Fluida dan Kalor

Salam Dunia Pendidikan.....

FLUIDA STATIS

Fluida ( zat alir ) adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis.

TEKANAN HIDROSTATIS

Tekanan hidrostatis ( P_h) adalah tekanan yang dilakukan zat cair pada bidang dasar tempatnya.

PARADOKS HIDROSTATIS

Gaya yang bekerja pada dasar sebuah bejana tidak tergantung pada bentuk bejana dan jumlah zat cair dalam bejana, tetapi tergantung pada luas dasar bejana ( A ), tinggi ( h ) dan massa jenis zat cair ( r )
dalam bejana.

Ph = r g h Pt = Po + Ph F = P h A = r g V

r = massa jenis zat cair h = tinggi zat cair dari permukaan g = percepatan gravitasi Pt = tekanan total Po = tekanan udara luar

HUKUM PASCAL

Tekanan yang dilakukan pada zat cair akan diteruskan ke semua arah sama.

P₁ = P₂ ® F₁/A₁ = F₂/A₂

HUKUM ARCHIMEDES

Benda di dalam zat cair akan mengalami pengurangan berat sebesar berat zat cair yang dipindahkan.

Tiga keadaan benda di dalam zat cair:

a. tenggelam: W>Fa Þ rb > rz b. melayang: W = Fa Þ rb = rz c. terapung: W=Fa Þ rb.V=rz.V' ; rb<rz

W = berat benda
Fa = gaya ke atas = rz . V' . g
rb = massa jenis benda
rz = massa jenis fluida
V = volume benda
V' = volume benda yang berada dalam fluida

Akibat adanya gaya ke atas ( Fa ), berat benda di dalam zat cair (Wz) akan berkurang menjadi:

Wz = W - Fa

Wz = berat benda di dalam zat cair

TEGANGAN PERMUKAAN

Tegangan permukaan ( g) adalah besar gaya ( F ) yang dialami pada permukaan zat cair persatuan panjang(l)

g = F / 2l

KAPILARITAS

Kapilaritas ialah gejala naik atau turunnya zat cair ( y ) dalam tabung kapiler yang dimasukkan sebagian ke dalam zat cair karena pengarah adhesi dan kohesi.

y = 2 g cos q / r g r

y = kenaikan/penurunan zat cair pada pipa (m)
g = tegangan permukaan (N/m)
q = sudut kontak (derajat)
p = massa jenis zat cair (kg / m³)
g = percepatan gravitas (m / det²)
r = jari-jari tabung kapiler (m)

FLUIDA DINAMIS

Sifat Fluida Ideal:

- tidak dapat ditekan (volume tetap karena tekanan)
- dapat berpindah tanpa mengalami gesekan
- mempunyai aliran stasioner (garis alirnya tetap bagi setiap partikel)
- kecepatan partikel-partikelnya sama pada penampang yang sama

HUKUM BERNOULLI

Hukum ini diterapkan pada zat cair yang mengalir dengan kecepatan berbeda dalam suatu pipa.

P + r g Y + 1/2 r v2 = c P = tekanan 1/2 r v2 = Energi kinetik r g y = Energi potensial

]® tiap satuan     waktu

CEPAT ALIRAN (DEBIT AIR)

Cepat aliran (Q) adalah volume fluida yang dipindahkan tiap satuan waktu.

Q = A . v

A₁ . v₁ = A₂ . v₂

v = kecepatan fluida (m/det)
A = luas penampang yang dilalui fluida

Untuk zat cair yang mengalir melalui sebuah lubang pada tangki, maka besar kecepatannya selalu dapat diturunkan dari Hukum Bernoulli, yaitu:

v = Ö(2gh)

h = kedalaman lubang dari permukaan zat cair

Contoh:

1. Sebuah kolam air berdinding bujursangkar dengan panjang 15 m, tingginya 7,5m.Tentukanlah tekanan air 4,5 m di bawah permukaan air!

Jawab:

P = r . g . h = 10³ . 10 . 4,5
P = 4,5.10⁴ N/m²

2. Air mengalir sepanjang pipa horisontal, penampang tidak sama besar. Pada tempat dengan kecepatan air 35 cm/det tekanannya adalah 1 cmHg. Tentukanlah tekanan pada bagian pipa dimana kecepatan aliran airnya 65 cm/det.(g = 980 cm/det²) !

