FISIKA

Sejauh ini kita baru meninjau kesetimbangan termal yang dialami oleh dua benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep kesetimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau tiga benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Misalnya benda B dan benda C tidak saling bersentuhan, tetapi benda A bersentuhan dengan benda B dan benda A bersentuhan dengan benda C.

Karena saling bersentuhan maka benda A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal, demikian juga benda A dan benda C berada dalam kesetimbangan termal. Apakah benda B dan benda C yang tidak saling bersentuhan juga berada dalam kesetimbangan termal ?

Jika hanya menggunakan logika, kita bisa mengatakan bahwa benda B dan benda C juga berada dalam kesetimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda B. Benda A dan benda C juga berada dalam kesetimbangan termal, suhu benda A = suhu benda C. Karena T_A = T_B dan T_A = T_C, maka T_B = T_C.

Berhubung fisika tidak hanya mengandalkan logika, maka perlu dibuktikan melalui percobaan. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda B dan benda C juga berada dalam kesetimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda B = suhu benda C. Jadi walaupun benda B dan benda C tidak saling bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda A, maka benda B dan benda C juga berada dalam kesetimbangan termal. Hal ini disimpulkan dalam sebaris kalimat indah berikut ini : Jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. 

Hukum ke nol termodinamika menjelaskan prinsip kerja termometer, alat pengukur suhu. Tinjau sebuah termometer raksa atau termometer alkohol. Alkohol atau raksa bersentuhan dengan kaca dan kaca bersentuhan dengan benda yang diukur suhunya, misalnya udara, air atau tubuh manusia. Walaupun raksa tidak bersentuhan dengan udara atau air atau tubuh manusia, tetapi karena raksa bersentuhan dengan kaca maka ketika kaca dan udara atau air atau tubuh manusia berada dalam kesetimbangan termal, maka raksa dan udara atau air atau tubuh manusia juga berada dalam kesetimbangan termal.

Hukum-hukum fisika biasanya dimulai dari 1, jarang dimulai dari nol. Disebut hukum ke-0 termodinamika karena setelah hukum ke-1 termodinamika, hukum ke-2 termodinamika dan hukum ke-3 termodinamika dirumuskan, para ilmuwan menyadari bahwa ada sebuah hukum yang lebih mendasar yang belum dirumuskan. Karenanya para ilmuwan menyebut hukum ini sebagai hukum ke-0 termodinamika.

Mungkin kamu pernah menyaksikan mobil atau motor yang sedang melaju di jalan tiba-tiba bannya meletus?. Ban mobil tersebut meletus karena terjadi pemuaian udara atau gas di dalam ban. Pemuaian tersebut terjadi karena adanya kenaikan suhu udara di ban mobil akibat gesekan roda dengan aspal.

Pemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai

γ adalah koefisien muai volume. Nilai γ sama untuk semua gas, yaitu 1/273 ºC^-1

Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu:

a. pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal),

b. pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar), dan

c. pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik).

Pernahkah kalian memompa ban dengan pompa manual. Apa yang kalian rasakan ketika baru pertama kali menekan pompa tersebut? Apa yang kalian rasakan ketika kalian menekannya lebih jauh? Awalnya mungkin terasa ringan. Namun, lama kelamaan menjadi berat. Hal ini karena ketika kita menekan pompa, itu berarti volume gas tersebut mengecil. Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku hukum Boyle, yaitu gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap. Dirumuskan sebagai:

Keterangan:

P = tekanan gas (atm)

V = volume gas (L)

Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku hukum Gay Lussac, yaitu gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai:

Keterangan:

V = volume (L)

T = suhu (K)

Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac, yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan sebagai

Dengan menggabungkan hukum boyle dan hukum Gay Lussac diperoleh persamaan

Keterangan:

P = tekanan (atm)

V = volume (L)

T = suhu (K)

Pemuaian Zat Cair
Pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu. Titik pertemuan antara wujud cair, padat dan gas disebut titik tripel.

Anomali Air
Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0º C sampai 4º C volumenya tidak bertambah, akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan anomali air. Oleh karena itu, pada suhu 4ºC air mempunyai volume terendah. Hubungan volume dengan suhu pada air dapat digambarkan pada grafik berikut.
Pada suhu 4ºC, air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikkan dari 0ºC – 4ºC akan menyusut, dan bila suhunya dinaikkan dari 4ºC ke atas akan memuai. Biasanya pada setiap benda bila suhunya bertambah pasti mengalami pemuaian. Peristiwa yang terjadi pada air itu disebut anomali air. Hal yang sama juga terjadi pada bismuth dengan suhu yang berbeda.

Pemuaian Zat Padat
Coba kamu amati bingkai kaca jendela di ruang kelasmu! Adakah bingkai jendela yang melengkung? Tahukah kamu apa sebabnya? Bingkai jendela tersebut melengkung tidak lain karena mengalami pemuaian. Pemuaian yang terjadi pada benda, sebenarnya terjadi pada seluruh bagian benda tersebut. Namun demikian, untuk mempermudah pemahaman maka pemuaian dibedakan tiga macam, yaitu pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.

