Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.5 Kalor dan termodinamika
F.5

Kalor, Gas Ideal, dan Termodinamika

Fase F · Kelas XI–XII

Kalor adalah energi yang berpindah karena perbedaan suhu. Dari memasak air sampai mesin kendaraan dan pemanasan global, semua diatur oleh beberapa hukum yang sama: kekekalan energi (Hukum I termodinamika) dan arah alami perpindahan kalor (Hukum II).

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menganalisis konsep kalor dan termodinamika serta penerapannya untuk mengidentifikasi fenomena perubahan iklim. Panduan memuat suhu, kalor, perpindahan kalor, gas ideal, proses termodinamika, hukum ke-nol, I, dan II, efisiensi mesin, dan peran gas rumah kaca dalam menyerap dan memancarkan radiasi inframerah.

🎯Yang perlu kamu kuasai

  • Menghitung kalor untuk kenaikan suhu dan perubahan wujud, serta menerapkan Asas Black.
  • Membedakan konduksi, konveksi, dan radiasi, serta cara mengurangi masing-masing.
  • Menerapkan persamaan gas ideal dan hukum Boyle–Gay-Lussac.
  • Menghitung usaha, kalor, dan perubahan energi dalam pada proses termodinamika.
  • Menghitung efisiensi mesin kalor dan mesin Carnot.
  • Menjelaskan efek rumah kaca dan upaya mengatasi perubahan iklim.

📚Materi

1. Kalor, kenaikan suhu, dan perubahan wujud

\[ Q = mc\Delta T \qquad\text{(kenaikan suhu)} \]
\[ Q = mL \qquad\text{(perubahan wujud, suhu tetap)} \]

\( c \) kalor jenis (air 4.200 J/kg °C, es 2.100 J/kg °C), \( L \) kalor laten (lebur es 336.000 J/kg, uap air 2,26 × 10⁶ J/kg). Selama melebur atau mendidih, suhu tetap karena kalor dipakai untuk memutus ikatan antarpartikel.

Grafik suhu terhadap kalor untuk 1 kilogram es mulai minus 20 derajat. Suhu naik sampai 0 derajat, mendatar selama es melebur, lalu naik lurus sampai 100 derajat.
Pemanasan 1 kg es dari −20 °C: tiga tahap, dan bagian mendatar adalah perubahan wujud.

Asas Black: pada pencampuran dalam wadah tertutup, kalor yang dilepas benda panas sama dengan kalor yang diterima benda dingin, \( Q_{\text{lepas}} = Q_{\text{terima}} \).

2. Perpindahan kalor

  • Konduksi: melalui zat tanpa perpindahan zat, \( \dfrac{Q}{t} = kA\dfrac{\Delta T}{L} \). Logam konduktor baik; kayu, plastik, dan udara isolator.
  • Konveksi: disertai aliran zat (angin darat dan laut, air mendidih di panci).
  • Radiasi: tanpa medium, berupa gelombang elektromagnetik; \( P = e\sigma A T^4 \) (T dalam kelvin). Permukaan hitam dan kusam menyerap dan memancarkan lebih baik daripada permukaan putih mengilap.

Termos mengurangi ketiganya: ruang hampa (konduksi dan konveksi) dan dinding mengilap (radiasi).

3. Gas ideal

\[ pV = nRT = NkT \]
\[ \frac{p_1 V_1}{T_1} = \frac{p_2 V_2}{T_2} \]

Suhu harus dalam kelvin (\( T = t + 273 \)). Energi kinetik rata-rata partikel gas sebanding dengan suhu mutlaknya, \( \bar E_k = \tfrac32 kT \).

4. Hukum termodinamika

Hukum ke-nol: dua benda yang masing-masing setimbang termal dengan benda ketiga berada dalam keadaan setimbang termal satu sama lain (dasar kerja termometer).

Hukum I: kekekalan energi pada sistem gas,

\[ Q = \Delta U + W \]

\( Q \) positif jika sistem menerima kalor, \( W \) positif jika sistem melakukan usaha (memuai).

Diagram tekanan terhadap volume dengan tiga proses: garis mendatar isobarik, garis tegak isokhorik, dan kurva isotermal yang menurun. Daerah di bawah garis isobarik diarsir dan diberi label W sama dengan p delta V.
Usaha gas adalah luas di bawah kurva pada diagram p–V.
  • Isobarik (p tetap): \( W = p\Delta V \).
  • Isokhorik (V tetap): \( W = 0 \), sehingga \( Q = \Delta U \).
  • Isotermal (T tetap): \( \Delta U = 0 \), sehingga \( Q = W \).
  • Adiabatik (tanpa pertukaran kalor): \( Q = 0 \), sehingga \( W = -\Delta U \).

Hukum II: kalor mengalir secara alami dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; tidak ada mesin yang mengubah seluruh kalor menjadi usaha. Efisiensi mesin kalor dan batas atasnya (mesin Carnot):

\[ \eta = \frac{W}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} \le 1 - \frac{T_2}{T_1} \]

Lemari es dan AC adalah mesin kalor yang dibalik: memerlukan usaha (listrik) untuk memindahkan kalor dari ruang dingin ke luar.

