Suhu dan Kalor

Modul Olimpiade IPA SD — Bab 4

Pegang gelas berisi es dengan tangan kirimu, dan gelas berisi teh hangat dengan tangan kananmu. Tunggu setengah menit, lalu celupkan kedua tanganmu ke dalam satu baskom berisi air biasa.

Yang aneh akan terjadi: tangan kirimu merasa air itu hangat, sedangkan tangan kananmu merasa air yang sama itu dingin. Padahal airnya cuma satu.

Percobaan kecil ini mengajarkan satu hal penting: perasaan kita bukan alat ukur yang bisa dipercaya. Kita butuh cara yang objektif untuk menyatakan panas dan dingin — dan itulah yang akan kamu pelajari di bab ini.

Kamu juga akan tahu mengapa gelas bisa pecah disiram air panas, mengapa kursi logam terasa lebih dingin daripada kursi plastik padahal berada di ruangan yang sama, dan mengapa air laut lambat sekali panasnya dibanding pasir pantai.

Ayo mulai.

Suhu: Ukuran Gerak Partikel

Suhu menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Tapi ada penjelasan yang lebih dalam dan lebih berguna untuk olimpiade.

Suhu sebenarnya adalah ukuran energi gerak rata-rata partikel penyusun benda. Makin tinggi suhunya, makin cepat partikelnya bergerak.

Jadi kalau ada dua gelas berisi air dengan volume sama, satu bersuhu 27 °C dan satu bersuhu 80 °C, maka molekul air pada gelas 80 °C bergerak lebih cepat. Bukan sekadar "lebih panas" — memang benar-benar bergerak lebih cepat.

Kalor Berbeda dari Suhu

Kalor adalah energi panas yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Satuannya joule (J) atau kalori (kal).

Ingat! Kalor selalu mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, tidak pernah sebaliknya. Pernyataan "panas mengalir dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi" adalah pernyataan yang salah — dan sering dipasang sebagai jebakan pada soal "manakah yang TIDAK benar".

Perbedaan keduanya bisa kamu pegang begini: suhu adalah keadaan sebuah benda, sedangkan kalor adalah energi yang berpindah. Segelas air mendidih dan sepanci air mendidih punya suhu sama (100 °C), tetapi sepanci air menyimpan kalor jauh lebih banyak karena massanya lebih besar.

Termometer dan Cara Kerjanya

Termometer bekerja dengan memanfaatkan sifat zat yang berubah secara teratur mengikuti suhu. Pada termometer cairan, sifat itu adalah pemuaian: cairan memuai saat dipanaskan sehingga naik di dalam pipa.

Bagian-bagiannya:

• Bohlam (tandon) — tempat cairan berkumpul, bersentuhan dengan benda yang diukur.
• Pipa kapiler — pipa yang sangat sempit, agar pemuaian sedikit saja sudah terlihat sebagai kenaikan yang jelas.
• Skala — angka penunjuk suhu.
• Cairan pengisi — raksa atau alkohol berwarna.

Pembanding	Raksa	Alkohol
Warna	mengilap, mudah dilihat	perlu diberi pewarna
Titik beku	−39 °C	−114 °C (bagus untuk daerah sangat dingin)
Titik didih	357 °C (bagus untuk suhu tinggi)	78 °C
Membasahi dinding	tidak (mudah dibaca)	ya (sedikit menempel)

Empat Skala Suhu dan Konversinya

Skala	Titik beku air	Titik didih air	Panjang skala
Celsius (°C)	0	100	100 bagian
Reaumur (°R)	0	80	80 bagian
Fahrenheit (°F)	32	212	180 bagian
Kelvin (K)	273	373	100 bagian

Dari tabel itu lahir perbandingan yang wajib kamu hafal:

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

• R = \tfrac{4}{5} \times C
• F = \left(\tfrac{9}{5} \times C\right) + 32
• K = C + 273
• C = \tfrac{5}{4} \times R
• C = \tfrac{5}{9} \times (F - 32)
• C = K - 273

Ingat! Angka 32 hanya muncul pada Fahrenheit, karena hanya Fahrenheit yang titik beku airnya bukan nol. Kelvin cukup ditambah 273 tanpa dikalikan apa pun, karena satu derajat Kelvin sama besar dengan satu derajat Celsius.

Contoh Soal 1

Suhu tubuh seseorang 37 °C. Nyatakan dalam Kelvin, Fahrenheit, dan Reaumur.