1. Pemuaian Panjang
Pernahkah kamu mengamati kabel jaringan listrik pada pagi hari dan siang hari? Kabel jaringan akan tampak kencang pada pagi hari dan tampak kendor pada siang hari. Kabel tersebut mengalami pemuaian panjang akibat terkena panas sinar matahari. 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.

Besarnya panjang logam setelah dipanaskan adalah sebesar

Besarnya panjang zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat sepanjang 1 m disebut koefisien muai panjang (α). Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan

Keterangan:

L = Panjang akhir (m)

L0 = Panjang mula-mula (m)

ΔL = Pertambahan panjang (m)

α = Koefisien muai panjang (/ºC)

Δt = kenaikan suhu (ºC)

Beberapa Koefisien Muai Panjang Benda

Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang. Pertambahan luas zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat seluas 1 m^2 disebut koefisien muai luas (β). Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah

Keterangan:

A = Luas akhir (m2)

Δ0 = Pertambahan luas (m2)

A0 = Luas mula-mula (m2)

β = Koefisien muai luas zat (/º C)

Δt = Kenaikan suhu (ºC)

Besarnya β dapat dinyatakan dalam persamaan berikut.

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P0, lebar L0, dan tinggi h0 dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar

dimana

Keterangan:

V = Volume akhir (m^3)

V0 = Volume mula-mula (m^3)

ΔV = Pertambahan volume (m^3)

γ = Koefisien muai volume (/ºC)

Δt = Kenaikan suhu (ºC)

Alat yang dirancang untuk mengukur suhu adalah termometer. Terdapat banyak jenis termometer, tetapi prinsip kerjanya sebenarnya sama. Biasanya, kita memanfaatkan benda yang bersifat termometrik, sifat materi yang berubah terhadap suhu. Jika suhu benda tersebut berubah maka bentuk dan ukuran benda tersebut juga berubah. Kebanyakan termometer menggunakan benda yang bisa memuai atau menyusut ketika suhunya berubah.

Termometer yang sering digunakan saat ini terdiri dari tabung kaca, di mana terdapat alkohol atau  air raksa pada bagian tengah tabung. Ketika suhu meningkat, alkohol atau air raksa yang berada di dalam wadah memuai sehingga panjang kolom alkohol atau air raksa bertambah. Sebaliknya, ketika suhu menurun, panjang kolom alkohol atau air raksa berkurang. Pada bagian luar tabung kaca terdapat angka-angka yang merupakan skala termometer tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh ujung atas kolom alkohol atau air raksa menyatakan nilai suhu benda yang diukur.

Jenis termometer lain yang biasa digunakan adalah termometer yang menggunakan lembaran bimetal (dua logam yang jenisnya berbeda dan kecepatan pemuaiannya juga berbeda). Pada saat suhu meningkat, salah satu logam mengalami pemuaian yang lebih besar daripada logam lain. Akibatnya keping tersebut melengkung. Biasanya keping bimetal berbentuk spiral, di mana salah satu ujung keping tetap, sedangkan ujung lain dihubungkan ke penunjuk skala. Ketika suhu berubah, penunjuk akan berputar. Termometer yang menggunakan lembaran bimetal biasanya digunakan sebagai termometer udara biasa, termometer ruangan, termometer oven dll.

Termometer yang lebih akurat alias lebih tepat, biasanya menggunakan sifat elektris suatu benda. Misalnya termometer hambatan. Pada termometer hambatan, yang adalah diukur perubahan hambatan listrik suatu kumparan kawat tipis atau silinder karbon atau kristal germanium. Karena hambatan listrik biasanya dapat diukur secara tepat, maka termometer hambatan bisa mengukur suhu secara lebih tepat daripada termometer biasa.

Kalibrasi termometer adalah proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut ini beberapa langkah melakukan kalibrasi termometer. Pertama, siapkan sebuah termometer air raksa atau termometer alkohol tanpa skala. Kedua, siapkan es secukupnya. Ketiga, siapkan air secukupnya. Keempat, siapkan sebuah pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan air hingga mendidih. Kelima, masukkan es dan air ke dalam sebuah wadah (air dan es mempunyai massa yang sama). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air dan es.

Pada mulanya termometer bersentuhan dengan udara sehingga termometer lebih panas dari es. Setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom air  raksa  akan berkurang karena campuran air dan es lebih dingin. Biarkan hingga panjang kolom air raksa tidak berubah (permukaan atas air raksa tidak bergerak). Ketika panjang kolom air raksa tidak berubah, campuran es batu dan air telah berada dalam kesetimbangan termal. Tandai posisi kolom air raksa tersebut (tandai bagian ujung atas kolom air raksa). Ini adalah suhu titik es atau titik beku air.

Keenam, didihkan air menggunakan pemanas listrik atau kompor J. Masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan. Ketika air semakin panas atau suhu air meningkat, panjang kolom air raksa juga semakin bertambah (permukaan air raksa bergerak ke atas). Setelah air mendidih, permukaan atas raksa berhenti bergerak. Tandai ujung kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih air atau titik uap.

