatu benda. Misalnya benda panas akan dikatakan mempunyai suhu tinggi dan benda dingin mempunyai suhu yang rendah.

Zat cair yang biasanya dipakai untuk mengisi termometer adalah air raksa. Suhu dapat diukur dengan termometer. Kebaikan air raksa dari zat cair lainnya yaitu :

1. Air raksa dapat cepat mengambil panas benda yang diukur sehingga suhunya sama dengan suhu benda yang diukur tersebut

2. Dapat dipakai untuk mengukur suhu benda dari yang rendah sampai yang tinggi, karena air raksapunya titik beku –39°C dan titik didih 357°C.

   c. Tidak dapat membasahi dinding tabung, sehingga pengukurannya dapat lebih teliti.

   4. Pemuaian dari air raksa adalah teratur.

   5. Mudah dilihat, karena air raksa mengkilat.

      Selain air raksa dapat juga digunakan alkohol

   untuk mengisi tabung termometer. Alkohol mempunyai titik rendah / beku –114°C dengan titik didih 78°C. Termometer ada berbagai macam menurut fungsinya, yaitu :

   1. Termometer suhu badan

   2. Termometer udara

   3. Termometer logam

   4. Termometer maximum dan minimum

   5. Termograf untuk terminology

   6. Termometer digital

   Skala Termometer
   Macam – macam satuan skala termometer :

   1. Termometer skala Celcius, titik didihnya 100°C dengan titik beku 0°C. Sehingga dari 0° – 100°C, dibagi dalam 100 skala.

   2. Termometer skala Reamur, titik didihnya 80°R dengan titik beku 0°R. Sehingga dari 0° – 80°R, dibagi dalam 80 skala.

   3. Termometer skala Kelvin, titik didihnya 373°K dengan titik beku 273°K. Sehingga dari 273°K – 373°K, dibagi dalam 100 skala.

   4. Termometer Fahrenheit, titik didihnya 212°F dengantitik beku 32°F. Sehingga dari 32°F – 212°F, dibagi dalam 180 skala.

      5. Termometer Rainkin, titik didihnya 672°Rn dengan titik beku 492°Rn. Sehingga dari 492° Rn– 672°Rn, dibagi dalam 180 skala.

      Tanpa usaha luar, maka kalor sebagai suatu bentuk energi dapat berpindah tempat dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah dengan berbagai cara, yaitu :

      1. Konduksi

         Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujung A, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkan molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik A.

      2. Konveksi
         Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair.

         3. Radiasi

         Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara, seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran dengan oven dan efek rumah kaca.

         
         

         Sumber : Buku Ajar Konsep Dasar IPA di SD (Satriawati & Irman: 2019)