Jawab:

P₁ = 1 cmHg = 1.13,6.980 dyne/cm²
P₁ = 13328 dyne/cm²

v₁ = 35 cm/det; v₂ = 65 cm/det

Prinsip Bernoulli:
P₁ + pgy₁ + 1/2rv₁² = P₂ + rgy₂ + 1/2rv₂²

Karena y₁ = y₂ (pipa horisontal), maka:

P₁ - P₂ = 1/2 r (V₂² - V₁²)
P₁ - P₂ = 1/2 1 (652 352)
P₁ - P₂ = 1/2 3000
P₁ - P₂ = 1500 dyne/cm2

Jadi:

P₂ = P₁ - 1500
P₂ = 13328 - 1500
P₂ = 11828 dyne/cm
P₂ = 0,87 cmHg

SUHU

Suhu adalah ukuran derajat panas atau dingin suatu benda.
Alat yang digunakan untuk mengukur suhu disebut termometer.

Hubungan suhu pada skala-skala Celcius (C), Reamur (R), Fahrenheit (F), dan Kelvin (K):

® Acuan atas (air mendidih) ® Acuan bawah (es mencair)

Acuan ini ditentukan pada tekanan 1 atm = 76 cm Hg

Gbr. Hubungan Suhu Skala-Skala Celcius, Reamur, Fahrenheit, Kelvin

Jadi: t^oC = 4/5 t^oR = ( 9/5t+ 32 )^oF = ( t + 273 )^oK

Contoh:

Temperatur termometer Celcius (^oC) menunjukkan p kali temperatur termometer Fahrenheit (^oF). Berapakah besarnya temperatur masing-masing termometer itu?

Jawab:

Derajat Celcius : t_c = 5x

x(5 - 9p) = 32p ® x = 32p/(5-9p)

Derajat Fahrenheit: t_F = 9x + 32

C = 5x = 5(32p/5-9p) = 160p/(5-9p)

C = pF

F = C/P = 160p/p(5-9p) = 160/(5-9p)

5x = p(9x + 32)

5x - 9px = 32p

SIFAT TERMAL ZAT

Pada umumnya suatu benda akan memuai (volume benda bertambah) jika dipanaskan? sedangkan massa benda tetap. Tetapi air pada daerah tertentu (antara 0-4 derajat C) memiliki keanehan pemuaian disebut ANOMALI AIR.

Pada suhu 4 derajat C volume air adalah paling kecil sehingga massa jenisnya paling besar, yaitu 1 gram/cm³.

Grafik volume vs suhu Es untuk es dan air

Pemuaian suatu benda karena menerima kalor (suhu benda naik) terbagi atas:

1. Muai Panjang (pemuaian satu dimensi)

L_t = L_o ( 1 + a Dt)

L_t = panjang benda pada tºC (m)
L_o = panjang benda pada 0ºC (m)
a = koefisien muai panjang

2. Muai Luas (pemuaian dua dimensi)

A_t = A_o (1 + b Dt)

A_t = luas benda pada tºC (m²)
A_o = luas benda pada 0ºC (m²)
b = koefisien muai luas = 2a

3. Muai Volume (pemuaian tiga dimensi)

V_t = V_o ( 1 + g Dt)

V_t = volume benda pada tºC (m³)
Vo = volume benda pada 0ºC (m³)
g = koefisien muai volume = 3a
g = 1/273ºK (khusus pada tekanan dan volume tetap)

Contoh:

1. Sebatang baja (angka muai linier 10^-5/ºC) panjangnya 100,0 cm pada suhu 30ºC. Bila panjang batang baja itu sekarang menjadi 100,1 cm, berapakah suhunya sekarang?

