Modul Fisika: Kalor dan Termodinamika

0Peta Belajar

Di modul usaha dan energi, gesekan membuat energi mekanik "hilang" menjadi kalor. Sekarang kita ikuti ke mana energi itu pergi. Termodinamika adalah ilmu tentang kalor, usaha, dan energi dalam, dan aturan yang membatasi seberapa jauh energi panas bisa dimanfaatkan.

Setelah menyelesaikan modul ini, kamu diharapkan mampu:

Membedakan suhu, kalor, dan energi dalam, serta mengonversi skala suhu.
Menghitung pemuaian zat padat, cair, dan gas.
Menghitung kalor untuk perubahan suhu dan perubahan wujud, serta menerapkan asas Black.
Menjelaskan konduksi, konveksi, dan radiasi.
Menerapkan hukum gas ideal dan teori kinetik gas.
Menerapkan hukum I termodinamika pada proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.
Menjelaskan hukum II termodinamika, entropi, efisiensi mesin kalor, dan mesin pendingin.
Mengenali miskonsepsi yang sering muncul dan menghubungkannya dengan teknologi masa kini.

Catatan: kecuali disebutkan lain, kita memakai kalor jenis air 4.200 J/kg·°C, es 2.100 J/kg·°C, uap air 2.000 J/kg·°C; kalor lebur es 336.000 J/kg; kalor uap air 2.260.000 J/kg; 1 kal = 4,2 J; konstanta gas R = 8,31 J/mol·K; konstanta Boltzmann k = 1,38 × 10⁻²³ J/K; dan 1 atm ≈ 1,0 × 10⁵ Pa. Air membeku pada 0 °C dan mendidih pada 100 °C pada tekanan 1 atm.

1Konsep Inti

A. Suhu dan kalor

Suhu vs Kalor

Suhu (T) adalah ukuran seberapa panas atau dingin suatu benda. Pada tingkat partikel, suhu mencerminkan energi kinetik rata-rata partikel penyusunnya.
Kalor (Q) adalah energi yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah karena perbedaan suhu. Satuan SI: joule (J).
Energi dalam (U) adalah jumlah seluruh energi partikel di dalam benda (kinetik dan potensial antarpartikel).

Ingat: benda tidak "mengandung kalor". Kalor adalah nama untuk energi yang sedang berpindah. Benda memiliki energi dalam dan suhu.

Hukum ke-nol termodinamika: jika benda A setimbang termal dengan C, dan B setimbang termal dengan C, maka A dan B setimbang termal satu sama lain. Inilah dasar kerja termometer.

Skala suhu

T(K) = t(°C) + 273 | t(°F) = 9/5 t(°C) + 32 | t(°R) = 4/5 t(°C)

Titik	Celsius	Kelvin	Fahrenheit
Nol mutlak	−273 °C	0 K	−459 °F
Es melebur	0 °C	273 K	32 °F
Suhu tubuh normal	± 37 °C	± 310 K	± 98,6 °F
Air mendidih (1 atm)	100 °C	373 K	212 °F

Perubahan 1 °C sama dengan perubahan 1 K (ΔT sama). Untuk rumus yang melibatkan perbandingan suhu (hukum gas, efisiensi Carnot) wajib memakai Kelvin.

B. Pemuaian

Pemuaian zat padat

Saat dipanaskan, partikel bergetar lebih kuat sehingga rata-rata jaraknya membesar dan benda memuai.

ΔL = L₀ α ΔT | ΔA = A₀ β ΔT, β ≈ 2α | ΔV = V₀ γ ΔT, γ ≈ 3α

α = koefisien muai panjang (/°C), misalnya baja ≈ 1,2 × 10⁻⁵ /°C, aluminium ≈ 2,4 × 10⁻⁵ /°C. Zat cair hanya memiliki muai volume (γ). Gas memuai paling besar dan dibahas lewat hukum gas.

Anomali air: air menyusut saat dipanaskan dari 0 °C ke 4 °C, lalu memuai di atas 4 °C. Air memiliki massa jenis terbesar pada ± 4 °C, dan es (yang lebih ringan) mengapung. Karena itu danau membeku dari permukaan dan makhluk hidup di dasar masih bisa bertahan.

C. Kalor dan perubahan wujud

Kalor untuk mengubah suhu

Q = m c ΔT | C = m c = Q / ΔT

c = kalor jenis (J/kg·°C) yaitu kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk naik 1 °C. C = kapasitas kalor (J/°C). Air memiliki kalor jenis yang besar sehingga lambat panas dan lambat dingin.

Kalor untuk mengubah wujud

Q = m L

L = kalor laten (J/kg): kalor lebur/beku (L_f) atau kalor uap/embun (L_v). Selama perubahan wujud, suhu tetap. Energi dipakai untuk memutus atau membentuk ikatan antarpartikel, bukan untuk menaikkan energi kinetik rata-ratanya.