Pembahasan:

K = 37 + 273 = 310 \text{ K}

F = \left(\tfrac{9}{5} \times 37\right) + 32 = 66{,}6 + 32 = 98{,}6^\circ\text{F}

R = \tfrac{4}{5} \times 37 = 29{,}6^\circ\text{R}

Jawaban: 310 K; 98,6 °F; 29,6 °R.

Ingat! Angka 98,6 dan 310 sering tertukar tempatnya pada pilihan jawaban. Periksa besarannya: nilai Kelvin pasti jauh lebih besar daripada Celsius (selisih 273), sedangkan Reaumur pasti lebih kecil daripada Celsius.

Ingat! Kesalahan tersering pada soal semacam ini adalah membandingkan angka tanpa menyamakan satuannya lebih dulu. Angka 65 memang jauh lebih kecil daripada 150, tetapi satuannya berbeda sehingga perbandingannya tidak sah.

Termometer Berskala Sembarang

Soal olimpiade sering menyajikan termometer buatan sendiri dengan skala aneh — misalnya "termometer T" atau skala dalam sentimeter. Kelihatannya sulit, padahal caranya satu saja untuk semua.

Prinsipnya: letak yang sama pada dua skala pasti menyatakan suhu yang sama. Karena itu, bandingkan jarak dari titik bawah terhadap panjang seluruh skala.

\frac{X - X_{\text{bawah}}}{X_{\text{atas}} - X_{\text{bawah}}} = \frac{C - 0}{100 - 0}

Contoh Soal 2

Sebuah termometer tak bernama menunjukkan 4 cm saat es mencair, 22 cm saat air mendidih, dan 12 cm ketika mengukur air sungai. Berapa suhu air sungai dalam skala Celsius?

Pembahasan:

Langkah 1 — kenali titik acuannya. Es mencair berarti 0 °C, terletak di 4 cm. Air mendidih berarti 100 °C, terletak di 22 cm.

Langkah 2 — hitung panjang seluruh skala.

22 - 4 = 18 \text{ cm}

Langkah 3 — hitung jarak titik yang diukur dari titik bawah.

12 - 4 = 8 \text{ cm}

Langkah 4 — bandingkan.

C = \frac{8}{18} \times 100 = 44{,}4^\circ\text{C}

Jawaban: Suhu air sungai kira-kira 44,4 °C.

Ingat! Jangan pernah lupa mengurangi titik bawahnya lebih dulu. Kesalahan paling sering adalah langsung membagi 84 dengan 180, padahal titik nol skala B tidak berada di angka 0.

Suhu dan Ketinggian Tempat

Makin tinggi suatu tempat, makin dingin udaranya. Patokan yang dipakai di soal: setiap naik 100 meter, suhu turun sekitar 1 °C.

Pemuaian Zat

Ketika benda dipanaskan, partikelnya bergetar lebih kuat sehingga saling menjauh sedikit. Akibatnya benda itu memuai — ukurannya bertambah. Sebaliknya, saat didinginkan benda akan menyusut.

Untuk benda berbentuk batang, pertambahan panjangnya dihitung dengan:

\Delta L = \alpha \times L_0 \times \Delta T

dengan \alpha = koefisien muai panjang (tiap bahan berbeda), L_0 = panjang mula-mula, dan \Delta T = kenaikan suhu.

Bahan	Koefisien muai panjang (/°C)
Aluminium	0,000024
Perak	0,000020
Tembaga	0,000017
Besi	0,000012

Pemuaian tidak hanya terjadi pada zat padat. Zat cair dan gas juga memuai — bahkan lebih besar. Urutannya: gas memuai paling besar, lalu zat cair, lalu zat padat.

Ingat! Pemuaian panjang dibahas untuk benda padat yang berbentuk batang, seperti besi, timah, dan seng. Air dan kayu tidak dipakai sebagai contoh pemuaian panjang — air karena berwujud cair, dan kayu karena bukan bahan yang lazim dipakai untuk perhitungan itu.

Bimetal

Bimetal adalah dua keping logam berbeda jenis yang dikeling menjadi satu. Karena koefisien muainya berbeda, keping ini akan melengkung saat suhunya berubah.

Aturannya cukup satu kalimat, tapi harus benar-benar kamu pegang:

• Saat dipanaskan — bimetal melengkung ke arah logam yang koefisien muainya LEBIH KECIL.
• Saat didinginkan — bimetal melengkung ke arah logam yang koefisien muainya LEBIH BESAR.

Kenapa begitu? Bayangkan dua orang berpegangan tangan sambil berjalan. Yang melangkah lebih panjang akan berada di sisi luar lingkaran, dan keduanya berbelok menjauhinya. Logam yang memuai lebih banyak persis seperti orang itu: ia menjadi sisi luar lengkungan, sehingga bimetal membelok menjauhinya.