Jawab:

L_t = L_o ( 1 + a Dt)
Dt = (L_t - L_o) / (L_o a)

Dt = (100,1 -100)/(100.10^-5) = 100ºC

Dt = t_akhir - t_awal

100 = t_akhir - 30

t_akhir = 130ºC

2. Sebuah tabung terbuat dari gelas (a = 10^-5/ºC) pada suhu 20ºC mempunyai volume sebesar 250 cm³. Tabung itu berisi penuh dengan eter ( g = 5.10^-3/ºC). Berapakah cm³ eter akan tumpah jika tabung dipanasi sampai 120ºC?

Jawab:

Gelas:

V_o = 250 cm³
Dt = 120 - 20 = 100ºC
g = 3a = 3.10^-5/ºC

V_t = V_o(1 + g Dt)
V_t = 250 (1 + 3.10^-5.100) = 250,75 cm³

Eter:

Vº = 250 cm³
Dt= 100ºC
g = 5.10^-3/ºC

V_t = V_o (1 + g Dt)
V_t = 250 (1 + 5.10^-3.100) = 375 cm³

Jadi volume eter yang tumpah = 375 - 250,75 = 124,25 cm³

TITIK DIDIH

Titik didih suatu zat adalah suhu yang tekanan uap jenuhnya sama dengan tekanan di atas permukaan zat cair. Titik Didih suatu zat cair dipengaruhi oleh tekanan udara, artinya makin besar tekanan udara makin besar pula titik didih zat cair tersebut. Pada tekanan dan temperatur udara standar(76 cmHg, 25ºC) titik didih air sebesar 100ºC.

Hubungan tekanan dan temperatur terhadap tingkat wujud suatu zat dapat ditentukan dari DIAGRAM P-T.

T_r = titik tripel, yaitu titik keseimbangan antara ketiga wujud padat-cair-gas.

K = titik kritis, yaitu titik dimana gas di atas tekanan dan temperatur kritis tidak dapat dicairkan hanya dengan mengecilkan volumenya. Gas berwujud stabil.

Dari diagram P-T dapat disimpulkan bahwa:

1. Penambahan tekanan menaikkan titik didih dan titik lebur zat.
   
2. Di atas titik tripel tidak mungkin merubah wujud zat dari padat langsung ke gas.
   
3. Di atas titik kritis gas tidak dapat diembunkan tanpa menurunkan tekanannya.

KALOR

Kalor adalah bentuk energi yang berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Jika suatu benda menerima / melepaskan kalor maka suhu benda itu akan naik/turun atau wujud benda berubah.

BEBERAPA PENGERTIAN KALOR

1 kalori adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1ºC.

1 kalori = 4.18 joule
1 joule = 0.24 kalori

Kapasitas kalor (H)	adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan oleh zat untuk menaikkan suhunya 1ºC (satuan kalori/ºC).
Kalor jenis (c)	adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 gram atau 1 kg zat sebesar 1ºC (satuan kalori/gram.ºC atau kkal/kg ºC).

Kalor yang digunakan untuk menaikkan/menurunkan suhu tanpa mengubah wujud zat:

Q = H . Dt
Q = m . c . Dt
H = m . c

Q = kalor yang di lepas/diterima
H = kapasitas kalor
Dt = kenaikan/penurunan suhu
m = massa benda
c= kalor jenis

Kalor yang diserap/dilepaskan (Q) dalam proses perubahan wujud benda:

Q = m . L

m = massa benda kg
L = kalor laten (kalor lebur, kalor beku. kalor uap,kalor embun, kalor sublim, kalor lenyap) ® t/kg

Jadi kalor yang diserap ( â ) atau yang dilepas ( á ) pada saat terjadi perubahan wujud benda tidak menyebabkan perubahan suhu benda (suhu benda konstan ).

Diagram Perubahan Wujud Benda karena Pengaruh Kalor Laten

PERTUKARAN KALOR

Jika dua buah zat atau lebih dicampur menjadi satu maka zat yang suhunya tinggi akan melepaskan kalor sedangkan zat yang suhunya rendah akan menerima kalor, sampai tercapai kesetimbangan termal.

Menurut asas Black

Kalor yang dilepas = kalor yang diterima

Catatan:

1. Kalor jenis suatu benda tidak tergantung dari massa benda, tetapi tergantung pada sifat dan jenis benda tersebut. Jika kalor jenis suatu benda adalah kecil maka kenaikan suhu benda tersebut akan cepat bila dipanaskan.
   