Tahap (1 kg, mulai dari es −20 °C)	Rumus	Kalor
Es −20 °C → 0 °C	m c_es ΔT	42 kJ
Es melebur (0 °C)	m L_f	336 kJ
Air 0 °C → 100 °C	m c_air ΔT	420 kJ
Air menguap (100 °C)	m L_v	2.260 kJ
Uap 100 °C → 120 °C	m c_uap ΔT	40 kJ

Perhatikan: menguapkan 1 kg air butuh kalor lebih dari lima kali kalor untuk menaikkan suhunya dari 0 °C sampai 100 °C.

🧪 Simulasi mini: pemanasan es hingga menjadi uap (awal: es −20 °C) Massa zat m: 1.0 kg Kalor yang diberikan Q: 0 kJ

Asas Black

Jika dua benda bersuhu berbeda bercampur dalam sistem terisolasi (tidak ada kalor yang keluar), kalor yang dilepas benda panas sama dengan kalor yang diterima benda dingin:

Q_lepas = Q_terima

Untuk dua zat tanpa perubahan wujud, suhu akhir campuran:

T_c = (m₁ c₁ T₁ + m₂ c₂ T₂) / (m₁ c₁ + m₂ c₂)

Jika ada perubahan wujud, periksa dulu apakah kalor yang tersedia cukup untuk melebur seluruh es. Baru tentukan suhu akhirnya.

D. Perpindahan kalor

Konduksi

Kalor merambat lewat tumbukan partikel tanpa partikelnya ikut berpindah, terutama pada zat padat.

H = Q/t = k A ΔT / L

k = konduktivitas termal (W/m·K), A = luas, L = tebal, ΔT = beda suhu. Logam (k besar) adalah konduktor, kayu dan plastik (k kecil) adalah isolator.

Konveksi

Kalor dibawa oleh aliran fluida (zat cair atau gas) yang bergerak. Fluida panas memuai, massa jenisnya turun, lalu naik, sedangkan fluida dingin turun.

H = h A ΔT

h = koefisien konveksi. Contoh: angin laut dan angin darat, air mendidih dalam panci, pendinginan dengan kipas.

Radiasi

Kalor dipancarkan sebagai gelombang elektromagnetik (inframerah) dan tidak memerlukan medium. Setiap benda yang bersuhu di atas nol mutlak memancarkan radiasi.

P = e σ A T⁴

σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴, e = emisivitas (0–1). Daya radiasi sebanding dengan T⁴: suhu (K) dua kali lipat, daya 16 kali lipat. Permukaan gelap dan kasar memancarkan dan menyerap lebih baik.

E. Teori kinetik gas ideal

Hukum gas ideal

Gas ideal adalah model: molekulnya sangat kecil, tidak saling tarik-menarik, dan hanya bertumbukan lenting. Model ini cukup baik untuk gas pada tekanan rendah dan suhu jauh di atas titik didihnya.

P V = n R T = N k T

n = jumlah mol, N = jumlah molekul, R = 8,31 J/mol·K, k = 1,38 × 10⁻²³ J/K. T harus dalam kelvin, P dalam Pa, V dalam m³ (1 L = 10⁻³ m³).

Hukum	Yang tetap	Rumus
Boyle	T (dan n)	P₁ V₁ = P₂ V₂
Charles	P (dan n)	V₁/T₁ = V₂/T₂
Gay-Lussac	V (dan n)	P₁/T₁ = P₂/T₂
Gabungan	n	P₁ V₁ / T₁ = P₂ V₂ / T₂

Energi molekul dan energi dalam

Tekanan gas berasal dari tumbukan molekul pada dinding wadah. Energi kinetik translasi rata-rata satu molekul bergantung pada suhu saja:

⟨E_k⟩ = (3/2) k T | v_rms = √(3 R T / M)

M = massa molar dalam kg/mol (misalnya N₂: 0,028 kg/mol). Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu:

Monoatomik (He, Ne, Ar): U = (3/2) n R T | Diatomik (suhu sedang): U = (5/2) n R T

Karena itu, jika T tetap (isotermal), ΔU = 0, dan jika T naik, ΔU naik.

🧪 Simulasi mini: gas ideal di dalam silinder Jumlah gas n: 1 mol Suhu T: 27 °C (= 300 K) Volume V: 25 liter

F. Hukum I termodinamika

Kekekalan energi untuk sistem termodinamika

ΔU = Q − W

Dengan konvensi: Q positif jika sistem menerima kalor, dan W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan (misalnya gas memuai). Jadi energi dalam naik jika sistem menerima kalor atau dikenai usaha (W negatif saat gas dimampatkan).