Ingat! Ini titik yang paling sering terbalik. Logam yang memuai lebih besar menjadi sisi luar, jadi lengkungannya mengarah ke logam yang memuai lebih kecil. Sekali kamu pegang gambaran "orang berpegangan tangan" tadi, kamu tidak akan tertukar lagi.

Bimetal dipakai pada sakelar otomatis setrika, termostat kulkas, dan lampu sein kendaraan.

Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari

Gelas Pecah Disiram Air Panas

Ketika air panas dituang, dinding dalam gelas langsung bersentuhan dengan air sehingga cepat panas dan cepat memuai. Dinding luar masih dingin dan belum sempat memuai sebanyak itu. Selisih pemuaian ini menimbulkan tegangan di dalam kaca, dan gelas pun retak lalu pecah.

Ingat! Dinding luar bukan berarti tidak memuai sama sekali — ia tetap memuai, hanya saja lebih lambat. Pilihan jawaban "bagian luar tidak memuai" adalah pengecoh. Yang benar: bagian dalam memuai lebih cepat daripada bagian luar.

Karena itu gelas tipis lebih tahan disiram air panas daripada gelas tebal — pada gelas tipis, selisih suhu antara sisi dalam dan sisi luar jauh lebih kecil.

Memasang Kabel Listrik

Kabel listrik dan kabel telepon selalu dipasang agak kendur pada cuaca panas. Alasannya begini: pada cuaca panas kabel sedang dalam keadaan paling panjang. Nanti ketika cuaca dingin, kabel menyusut dan menjadi lebih pendek. Kalau tadi dipasang tegang, penyusutan itu akan membuatnya tertarik keras sampai bisa putus.

Sambungan Rel dan Jembatan

Prinsip yang sama muncul di banyak tempat: sambungan rel kereta api diberi celah, jembatan diberi tumpuan bergerak (rol), dan bingkai kaca jendela dibuat sedikit lebih longgar daripada kacanya. Pemuaian tidak bisa dicegah — yang bisa dilakukan hanyalah memberinya jalan.

Kalor dan Rumusnya

Untuk menaikkan suhu sebuah benda, kita harus memberinya kalor. Pertanyaannya: berapa banyak?

Q = m \times c \times \Delta T

dengan Q = kalor (joule), m = massa (kg), c = kalor jenis (J/kg°C), dan \Delta T = kenaikan suhu (°C).

Rumus ini masuk akal kalau dipikirkan pelan-pelan. Untuk memanaskan air satu panci penuh jelas butuh lebih banyak kalor daripada satu gelas — itulah peran m. Untuk menaikkan suhu sampai 80 °C butuh lebih banyak daripada sampai 40 °C — itulah peran \Delta T. Dan tiap bahan punya "kesulitan" sendiri untuk dipanaskan — itulah peran c.

Ingat! Perhatikan betapa jauh selisihnya. Air membutuhkan hampir seratus kali lipat kalor dibandingkan pancinya, padahal keduanya dipanaskan sampai suhu yang sama. Penyebabnya dua: massanya lebih besar dan kalor jenisnya jauh lebih tinggi.

Kalor Jenis

Kalor jenis (lambangnya c) menyatakan berapa banyak kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg bahan itu sebesar 1 °C.

Bahan	Kalor jenis (J/kg°C)
Perak	235
Besi	460
Kaca	670
Aluminium	900
Es	2.100
Air	4.200

Dua Cara Membaca Kalor Jenis

Soal olimpiade selalu menanyakan salah satu dari dua sudut pandang ini. Bedanya halus tapi menentukan:

• Kalau kenaikan suhunya yang disamakan — bahan berkalor jenis tinggi memerlukan kalor lebih banyak. Jadi ia sukar dipanaskan.
• Kalau kalor yang diberikan yang disamakan — bahan berkalor jenis tinggi mengalami kenaikan suhu lebih kecil.

Keduanya sebenarnya kalimat yang sama, hanya dibalik. Kalau kamu ragu, kembalikan saja ke rumus Q = m c \Delta T dan lihat mana yang tetap.

Ingat! Kalor jenis tinggi berarti kenaikan suhunya kecil saat menerima kalor yang sama. Jawaban "kalor jenis tinggi maka perubahan suhunya besar" adalah kebalikan dari yang benar, dan hampir selalu ada di pilihan.