Apabila anda ingin membuat skala Celcius, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi 100 garis di mana jarak antara setiap garis harus sama. Tanda bagian bawah = 0^o C, sedangkan tanda bagian atas = 100^o C.

Suhu titik es dan suhu titik uap bergantung pada tekanan udara. Karenanya termometer yang dikalibrasi di tempat yang tekanan udaranya berbeda akan memberikan hasil berbeda. Termometer raksa yang biasa digunakan dikalibrasi pada tekanan udara 1 atmosfer sehingga suhu titik beku air adalah 0 ^oC dan suhu titik didih adalah 100 ^oC.

Termometer biasa seperti termometer raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu yang sangat rendah (lebih rendah dari 0^oC) atau suhu yang sangat tinggi (lebih tinggi dari 100^oC).

Definisi Suhu

Definisi Kalor
Peristiwa yang melibatkan kalor sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya, pada waktu memasak air dengan menggunakan kompor. Air yang semula dingin lama kelamaan menjadi panas. Mengapa air menjadi panas? Air menjadi panas karena mendapat kalor, kalor yang diberikan pada air mengakibatkan suhu air naik. Dari manakah kalor itu? Kalor berasal dari bahan bakar, dalam hal ini terjadi perubahan energi kimia yang terkandung dalam gas menjadi energi panas atau kalor yang dapat memanaskan air.

Sebelum abad ke-17, orang berpendapat bahwa kalor merupakan zat yang mengalir dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah jika kedua benda tersebut bersentuhan atau bercampur. Jika kalor merupakan suatu zat tentunya akan memiliki massa dan ternyata benda yang dipanaskan massanya tidak bertambah. Kalor bukan zat tetapi kalor adalah suatu bentuk energi dan merupakan suatu besaran yang dilambangkan Q dengan satuan joule (J), sedang satuan lainnya adalah kalori (kal). Hubungan satuan joule dan kalori adalah:
1 kalori = 4,2 joule
1 joule = 0,24 kalori

Kalor dapat Mengubah Suhu Benda
Apa yang terjadi apabila dua zat cair yang berbeda suhunya dicampur menjadi satu? Bagaimana hubungan antara kalor terhadap perubahan suhu suatu zat? Adakah hubungan antara kalor yang diterima dan kalor yang dilepaskan oleh suatu zat? Semua benda dapat melepas dan menerima kalor. Benda-benda yang bersuhu lebih tinggi dari lingkungannya akan cenderung melepaskan kalor. Demikian juga sebaliknya benda-benda yang bersuhu lebih rendah dari lingkungannya akan cenderung menerima kalor untuk menstabilkan kondisi dengan lingkungan di sekitarnya. Suhu zat akan berubah ketika zat tersebut melepas atau menerima kalor. Dengan demikian, dapat diambil kesimpulan bahwa kalor dapat mengubah suhu suatu benda.

Kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang yang diperlukan oleh suatu zat bermassa 1 kg untuk menaikkan suhu 1 °C. Sebagai contoh, kalor jenis air 4.200 J/kg °C, artinya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 °C adalah 4.200 J. Kalor jenis suatu zat dapat diukur dengan alat kalorimeter.

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan suhu suatu benda bergantung pada:

Sebagaimana namanya, lup memiliki fungsi untuk memperbesar bayangan benda. Lup adalah lensa cembung yang digunakan untuk mengamati benda-benda kecil agar nampak lebih besar. Bayangan yang dibentuk oleh lup memiliki sifat: maya, tegak, dan diperbesar. Untuk itu benda harus diletakkan di Ruang I atau daerah yang dibatasi oleh fokus dan pusat lensa atau cermin (antara f dan O), dimana So < f.

Ada dua cara bagaimana menggunakan lup yaitu:
1. Dengan cara mata berakomodasi maksimum
2. Dengan cara mata tidak berakomodasi

Mata Berakomodasi Maksimum
Mata berakomodasi maksimum yaitu cara memandang obyek pada titik dekatnya (otot siliar bekerja maksimum untuk menekan lensa agar berbentuk secembung-cembungnya).
Pada penggunaan lup dengan mata berakomodasi maksimum, maka yang perlu diperhatikan adalah:

Mata Tak Berakomodasi
Mata tak berakomodasi yaitu cara memandang obyek pada titik jauhnya (yaitu otot siliar tidak bekerja/rileks dan lensa mata berbentuk sepipih-pipihnya).
Pada penggunaan lup dengan mata tak berakomodasi, maka yang perlu diperhatikan adalah:

Kerugian : perbesaran berkurang (minimum)

Pada mataberakomodasi maksimum
Si = -PP = -Sn

Perbesaran sudut atau perbesaran angular

Pada mata tak berakomodasi
Si = -PR
So = f

Perbesaran sudut

M = perbesaran sudut
PP = titik dekat mata dalam meter
f = Jarak focus lup dalam meter