Usaha gas pada tekanan P ketika volume berubah:

W = ∫ P dV (= luas daerah di bawah kurva P–V)

Empat proses penting (gas ideal)

Proses	Yang tetap	Usaha W	ΔU	Hukum I menjadi
Isobarik	P	P ΔV	(3/2) n R ΔT (monoatomik)	Q = ΔU + P ΔV
Isokhorik	V	0	(3/2) n R ΔT	Q = ΔU
Isotermal	T	n R T ln(V₂/V₁)	0	Q = W
Adiabatik	Q = 0	−ΔU	−W	ΔU = −W

Pada proses adiabatik, gas yang memuai melakukan usaha dengan "mengorbankan" energi dalamnya, sehingga suhunya turun. Gas yang dimampatkan cepat (adiabatik) suhunya naik. Hubungannya: P V^γ = konstan, dengan γ = C_p/C_v (5/3 untuk gas monoatomik, 7/5 untuk diatomik).

Kalor jenis molar gas ideal monoatomik: C_v = (3/2) R dan C_p = C_v + R = (5/2) R.

G. Hukum II termodinamika, mesin kalor, dan mesin pendingin

Hukum II termodinamika

Hukum I hanya mengatakan energi kekal. Hukum II menjelaskan arah proses alami dan batasan pemanfaatan energi panas. Ada beberapa pernyataan yang setara:

Clausius: kalor tidak dapat berpindah secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa ada usaha dari luar.
Kelvin–Planck: tidak ada mesin yang bekerja dalam siklus dan hanya mengubah seluruh kalor yang diserapnya menjadi usaha. Pasti ada kalor yang dibuang ke reservoir dingin.
Entropi (S): ukuran ketidakteraturan. Untuk sistem terisolasi, entropi total tidak pernah berkurang (ΔS ≥ 0). Untuk proses reversibel pada suhu tetap, ΔS = Q / T.

Hukum ketiga: suhu nol mutlak (0 K) tidak mungkin dicapai dalam jumlah langkah yang berhingga.

Mesin kalor & efisiensi

Mesin kalor menyerap kalor Q_H dari reservoir panas, mengubah sebagian menjadi usaha W, dan membuang sisanya Q_C ke reservoir dingin.

W = Q_H − Q_C | η = W / Q_H = 1 − Q_C / Q_H

Mesin Carnot adalah mesin ideal (reversibel) yang menghasilkan efisiensi tertinggi yang mungkin antara dua suhu. Tidak ada mesin nyata yang bisa melampauinya:

η_Carnot = 1 − T_C / T_H (T dalam kelvin)

Karena T_C tidak mungkin 0 K, efisiensi selalu kurang dari 100%. Menaikkan T_H atau menurunkan T_C menaikkan efisiensi maksimum.

🧪 Simulasi mini: mesin kalor Carnot dan mesin nyata Suhu reservoir panas T_H: 527 °C (= 800 K) Suhu reservoir dingin T_C: 27 °C (= 300 K) Kalor yang diserap per siklus Q_H: 4000 J Mesin nyata mencapai 50% dari efisiensi Carnot

Usaha W

Kalor buang Q_C

Mesin pendingin & pompa kalor

Mesin pendingin (kulkas, AC) memindahkan kalor dari ruang dingin ke ruang panas dengan bantuan usaha listrik. Ini tidak melanggar hukum II karena ada usaha dari luar.

Q_H = Q_C + W | COP_pendingin = Q_C / W | COP_Carnot = T_C / (T_H − T_C)

Untuk pompa kalor yang dipakai untuk menghangatkan: COP_pemanas = Q_H / W. COP bisa lebih dari 1 (misalnya 3 atau 4) karena alat hanya memindahkan kalor, bukan mengubah listrik menjadi kalor secara langsung.

Cara menyelesaikan soal kalor dan termodinamika

Tentukan jenis soalnya: pemuaian, kalor dan wujud (asas Black), gas ideal, hukum I, atau mesin kalor.
Ubah satuan: °C ke K (untuk gas dan Carnot), liter ke m³, gram ke kg, atm ke Pa.
Untuk asas Black, hitung dulu kalor tiap tahap (naik suhu, lebur, uap) sebelum menebak suhu akhir.
Untuk hukum I, tentukan tanda Q dan W dengan konvensi di atas, lalu gunakan ΔU = Q − W.
Cek kewajaran: suhu akhir campuran ada di antara kedua suhu awal, dan efisiensi mesin tidak boleh melebihi efisiensi Carnot.

2Miskonsepsi yang Sering Terjadi

Kata "panas" dan "dingin" dipakai santai sehari-hari, sehingga banyak pengertian fisika yang tertukar. Cek apakah kamu pernah percaya salah satunya.

❌ MiskonsepsiSuhu dan kalor itu sama saja.

✅ Yang benarSuhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel, sedangkan kalor adalah energi yang berpindah karena beda suhu. Bak air hangat (40 °C) memiliki energi total jauh lebih besar daripada secangkir air mendidih (100 °C), tetapi suhunya lebih rendah.

❌ MiskonsepsiBenda yang panas "mengandung kalor", dan ada "dingin" yang berpindah dari es ke tangan kita.