Manfaat Kalor Jenis Air yang Tinggi

Air memiliki kalor jenis paling tinggi di antara zat yang biasa kita jumpai. Sifat ini sangat berguna:

• Pendingin mesin, ketel, dan reaktor. Air menyerap banyak sekali kalor tanpa suhunya melonjak, sehingga bisa membawa panas keluar dengan efektif.
• Menstabilkan suhu tubuh. Tubuh kita sebagian besar berisi air, sehingga suhu tubuh tidak mudah berubah drastis walaupun cuaca berubah-ubah.
• Menstabilkan iklim. Laut yang luas membuat suhu daerah pesisir tidak seekstrem daerah gurun.

Kalor untuk Mengubah Wujud

Sekarang hal yang mungkin mengejutkanmu. Coba panaskan es batu 0 °C sampai menjadi air 0 °C. Suhunya tidak berubah sama sekali — tetap 0 °C. Tapi ternyata kalor yang dibutuhkan sangat besar.

• Kalor lebur (L) — kalor untuk mengubah 1 kg zat padat menjadi cair pada titik leburnya. Q = m \times L
• Kalor uap (U) — kalor untuk mengubah 1 kg zat cair menjadi gas pada titik didihnya. Q = m \times U

Kalor lebur es adalah 340.000 J/kg. Bandingkan dengan kalor jenis air 4.200 J/kg°C — artinya, meleburkan 1 kg es memerlukan kalor sebanyak yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sejauh 80 °C lebih!

Ke Mana Perginya Kalor Itu?

Kalor yang dipakai untuk mengubah wujud tanpa mengubah suhu disebut kalor laten. Kalornya tidak hilang — ia dipakai untuk memperbesar jarak antarmolekul, melawan gaya tarik yang mengikat molekul-molekul itu.

Ingat! Kalor laten tidak mempercepat gerak molekul dan tidak menaikkan suhu. Inilah sebabnya suhu air tetap 100 °C selama mendidih, walaupun kompor terus menyala. Pilihan jawaban "menaikkan kecepatan rata-rata molekul" adalah jebakan — itu yang terjadi saat suhu naik, bukan saat wujud berubah.

Membaca Grafik Pemanasan

Kalau es dipanaskan terus sampai mendidih, hubungan suhu terhadap kalor membentuk grafik yang khas dan sangat sering keluar di olimpiade.

Cara membacanya cuma dua aturan:

1. Bagian MIRING — suhunya naik, wujudnya tetap. Pakai Q = m c \Delta T.
2. Bagian MENDATAR — suhunya tetap, wujudnya berubah. Pakai Q = m L atau Q = m U.

Bagian	Bentuk	Yang terjadi	Rumus
A–B	miring	es memanas dari suhu awal sampai 0 °C	Q = m \, c_{\text{es}} \, \Delta T
B–C	mendatar	es melebur menjadi air pada 0 °C	Q = m L
C–D	miring	air memanas dari 0 °C sampai 100 °C	Q = m \, c_{\text{air}} \, \Delta T
D–E	mendatar	air mendidih menjadi uap pada 100 °C	Q = m U

Contoh Soal 3

Sebongkah es bermassa 300 gram dipanaskan. Diketahui kalor jenis es 2.100 J/kg°C, kalor lebur es 340.000 J/kg, dan kalor jenis air 4.200 J/kg°C. Berapa kalor yang diperlukan untuk meleburkan es menjadi air pada titik leburnya (bagian B–C pada grafik)?

Pembahasan:

Langkah 1 — kenali bagian grafiknya. B–C adalah bagian mendatar, berarti wujud berubah dan suhu tetap 0 °C.

Langkah 2 — pilih rumus yang tepat. Karena suhunya tetap, kita tidak memakai kalor jenis. Rumusnya Q = m L.

Langkah 3 — samakan satuan massanya.

m = 300 \text{ g} = 0{,}3 \text{ kg}

Langkah 4 — hitung.

Q = 0{,}3 \times 340.000 = 102.000 \text{ J}

Jawaban: 102.000 J.

Ingat! Angka kalor jenis es dan kalor jenis air sengaja diberikan sebagai umpan. Pada bagian mendatar, keduanya tidak dipakai sama sekali. Selalu periksa dulu: apakah suhunya berubah atau tetap?

Perhatikan bahwa tahap peleburan menyedot hampir 87% dari seluruh kalor, padahal suhunya tidak naik sedikit pun. Inilah gambaran betapa besarnya kalor laten.