5. Kalor, termodinamika, dan perubahan iklim

Radiasi Matahari (sebagian besar cahaya tampak) menembus atmosfer dan memanaskan permukaan Bumi. Permukaan memancarkan kembali energi sebagai radiasi inframerah. Gas rumah kaca (CO₂, metana, uap air, N₂O) menyerap sebagian inframerah itu dan memancarkannya kembali, sebagian ke permukaan. Bertambahnya gas rumah kaca dari pembakaran bahan bakar fosil dan deforestasi membuat lebih banyak energi tertahan, sehingga suhu rata-rata Bumi naik. Upaya mitigasi: efisiensi energi, energi terbarukan, transportasi umum, dan menjaga hutan serta mangrove.

Penyelidikan sederhana

Isi tiga gelas dengan air panas bersuhu sama, bungkus dengan bahan berbeda (koran, kain, aluminium foil), dan catat suhu setiap 5 menit. Gelas mana yang paling lambat mendingin? Hubungkan hasilnya dengan desain rumah hemat energi.

✏️Contoh soal

Sebanyak 200 g air bersuhu 80 °C dicampur dengan 50 g es bersuhu 0 °C dalam wadah yang tidak menyerap kalor. Tentukan suhu akhir campuran. (c air = 4.200 J/kg °C, L es = 336.000 J/kg)

Kalor untuk meleburkan seluruh es: \( 0{,}05 \times 336.000 = 16.800 \) J. Kalor yang dapat dilepas air hingga 0 °C: \( 0{,}2 \times 4.200 \times 80 = 67.200 \) J — cukup, jadi es melebur seluruhnya.

\[ 0{,}2(4.200)(80 - T) = 16.800 + 0{,}05(4.200)(T - 0) \]
\[ 67.200 - 840T = 16.800 + 210T \Rightarrow T = 48\ ^\circ\text{C} \]
Periksa. Suhu akhir harus di antara 0 °C dan 80 °C, dan lebih rendah daripada rata-rata tertimbang tanpa peleburan (64 °C), karena sebagian kalor dipakai untuk melebur.
Jebakan. Lupa kalor lebur, atau tidak memeriksa apakah es melebur seluruhnya. Jika kalor air tidak cukup, suhu akhirnya 0 °C dengan sisa es.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Ketel 1.000 W memanaskan 2 kg air dari 25 °C ke 100 °C. Berapa lama waktunya jika semua energi diserap air?
\( Q = 2 \times 4.200 \times 75 = 630.000 \) J, sehingga \( t = 630 \) s = 10,5 menit.
2. Mengapa gagang panci dibuat dari kayu atau plastik?
Kayu dan plastik adalah isolator (konduktivitas termal kecil), sehingga kalor dari badan panci yang panas tidak mudah merambat ke tangan.
3. Ban berisi udara 27 °C dan 2,0 atm. Setelah perjalanan suhunya 57 °C dengan volume tetap. Berapa tekanannya?
\( p_2 = 2{,}0 \times \dfrac{330}{300} = 2{,}2 \) atm.
4. Gas menerima kalor 500 J dan melakukan usaha 200 J. Berapa perubahan energi dalamnya?
\( \Delta U = Q - W = 500 - 200 = 300 \) J (energi dalam bertambah, suhu naik).
5. Mesin Carnot bekerja antara 527 °C dan 127 °C dan menyerap 2.000 J per siklus. Berapa efisiensi dan usahanya?
\( \eta = 1 - 400/800 = 50\% \); \( W = 1.000 \) J per siklus.
6. Jelaskan mengapa menebang hutan memperparah pemanasan global dari sudut pandang energi.
Pohon menyerap CO₂; tanpa hutan, kadar CO₂ di atmosfer naik. Lebih banyak CO₂ menyerap lebih banyak radiasi inframerah dari permukaan dan memancarkan sebagian kembali, sehingga lebih banyak energi tertahan dan suhu rata-rata naik.

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

  • Paket 1 · Soal 18 PG — Menentukan jenis variabel dalam rancangan percobaan tentang perpindahan kalor.
  • Paket 1 · Soal 19 PG — Menentukan massa es pada peristiwa pencampuran zat yang disertai perubahan wujud menggunakan asas Black.
  • Paket 1 · Soal 20 PG — Menentukan tekanan gas ideal pada volume tetap setelah suhunya berubah.
  • Paket 1 · Soal 21 PGK MCMA — Menganalisis usaha, perubahan energi dalam, dan perubahan suhu gas pada proses isobarik berdasarkan grafik p–V.
  • Paket 1 · Soal 22 PGK MCMA — Memilih strategi yang tepat untuk mengurangi penyebab pemanasan global berdasarkan data.
  • Paket 2 · Soal 18 PG — Menentukan waktu pemanasan air dengan pemanas listrik dari hubungan kalor dan daya.
  • Paket 2 · Soal 19 PGK Kategori — Menjelaskan cara mengurangi perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi pada benda sehari-hari.
  • Paket 2 · Soal 20 PG — Menentukan volume gas ideal setelah tekanan dan suhunya berubah bersamaan.
  • Paket 2 · Soal 21 PGK MCMA — Menganalisis efisiensi, usaha dan kalor yang dibuang mesin Carnot serta pengaruh perubahan suhu reservoir.
  • Paket 2 · Soal 22 PG — Menjelaskan proses terjadinya efek rumah kaca.