✅ Yang benarYang berpindah selalu kalor dari yang bersuhu tinggi ke yang bersuhu rendah. Tangan terasa dingin saat memegang es karena kalor dari tanganmu mengalir ke es. "Dingin" bukan zat yang berpindah.

❌ MiskonsepsiLantai keramik atau besi terasa lebih dingin daripada kayu karena suhunya memang lebih rendah.

✅ Yang benarJika sudah lama berada di ruangan yang sama, keduanya bersuhu sama. Logam dan keramik menghantar kalor dari tangan jauh lebih cepat (konduktivitas termal besar), sehingga kulit "merasa" lebih dingin. Yang kita rasakan adalah laju perpindahan kalor, bukan suhu.

❌ MiskonsepsiSelama dipanaskan, suhu zat terus naik, termasuk saat melebur atau mendidih.

✅ Yang benarSaat perubahan wujud, suhu tetap. Kalor dipakai untuk memutus ikatan antarpartikel (kalor laten), bukan menaikkan suhu. Air yang sedang mendidih di panci tetap 100 °C walau apinya dibesarkan, hanya lebih cepat menguap.

❌ MiskonsepsiSuhu 40 °C berarti dua kali lebih panas daripada 20 °C.

✅ Yang benarTitik nol skala Celsius ditentukan sembarang (titik beku air), bukan nol mutlak. Dalam kelvin, 20 °C = 293 K dan 40 °C = 313 K, hanya sekitar 1,07 kali. Perbandingan suhu yang bermakna fisis harus memakai Kelvin.

❌ MiskonsepsiPada hukum gas, suhu boleh langsung dipakai dalam Celsius.

✅ Yang benarP V = n R T dan semua turunannya memerlukan suhu mutlak (kelvin). Memakai Celsius akan membuat hasil salah, bahkan bisa menghasilkan tekanan nol atau negatif pada 0 °C.

❌ MiskonsepsiSuhu benda hanya bisa naik kalau diberi kalor.

✅ Yang benarHukum I: ΔU = Q − W. Energi dalam (dan suhu) bisa naik oleh usaha tanpa kalor masuk. Pompa sepeda menghangat karena udara dimampatkan cepat (hampir adiabatik), dan menggosok kedua telapak tangan membuatnya hangat karena usaha melawan gesek.

❌ MiskonsepsiTekanan gas di dalam wadah muncul karena berat gas atau karena molekul gas saling mendorong.

✅ Yang benarTekanan gas berasal dari tumbukan molekul pada dinding wadah. Makin tinggi suhu atau makin sempit wadahnya, makin sering dan makin keras tumbukannya, sehingga tekanan makin besar.

❌ MiskonsepsiDengan teknologi yang cukup baik dan gesekan dihilangkan, mesin kalor bisa 100% efisien.

✅ Yang benarHukum II membatasi efisiensi, bukan hanya gesek. Efisiensi maksimum Carnot η = 1 − T_C/T_H selalu kurang dari 100% karena T_C tidak bisa 0 K. Pembangkit listrik tenaga uap hanya sekitar 35–45% walaupun sangat canggih.

❌ MiskonsepsiKulkas "menciptakan dingin", sehingga membuka pintu kulkas akan mendinginkan dapur.

✅ Yang benarKulkas memindahkan kalor dari dalam ke luar dengan bantuan listrik. Kalor yang dibuang ke dapur adalah Q_H = Q_C + W, lebih besar daripada yang diambil dari dalam. Jadi kulkas yang pintunya dibuka justru menghangatkan ruangan.

3Fenomena Sehari-hari

Kalor ada di dapur, di pantai, dan di tubuhmu. Coba amati 12 kejadian ini.

Kalor jenisPasir pantai panas di siang hari, laut tetap sejuk

Kalor jenis air jauh lebih besar daripada pasir, sehingga air butuh kalor lebih banyak untuk naik 1 °C. Perbedaan ini juga menggerakkan angin laut di siang hari dan angin darat di malam hari.

Kalor leburEs batu mendinginkan minuman

Es menyerap kalor sangat banyak untuk melebur (336 kJ/kg) sambil tetap di 0 °C, sehingga minuman bisa terus dingin lebih lama daripada air dingin dengan suhu yang sama.

Kalor uapKeringat mendinginkan tubuh

Saat keringat menguap, ia menyerap kalor dari kulit (kalor uap air besar). Itulah sebabnya kita terasa sejuk saat berangin, dan gerah saat udara lembap karena penguapan lambat.

Kalor uapUap air lebih berbahaya daripada air mendidih

Uap yang mengembun di kulit melepaskan kalor uap (2.260 kJ/kg) dan menambah panas dari pendinginan air. Karena itu luka bakar akibat uap bisa lebih parah.