Suhu Campuran

Ketika dua zat bersuhu berbeda dicampur, kalor mengalir dari yang panas ke yang dingin sampai suhunya sama. Aturannya disebut Asas Black:

Q_{\text{lepas}} = Q_{\text{terima}}

Untuk soal tingkat SD, kasus yang paling sering muncul adalah dua zat yang sama dengan massa sama. Dalam kasus itu, suhu campurannya adalah rata-rata kedua suhu:

T_{\text{campuran}} = \frac{T_1 + T_2}{2}

Contoh Soal 4

Lima gelas berisi air bermassa sama dengan suhu: A = 10 °C, B = 20 °C, C = 30 °C, D = 40 °C, dan E = 50 °C. Air pada gelas mana yang harus dicampurkan agar diperoleh suhu 25 °C?

Pembahasan:

Langkah 1 — pakai rumus rata-rata. Karena massanya sama, suhu campuran adalah rata-rata kedua suhu.

Langkah 2 — cari pasangan yang rata-ratanya 25. Artinya jumlah kedua suhu harus 25 \times 2 = 50.

Langkah 3 — uji pasangannya.

• A + D = 10 + 40 = 50 ✓
• A + E = 10 + 50 = 60 ✗
• B + E = 20 + 50 = 70 ✗
• C + D = 30 + 40 = 70 ✗

Jawaban: Gelas A dan D, karena \tfrac{10 + 40}{2} = 25^\circ\text{C}.

Tiap Zat Punya Titik Lebur dan Titik Didih Sendiri

Kita begitu terbiasa dengan angka 0 °C dan 100 °C sampai kadang lupa bahwa keduanya hanya berlaku untuk air pada tekanan normal.

Zat	Titik lebur	Titik didih
Raksa	−39 °C	357 °C
Air	0 °C	100 °C
Timbal	327 °C	1.749 °C
Besi	1.538 °C	2.862 °C

Ingat! Empat pernyataan berikut semuanya salah: "semua benda padat mencair pada 100 °C", "pada 0 °C semua benda cair membeku", "pada 100 °C semua benda cair menguap", dan "semua zat punya titik didih sama". Yang benar hanya satu: 0 °C adalah titik beku air.

Kalau soal menyajikan grafik pemanasan dua cairan berbeda, cairan yang bagian mendatarnya berada di suhu lebih tinggi berarti punya titik didih lebih tinggi. Perhatikan letak garis mendatarnya, bukan kemiringan awalnya.

Satuan Kalor dan Kesetaraannya

Kalor adalah salah satu bentuk energi, sehingga satuan resminya sama dengan satuan energi, yaitu joule (J).

Tetapi di banyak buku dan soal masih dipakai satuan lama bernama kalori (kal). Satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1 °C.

Untuk jumlah yang besar dipakai kilokalori (kkal), yaitu 1.000 kalori — inilah satuan yang tertulis pada kemasan makanan, meskipun sering ditulis singkat sebagai "kalori" saja.

Hubungan kesetaraan antara keduanya perlu kamu hafal:

1 \text{ kalori} = 4{,}2 \text{ joule} \qquad 1 \text{ joule} = 0{,}24 \text{ kalori}

Angka 4,2 itu bukan kebetulan: ia sama persis dengan kalor jenis air dalam satuan J/g°C. Karena itu kalor jenis air ditulis 4.200 J/kg°C bila memakai joule, atau 1 kkal/kg°C bila memakai kalori.

Ingat! Sebelum menghitung, periksa dulu satuan yang dipakai soal. Kalau kalor jenisnya diberikan dalam kkal/kg°C, jawabannya akan keluar dalam kilokalori — jangan dicampur dengan yang memakai joule.

Konduksi

Kalor bisa berpindah dengan tiga cara. Kita bahas satu per satu, mulai dari yang paling mudah dikenali.

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat padat, tanpa disertai perpindahan zatnya.

Partikel di ujung yang dipanaskan bergetar makin kuat, lalu menularkan getaran itu ke tetangganya, dan seterusnya sampai ke ujung yang lain. Partikelnya sendiri tetap berada di tempatnya masing-masing.

Contoh: menanak nasi (panas merambat lewat wadah), sendok logam terasa panas saat mengaduk kuah, tiang besi terasa lebih panas daripada tiang kayu di siang hari, dan setrika memanaskan pakaian.

Konduktor dan Isolator

• Konduktor — menghantarkan kalor dengan baik. Umumnya logam: tembaga, aluminium, besi, baja.
• Isolator — menghantarkan kalor dengan buruk. Contoh: kayu, karet, kain, plastik, gabus, dan udara diam.

Urutan dari yang paling cepat menghantarkan panas: tembaga → aluminium → baja → kaca. Kaca justru tergolong isolator.