   
2. Pada setiap penyelesaian persoalan kalor (asas Black) lebih mudah jika dibuat diagram alirnya.

Contoh diagram alir untuk es bersuhu -tºC yang mencair sampai suhu tºC setelah menyerap kalor adalah sebagai berikut:

Contoh:

Es (kalor jenis 0,5 kalori/gramoC) sebanyak 10 gram pada suhu 0ºC diberi kalor sebanyak 1000 kalori. Bila kalor lebur es sama dengan 80 kalori/gram, hitunglah temperatur akhir air !

Jawab:

Misalkan temperatur akhir setelah diberi kalor ialah t_aºC. maka berdasarkan asas Black:

Q = mL + mcDt
1000 = 10 . 80 + 10 . 1 (t_a- 0)
1000 = 800 + 10 t_a
t_a = 20 C

PERAMBATAN KALOR

Kalor dapat merambat melalui tiga macam cara yaitu:

1. Konduksi
   
   Perambatan kalor tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya, biasanya terjadi pada benda padat.
   
   H = K . A . (DT/ L)
   
   H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu
   DT/L = gradien temperatur (ºK/m)
   K = koefisien konduksi
   A = luas penampang (m²)
   L = panjang benda (m)
   
   
   
2. Konveksi
   
   Perambatan kalor yang disertai perpindahan bagian-bagian zat, karena perbedaan massa jenis.
   
   H = K . A . DT
   
   H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu
   K = koefisien konveksi
   DT = kenaikan suhu (ºK)
   
   
   
3. Radiasi
   
   Perambatan kalor dengan pancaran berupa gelombang-gelombang elektromagnetik.
   
   Pancaran kalor secara radiasi mengikuti Hukum Stefan Boltzmann:
   
   W = e . s . T⁴
   
   W = intensitas/energi radiasi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu
   s = konstanta Boltzman =5,672 x 10^-8 watt/cm².ºK⁴
   e = emisivitas (o < e < 1) T = suhu mutlak (ºK)
   

Benda yang dipanaskan sampai pijar, selain memancarkan radiasi kalor juga memancarkan energi radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 10^-6 s/d 10^-5 m. Untuk benda ini berlaku hukum PERGESERAN WIEN, yaitu:

l_max . T = C

C = konstanta Wien = 2.9 x 10^-3m ºK

Kesimpulan: Semua benda (panas/dingin) memancarkan energi radiasi/kalor Semakin tinggi suhu benda. semakin besar radiasinya dan semakin pendek panjang gelombangnya. Koefisien emisivitas benda tergantung pada sifat permukaannya.Benda hitam sempurna mempunyai nilai e = 1 merupakan pemancar dan penyerap kalor yang paling baik.

Contoh:

1. Air mengalir dengan laju alir 3 liter/menit. Jika suhu awal air 20ºC dan seluruh kalor diberikan pada air, hitunglah suhu air panas!

Jawab:

misalkan suhu air panas t_a
Q = 3 liter/menit = 3 dm³/60 detik = 50 cm³/detik
berarti V = 50 cm³ ® m = r .V = 1 . 50 = 50 gram

t = 1 detik 1 joule = 0.24 kal

E = Q ® 0,24 P.t = m. c. t

0.24 . 3500 . 1 = 50. 1 ( t_a - 20 ) ® t_a = 36.8ºC

2. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m² dan suhunya 27ºC. Jika suhu sekelilingnya 77ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam.

Jawab:

Benda hitam: e = 1 ;  s = 5,672.10^-8 watt/m²K⁴

a. W = e s ( T₂⁴ - T₁⁴) ® T1 = 300ºK ; T₂ = 350ºK
= 1. 5,672.10^-8 (350⁴ - 300⁴)
= 391,72 watt/m²

b. W = E/A.T ® E = W. A. t
E = 391,72. 0,5. 3600 = 705060 Joule

3. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka

[K . A . (DT/L)] besi = [K . A . (DT/L)] kuningan

K . A (500 - T)/2 = 3 KA (T - 350)/l

T= 2600/7= 371,4ºC

Semoga Bermanfaat......