PemuaianCelah pada rel kereta dan sambungan jembatan

Baja memuai saat panas. Tanpa celah, rel bisa melengkung. Kabel listrik juga tampak lebih kendur di siang hari yang panas.

Anomali airDanau membeku dari permukaan

Air terpadat pada ± 4 °C dan es lebih ringan, sehingga es mengapung dan melindungi air di bawahnya. Ikan di danau beriklim dingin tetap hidup di bawah lapisan es.

IsolatorTermos menjaga minuman tetap panas atau dingin

Dinding ganda berhampa udara menahan konduksi dan konveksi, sedangkan lapisan mengilap memantulkan radiasi. Hampir tidak ada jalur untuk kalor keluar atau masuk.

KonduksiGagang panci dari plastik atau kayu

Panci memakai logam (konduktor) pada badan agar panas cepat merata, dan memakai isolator pada gagang agar tangan tetap aman.

Konveksi & radiasiApi unggun

Tanganmu di samping api terasa hangat karena radiasi inframerah. Udara panas yang naik di atas api bergerak oleh konveksi, dan tangan yang menggenggam batang kayu bisa kepanasan karena konduksi.

Hukum gasBotol tertutup di mobil panas menggembung

Suhu udara dalam botol naik pada volume hampir tetap, sehingga tekanan meningkat (Gay-Lussac). Sebaliknya, balon yang dimasukkan ke freezer mengerut (V ∝ T).

Hukum IPompa ban sepeda menghangat

Pemampatan udara cepat adalah proses hampir adiabatik: usaha dari pompa menaikkan energi dalam udara sehingga suhunya naik.

AdiabatikKaleng semprot terasa dingin

Gas yang menyembur memuai cepat dan melakukan usaha dengan mengorbankan energi dalamnya, sehingga suhunya turun dan kaleng terasa dingin.

4Aplikasi dalam Teknologi Terkini

Transisi energi, pendingin, dan komputasi modern semuanya bergantung pada pengelolaan kalor dan batas-batas termodinamika.

Mesin kalorPembangkit listrik termal (PLTU, PLTP, PLTN)

Kalor dari batu bara, panas bumi, atau reaksi nuklir menghasilkan uap bertekanan yang memutar turbin dan generator. Efisiensi pembangkit uap biasa sekitar 33–45%, dan pembangkit siklus gabungan (gas dan uap) dapat melebihi 55%.

Mesin kalorMesin kendaraan dan mobil hybrid

Mesin pembakaran dalam hanya mengubah sekitar 25–40% energi bahan bakar menjadi usaha, sisanya menjadi panas buangan. Mobil hybrid dan motor listrik menaikkan efisiensi keseluruhan.

Mesin pendinginAC dan kulkas

Zat pendingin menyerap kalor dari ruang dingin saat menguap, lalu melepaskannya ke luar saat mengembun di kondensor. Kompresor memberi usaha yang diperlukan. AC inverter mengatur putaran kompresor agar lebih hemat.

Pompa kalorPemanas air dan pemanas ruangan berbasis pompa kalor

Alat memindahkan kalor dari udara luar ke dalam rumah. COP-nya bisa 3–4, artinya tiap 1 J listrik memindahkan 3–4 J kalor, jauh lebih hemat daripada pemanas listrik biasa.

Konduksi & konveksiPendingin prosesor, pusat data, dan baterai mobil listrik

Heat sink, kipas, pipa kalor, dan pendingin cair memindahkan kalor dari chip. Pusat data bahkan merendam server dalam cairan pendingin. Baterai mobil listrik juga punya manajemen termal agar tidak terlalu panas atau terlalu dingin.

Penyimpanan kalorPLTS termal dengan garam cair dan baterai termal

Cermin memfokuskan cahaya Matahari untuk memanaskan garam cair yang menyimpan kalor, lalu kalor dipakai membangkitkan listrik pada malam hari. Ada juga penyimpan kalor dari pasir, batu bata, dan es.

Panas bumiPembangkit listrik panas bumi (geotermal)

Uap dan air panas dari dalam bumi memutar turbin. Indonesia termasuk negara dengan potensi panas bumi terbesar di dunia karena berada di kawasan gunung api.

IsolasiInsulasi bangunan, kaca low-E, dan aerogel

Bahan dengan konduktivitas termal sangat kecil dan lapisan yang memantulkan inframerah mengurangi kalor yang masuk atau keluar sehingga AC dan pemanas bekerja lebih ringan.

RadiasiTermometer inframerah dan kamera termal

Alat menangkap radiasi inframerah dari permukaan benda dan mengubahnya menjadi suhu atau citra. Dipakai untuk memantau mesin yang terlalu panas, kebocoran isolasi, dan pemindaian suhu tubuh.

Perubahan wujudPerisai panas wahana antariksa

Saat masuk atmosfer, kapsul sangat panas. Perisai ablatif menguap dan terkikis perlahan sambil menyerap kalor (kalor laten), sedangkan ubin keramik menghambat konduksi ke badan wahana.