Mengapa Logam Terasa Lebih Dingin

Di ruangan yang sama, kursi logam terasa jauh lebih dingin daripada kursi plastik. Padahal keduanya sudah lama berada di ruangan itu, jadi suhunya pasti sama.

Penjelasannya: yang kita rasakan sebagai "dingin" sebenarnya adalah kalor yang meninggalkan kulit kita. Logam adalah konduktor yang baik, sehingga menarik kalor dari kulit dengan cepat. Plastik adalah isolator, sehingga menariknya pelan-pelan.

Ingat! Jawaban "suhu logam lebih rendah daripada suhu plastik" adalah pengecoh yang paling sering dipilih. Rasa dingin mengukur laju kehilangan kalor tubuh, bukan mengukur suhu bendanya.

Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor pada zat cair dan gas, disertai perpindahan zatnya.

Urutan kejadiannya begini, dan menariknya semuanya kembali ke massa jenis yang kamu pelajari di Bab 2:

1. Air di bagian bawah terkena panas lebih dulu, lalu memuai.
2. Karena memuai, volumenya bertambah sedangkan massanya tetap — massa jenisnya turun.
3. Air yang massa jenisnya lebih kecil pun naik.
4. Air dingin di atas yang massa jenisnya lebih besar turun menggantikannya.
5. Terbentuklah arus berputar yang disebut arus konveksi.

Angin Laut dan Angin Darat

Ini contoh konveksi yang paling besar dan paling berguna bagi nelayan. Kuncinya ada pada kalor jenis: air laut berkalor jenis jauh lebih tinggi daripada tanah, sehingga laut lambat panas dan lambat pula dinginnya.

• Siang hari — darat cepat panas, udara di atasnya naik, lalu udara dari laut mengalir ke darat. Inilah angin laut, dipakai nelayan untuk pulang.
• Malam hari — darat cepat dingin sedangkan laut masih hangat, udara di atas laut naik, lalu udara dari darat mengalir ke laut. Inilah angin darat, dipakai nelayan untuk berangkat melaut.

Ingat! Nama anginnya diambil dari tempat asalnya, bukan tujuannya. Angin laut berarti angin yang datang dari laut — dan itu terjadi pada siang hari.

Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa memerlukan zat perantara, berupa pancaran.

Bukti paling meyakinkan ada di atas kepala kita: panas matahari sampai ke bumi walaupun harus melewati ruang hampa antariksa yang tidak berisi zat apa pun. Kalau kalor hanya bisa berpindah lewat konduksi atau konveksi, bumi akan membeku selamanya.

Contoh lain: hangat api unggun yang terasa dari jarak jauh, panas dari tungku, dan panas yang terasa saat mendekatkan tangan ke setrika yang menyala.

Permukaan dan Radiasi

Dua sifat permukaan menentukan kemampuannya berurusan dengan radiasi:

• Hitam dan kusam — penyerap radiasi terbaik, sekaligus pemancar radiasi terbaik.
• Cerah dan mengilap — pemantul radiasi terbaik, sehingga penyerap radiasi terburuk.

Penerapannya ada di mana-mana. Tangki penyimpan bahan bakar dicat keperakan mengilap supaya memantulkan radiasi matahari, sehingga bahan bakarnya tidak cepat panas dan tidak banyak menguap. Sebaliknya, panel pemanas air tenaga surya dicat hitam kusam supaya menyerap sebanyak mungkin.

Ingat! Yang terbaik menyerap adalah hitam kusam, bukan "hitam mengilap". Kekilapan selalu mengurangi penyerapan, berapa pun gelapnya warna itu.

Termos: Melawan Ketiganya Sekaligus

Bagian	Menahan	Cara kerjanya
Dinding kaca mengilap	radiasi	memantulkan kembali pancaran panas ke dalam
Ruang hampa di antara dinding	konduksi	tidak ada zat perantara untuk merambatkan kalor
Tutup gabus atau plastik	konveksi	menahan uap panas keluar dan udara dingin masuk

Penguapan dan Pendinginan

Penguapan dipercepat oleh: suhu yang tinggi, luas permukaan yang besar, tiupan udara, dan tekanan udara yang rendah.

Karena itu genangan air di jalan paling cepat kering ketika siang terik dan genangannya melebar tipis. Kombinasi suhu tinggi dengan luas permukaan besar memberi hasil tercepat.

Menguap Mengambil Kalor

Menguap membutuhkan kalor — itulah kalor uap yang kita bahas tadi. Kalor itu diambil dari sekitarnya, sehingga penguapan selalu meninggalkan rasa dingin.