EfisiensiPemulihan panas buangan

Panas buangan industri dan knalpot dimanfaatkan kembali untuk memanaskan air atau menggerakkan generator tambahan. Pendekatan ini mengurangi energi yang terbuang.

EntropiInformasi dan komputasi

Setiap komputer menghasilkan kalor karena proses logika dan hambatan listrik. Batas termodinamika menentukan seberapa rapat transistor bisa dikemas sebelum kalor sulit dibuang.

5Latihan Soal & Pembahasan

Coba kerjakan sendiri dulu di kertas. Baru klik untuk melihat pembahasan. Gunakan c_air = 4.200 J/kg·°C, c_es = 2.100 J/kg·°C, L_f = 336.000 J/kg, L_v = 2.260.000 J/kg, R = 8,31 J/mol·K, 1 atm = 1,0 × 10⁵ Pa.

Soal 1 — Konversi Suhu Mudah

(a) Ubah 25 °C ke kelvin dan ke fahrenheit. (b) Ubah 104 °F ke celsius.

(a) T = 25 + 273 = 298 K | t(°F) = 9/5 × 25 + 32 = 45 + 32 = 77 °F

(b) t(°C) = 5/9 × (104 − 32) = 5/9 × 72 = 40 °C

Soal 2 — Pemuaian Rel Kereta Mudah

Rel baja sepanjang 20 m (α = 1,2 × 10⁻⁵ /°C) dipasang pada suhu 20 °C. Berapa pertambahan panjangnya pada suhu 50 °C?

ΔL = L₀ α ΔT = 20 × 1,2 × 10⁻⁵ × 30 = 7,2 × 10⁻³ m = 7,2 mm

Itulah mengapa sambungan rel diberi celah.

Soal 3 — Kalor Pemanasan Mudah

Sebanyak 2 kg air dipanaskan dari 20 °C menjadi 70 °C. Hitung kalor yang diperlukan. Berapa lama waktu yang dibutuhkan pemanas 1.000 W (efisiensi 100%)?

Q = m c ΔT = 2 × 4.200 × 50 = 420.000 J = 420 kJ

t = Q / P = 420.000 / 1.000 = 420 s = 7 menit

Soal 4 — Asas Black Sedang

Sebanyak 200 g air bersuhu 80 °C dicampur dengan 300 g air bersuhu 20 °C dalam wadah terisolasi (kapasitas wadah diabaikan). Tentukan suhu akhir campuran.

Karena zatnya sama (c sama), c bisa dicoret:

T_c = (m₁T₁ + m₂T₂) / (m₁ + m₂) = (0,2 × 80 + 0,3 × 20) / 0,5 = (16 + 6) / 0,5 = 44 °C

Cek: Q_lepas = 0,2 × 4.200 × (80 − 44) = 30.240 J. Q_terima = 0,3 × 4.200 × (44 − 20) = 30.240 J ✓

Soal 5 — Kalor dan Perubahan Wujud Sedang

Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 0,5 kg es bersuhu −10 °C menjadi air bersuhu 20 °C?

Q₁ = m c_es ΔT = 0,5 × 2.100 × 10 = 10.500 J (es −10 → 0 °C)

Q₂ = m L_f = 0,5 × 336.000 = 168.000 J (melebur)

Q₃ = m c_air ΔT = 0,5 × 4.200 × 20 = 42.000 J (air 0 → 20 °C)

Q_total = 10.500 + 168.000 + 42.000 = 220.500 J ≈ 220,5 kJ

Kalor lebur (168 kJ) paling besar, padahal suhunya tidak berubah.

Soal 6 — Es dalam Minuman Menantang

Sebanyak 100 g es bersuhu 0 °C dimasukkan ke dalam 400 g air bersuhu 30 °C (wadah dan kalor ke lingkungan diabaikan). Apakah seluruh es melebur? Berapa suhu akhirnya?

Langkah 1: cek apakah kalor air cukup melebur seluruh es.

Kalor yang dapat dilepas air sampai 0 °C: Q = 0,4 × 4.200 × 30 = 50.400 J

Kalor untuk melebur seluruh es: Q = 0,1 × 336.000 = 33.600 J

50.400 > 33.600, jadi seluruh es melebur dan masih ada kelebihan kalor 50.400 − 33.600 = 16.800 J.

Langkah 2: suhu akhir. Kelebihan kalor itu menaikkan suhu seluruh air (0,1 + 0,4 = 0,5 kg) dari 0 °C:

ΔT = 16.800 / (0,5 × 4.200) = 8 °C → T akhir = 8 °C

Cek dengan asas Black: air panas melepas 0,4 × 4.200 × (30 − 8) = 36.960 J. Es menerima 33.600 + 0,1 × 4.200 × 8 = 33.600 + 3.360 = 36.960 J ✓

Soal 7 — Konduksi pada Dinding Sedang

Dinding beton seluas 10 m², tebal 0,2 m, dan konduktivitas termal k = 1,0 W/m·K memisahkan ruangan bersuhu 25 °C dari luar bersuhu 35 °C. Berapa laju kalor yang masuk melalui dinding? Berapa energi yang masuk dalam 1 jam?