Contohnya pakaian lembap yang menempel di tubuh. Kalor tubuh berpindah ke pakaian lewat sentuhan langsung (konduksi), lalu air di pakaian menerima kalor itu dan menguap membawa kalornya pergi. Pakaian mengering, dan tubuh terasa lebih dingin.

Napas yang Tampak Berasap

Di puncak gunung, napas kita terlihat seperti asap. Begitu pula air seni yang baru keluar pada pagi hari yang sangat dingin. Penjelasannya sama: uap air yang hangat bertemu udara yang jauh lebih dingin, lalu mengembun menjadi butiran air yang sangat halus. Butiran itulah yang terlihat.

Ingat! Yang terlihat bukan asap dan bukan gas — gas tidak terlihat. Yang terlihat selalu berupa titik-titik air. Syaratnya cuma satu: selisih suhu antara uap hangat dan udara sekitar cukup besar.

Pertukaran Panas pada Hewan

Hewan menjaga suhu tubuhnya melalui empat proses fisika sekaligus:

• Evaporasi — kalor terbawa pergi bersama penguapan dari napas dan keringat.
• Radiasi — kalor dipancarkan dari permukaan tubuh.
• Konveksi — kalor dibawa aliran udara yang bergerak di sekitar tubuh.
• Konduksi — kalor berpindah lewat sentuhan langsung, misalnya dengan tanah tempat berbaring.

Latihan Yuk!

1. Sebuah bintang bersuhu 2.773 K. Berapa suhunya dalam Celsius dan Fahrenheit?
2. Sebuah kota berada 800 m di atas permukaan laut. Jika suhu di permukaan laut 29 °C, berapa suhu di kota itu?
3. Mengapa gelas kaca tebal justru lebih mudah pecah disiram air panas daripada gelas kaca tipis?
4. Sebutkan tiga contoh benda atau bangunan yang sengaja dirancang dengan memberi ruang untuk pemuaian.
5. Berapa kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,8 kg es pada 0 °C menjadi air 0 °C? (kalor lebur es 340.000 J/kg)
6. Air bersuhu 90 °C dicampur dengan air bersuhu 30 °C yang massanya sama. Berapa suhu campurannya?
7. Mengapa nelayan berangkat melaut pada malam hari dan pulang pada siang hari? Kaitkan dengan angin darat dan angin laut.
8. Permukaan seperti apa yang paling baik menyerap kalor radiasi? Sebutkan satu contoh penerapannya.

Kunci Jawaban Latihan

• C = 2.773 - 273 = 2.500^\circ\text{C}; F = \tfrac{9}{5} \times 2.500 + 32 = 4.500 + 32 = 4.532^\circ\text{F}.
• Penurunan suhu = \tfrac{800}{100} \times 1 = 8^\circ\text{C}. Suhu kota = 29 - 8 = 21^\circ\text{C}.
• Karena pada gelas tebal, selisih suhu antara dinding dalam dan dinding luar jauh lebih besar. Selisih pemuaian yang besar menimbulkan tegangan yang lebih kuat sehingga lebih mudah retak.
• Contohnya: celah pada sambungan rel kereta api, tumpuan rol pada jembatan, bingkai jendela yang dibuat sedikit longgar, celah pada jalan beton, dan kabel listrik yang dipasang kendur. (Sebutkan tiga saja.)
• Suhunya tetap, jadi pakai Q = m L = 0{,}8 \times 340.000 = 272.000 \text{ J}.
• T = \frac{90 + 30}{2} = 60^\circ\text{C}.
• Malam hari bertiup angin darat (dari darat menuju laut) yang mendorong perahu ke tengah laut. Siang hari bertiup angin laut (dari laut menuju darat) yang membantu perahu kembali ke pantai.
• Permukaan hitam dan kusam. Contoh penerapannya: panel pemanas air tenaga surya dicat hitam kusam agar menyerap radiasi matahari sebanyak mungkin.

Rangkuman Bab 4

Suhu dan Termometer

• Suhu adalah derajat panas benda, sekaligus ukuran energi gerak rata-rata partikelnya. Suhu naik berarti partikel bergerak lebih cepat.
• Kalor adalah energi panas yang berpindah, selalu dari suhu tinggi ke suhu rendah.
• Termometer bekerja memanfaatkan sifat zat yang berubah teratur mengikuti suhu, yaitu pemuaian. Cairan pengisinya raksa atau alkohol.
• Perbandingan skala: C : R : (F - 32) = 5 : 4 : 9, dan K = C + 273.
• Termometer berskala sembarang: bandingkan jarak dari titik bawah terhadap panjang seluruh skala. Jangan lupa mengurangi titik bawahnya lebih dulu.
• Setiap naik 100 m, suhu udara turun sekitar 1 °C.