H = k A ΔT / L = 1,0 × 10 × (35 − 25) / 0,2 = 500 W

Q = H t = 500 × 3.600 = 1.800.000 J = 1,8 MJ = 0,5 kWh

Itu sebabnya AC harus bekerja membuang kalor yang terus masuk. Dinding yang lebih tebal atau berisolasi (k kecil) mengurangi beban AC.

Soal 8 — Gas Ideal Sedang

Gas dalam tabung 5 L bersuhu 27 °C bertekanan 2 atm. (a) Berapa mol gas dalam tabung? (b) Gas dipanaskan sampai 127 °C pada volume tetap. Berapa tekanan akhirnya? (c) Kemudian gas dimampatkan pada suhu tetap sampai volumenya 4 L. Berapa tekanannya sekarang?

Ubah satuan: P = 2 × 10⁵ Pa, V = 5 × 10⁻³ m³, T₁ = 300 K, T₂ = 400 K.

(a) n = P V / (R T) = (2 × 10⁵ × 5 × 10⁻³) / (8,31 × 300) = 1.000 / 2.493 ≈ 0,40 mol

(b) P₂ = P₁ × T₂ / T₁ = 2 × 400 / 300 ≈ 2,67 atm

Soal 9 — Hukum I Termodinamika (Isobarik) Menantang

Dua mol gas ideal monoatomik dipanaskan pada tekanan tetap 1,0 × 10⁵ Pa sehingga volumenya bertambah dari 0,020 m³ menjadi 0,030 m³. Hitung usaha oleh gas, perubahan energi dalam, dan kalor yang diterima gas.

W = P ΔV = 1,0 × 10⁵ × (0,030 − 0,020) = 1.000 J

Untuk ΔU, perhatikan bahwa n R ΔT = Δ(P V) = P ΔV = 1.000 J pada tekanan tetap. Jadi tidak perlu mencari ΔT secara terpisah:

ΔU = (3/2) n R ΔT = (3/2) × 1.000 = 1.500 J

Q = ΔU + W = 1.500 + 1.000 = 2.500 J

Cek: ΔT = 1.000 / (2 × 8,31) ≈ 60,2 K, sehingga C_p = Q / (n ΔT) = 2.500 / (2 × 60,2) ≈ 20,8 J/mol·K = (5/2) R ✓

Dari 2.500 J kalor, 1.500 J dipakai menaikkan energi dalam (suhu) dan 1.000 J dipakai gas untuk mendorong lingkungan.

Soal 10 — Mesin Carnot dan Mesin Nyata Menantang

Mesin kalor bekerja di antara reservoir 527 °C dan 27 °C. (a) Hitung efisiensi maksimum (Carnot). (b) Jika mesin menyerap 4.000 J per siklus, berapa usaha maksimum dan kalor yang dibuang? (c) Mesin nyata hanya menghasilkan 1.200 J dari 4.000 J. Berapa efisiensinya dan berapa persen dari efisiensi Carnot?

T_H = 527 + 273 = 800 K, T_C = 27 + 273 = 300 K.

(a) η_Carnot = 1 − 300/800 = 1 − 0,375 = 0,625 = 62,5%

(b) W_maks = η Q_H = 0,625 × 4.000 = 2.500 J → Q_C = 4.000 − 2.500 = 1.500 J

Mesin nyata membuang Q_C = 2.800 J, jauh lebih banyak dari mesin ideal karena gesekan, kebocoran kalor, dan proses yang tidak reversibel.

6Kuis Mandiri

10 pertanyaan pilihan ganda. Kamu langsung mendapat penjelasan setiap selesai menjawab.

Kuis interaktif membutuhkan JavaScript. Jika kuis tidak muncul, berikut soal beserta jawabannya (klik untuk membuka jawaban).

Soal 1. Kalor adalah...

Ukuran seberapa panas suatu benda
Energi yang berpindah karena adanya perbedaan suhu
Jumlah partikel dalam benda
Energi yang tersimpan dalam benda dan tidak bisa berpindah

Jawaban: B. Kalor adalah energi yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Benda tidak "mengandung kalor", tetapi memiliki energi dalam.

Soal 2. Suhu 27 °C setara dengan...

246 K
273 K
300 K
327 K

Jawaban: C. T(K) = t(°C) + 273 = 27 + 273 = 300 K.

Soal 3. Es sedang melebur pada tekanan 1 atm dan masih ada es yang tersisa. Suhu campuran es dan air itu...