Pemuaian

• \Delta L = \alpha L_0 \Delta T. Tiap bahan punya koefisien muai sendiri.
• Urutan besarnya pemuaian: gas > zat cair > zat padat.
• Bimetal dipanaskan → melengkung ke arah logam yang muainya lebih kecil; didinginkan → ke arah yang muainya lebih besar.
• Gelas pecah disiram air panas karena dinding dalam memuai lebih cepat daripada dinding luar — bukan karena dinding luar tidak memuai.
• Kabel dipasang kendur saat cuaca panas, agar penyusutan di cuaca dingin tidak memutuskannya.

Kalor

• Q = m \, c \, \Delta T — dipakai saat suhu berubah.
• Q = m L dan Q = m U — dipakai saat wujud berubah, suhunya tetap.
• Kalor jenis tinggi → sukar dipanaskan. Pada kalor yang sama, kalor jenis tinggi memberi kenaikan suhu kecil.
• Air punya kalor jenis tertinggi (4.200 J/kg°C) — berguna untuk pendingin mesin dan menstabilkan suhu tubuh.
• Pada grafik pemanasan: bagian miring = suhu naik; bagian mendatar = wujud berubah.
• Kalor laten dipakai untuk memperbesar jarak antarmolekul, bukan untuk menaikkan suhu.
• Suhu campuran dua zat sama bermassa sama = rata-rata kedua suhunya.
• Titik lebur dan titik didih berbeda tiap zat. Angka 0 °C dan 100 °C hanya berlaku untuk air.

Perpindahan Kalor

Cara	Melalui	Zatnya ikut pindah?	Contoh
Konduksi	zat padat	tidak	menanak nasi, sendok di kuah panas
Konveksi	zat cair dan gas	ya	air mendidih, angin darat dan angin laut
Radiasi	tanpa zat perantara	tidak ada zat	panas matahari, api unggun

• Konduktor: tembaga, aluminium, besi, baja. Isolator: kayu, karet, kain, plastik, udara diam.
• Urutan penghantar panas: tembaga → aluminium → baja → kaca.
• Logam terasa lebih dingin karena menarik kalor tubuh lebih cepat, bukan karena suhunya lebih rendah.
• Permukaan hitam kusam = penyerap dan pemancar radiasi terbaik. Permukaan cerah mengilap = pemantul terbaik.
• Termos melawan ketiganya: dinding mengilap (radiasi), ruang hampa (konduksi), tutup (konveksi).

Penguapan

• Dipercepat oleh suhu tinggi, luas permukaan besar, tiupan udara, dan tekanan rendah.
• Penguapan mengambil kalor dari sekitarnya, sehingga meninggalkan rasa dingin.
• Napas tampak berasap di udara dingin karena uap hangat mengembun menjadi butiran air halus.
• Hewan bertukar panas lewat empat cara: evaporasi, radiasi, konveksi, dan konduksi.

Penutup

Selamat, kamu sudah menyelesaikan bab keempat!

Bab ini panjang, tetapi kalau kamu perhatikan, semuanya bertumpu pada dua pertanyaan sederhana yang bisa kamu pakai untuk hampir semua soal:

1. "Apakah suhunya berubah?" Kalau ya, pakai Q = m c \Delta T. Kalau tidak — berarti wujudnya yang berubah — pakai Q = m L.
2. "Apakah zatnya ikut berpindah?" Kalau ya, itu konveksi. Kalau tidak dan medianya padat, itu konduksi. Kalau tidak ada media sama sekali, itu radiasi.

Ada juga satu pola yang muncul berkali-kali di bab ini: hal-hal yang terasa berlawanan dengan dugaan. Logam terasa lebih dingin padahal suhunya sama. Bimetal membelok menjauhi logam yang memuai lebih banyak. Suhu air tidak naik walaupun kompor terus menyala. Kalor jenis tinggi justru berarti kenaikan suhu kecil.

Semua itu bukan untuk dihafal, melainkan untuk dipahami sekali lalu diingat selamanya. Kalau ada jawaban yang terasa "terlalu masuk akal", periksa lagi — di bab ini jawabannya sering justru yang sebaliknya.

Di Bab 5 kita berpindah ke topik yang lebih terasa: Gaya dan Gerak. Kamu akan belajar mengapa benda bergerak, mengapa berhenti, dan mengapa penumpang terdorong ke depan saat bus mengerem mendadak.

Sampai jumpa di sana!