Naik terus
Tetap 0 °C
Turun di bawah 0 °C
Mendekati 100 °C

Jawaban: B. Selama perubahan wujud, suhu tetap. Kalor dipakai untuk memutus ikatan antar-molekul (kalor laten), bukan menaikkan suhu.

Soal 4. Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 0,5 kg air sebesar 10 °C (c = 4.200 J/kg·°C) adalah...

2.100 J
4.200 J
21.000 J
42.000 J

Jawaban: C. Q = m c ΔT = 0,5 × 4.200 × 10 = 21.000 J.

Soal 5. Perpindahan kalor yang tidak memerlukan medium adalah...

Konduksi
Konveksi
Radiasi
Semua jawaban benar

Jawaban: C. Radiasi (gelombang elektromagnetik, terutama inframerah) dapat merambat di ruang hampa, seperti kalor Matahari menuju Bumi.

Soal 6. Gas ideal dalam wadah tertutup (volume tetap) dipanaskan dari 300 K menjadi 600 K. Tekanannya menjadi...

Setengah kali
Tetap
Dua kali
Empat kali

Jawaban: C. Hukum Gay-Lussac: P₁/T₁ = P₂/T₂, sehingga P₂ = P₁ × 600/300 = 2 P₁.

Soal 7. Suatu sistem menerima kalor 500 J dan melakukan usaha 200 J. Perubahan energi dalam sistem adalah...

+700 J
+300 J
−300 J
−700 J

Jawaban: B. ΔU = Q − W = 500 − 200 = +300 J.

Soal 8. Pada proses isotermal gas ideal, perubahan energi dalam gas adalah...

Positif
Negatif
Nol
Sama dengan Q

Jawaban: C. Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu. Suhu tetap berarti ΔU = 0, sehingga Q = W.

Soal 9. Mesin Carnot bekerja di antara reservoir 600 K dan 300 K. Efisiensi maksimumnya adalah...

25%
50%
75%
100%

Jawaban: B. η = 1 − T_C/T_H = 1 − 300/600 = 0,5 = 50%.

Soal 10. Kulkas menerima kerja listrik 200 J dan membuang kalor 800 J ke ruangan. Kalor yang diambil dari dalam kulkas adalah...

200 J
600 J
800 J
1.000 J

Jawaban: B. Q_H = Q_C + W, sehingga Q_C = 800 − 200 = 600 J. COP kulkas = Q_C/W = 3.

7Advice: Cara Mengembangkan Kemampuanmu

Termodinamika sering terasa abstrak karena kita tidak bisa melihat kalor. Trik terbaiknya: selalu telusuri ke mana energi pergi, lalu cek dengan angka.

1. Buat "buku besar energi"

Untuk tiap soal, catat energi yang masuk dan keluar sistem. Baru pilih rumus yang cocok (Q = mcΔT, Q = mL, ΔU = Q − W).

2. Selalu cek perubahan wujud

Pada soal campuran es dan air, hitung dulu kalor yang tersedia dan yang dibutuhkan untuk melebur sebelum menebak suhu akhir.

3. Kelvin untuk gas dan Carnot

Biasakan menulis T dalam K di baris pertama pekerjaanmu. Satu kali lupa mengubah satuan bisa membuat seluruh jawaban salah.

4. Tentukan tanda Q dan W

Gambar kotak sistem dengan panah Q masuk dan panah W keluar. Pegang konvensi: Q masuk positif, W oleh sistem positif.

Kebiasaan belajar yang terbukti membantu

Active recall: tutup catatan, lalu tulis perbedaan suhu, kalor, dan energi dalam, serta tabel empat proses gas ideal.
Spaced repetition: ulangi materi di hari ke-1, 3, 7, dan 14, bukan sekaligus semalam sebelum ujian.
Teknik Feynman: jelaskan kepada temanmu "kenapa membuka pintu kulkas tidak mendinginkan dapur". Kalau tersendat, bagian itu perlu diulang.
Gambar kurva: gambar grafik suhu terhadap kalor untuk es yang dipanaskan sampai uap. Bagian datar menunjukkan perubahan wujud.
Kelompokkan soal berdasarkan tipe: pemuaian, kalor dan wujud, asas Black, konduksi, hukum gas, hukum I, Carnot, dan COP.

Eksperimen murah di rumah

Kurva pendinginan atau pemanasan: masukkan es batu ke gelas, ukur suhu dengan termometer digital setiap menit sampai es habis dan air menghangat. Gambar grafiknya dan temukan bagian datar saat es melebur.
Balon di mulut botol: pasang balon pada mulut botol kaca. Rendam botol di air hangat, lalu di air es. Amati balon mengembang dan mengempis, lalu jelaskan dengan hukum gas.
Konduktor vs isolator: letakkan sendok logam, plastik, dan kayu di air hangat. Tempelkan sedikit mentega di ujung gagang dan lihat mana yang meleleh lebih dulu.
Termos buatan: bungkus dua gelas berisi air panas yang sama dengan bahan berbeda (kertas, kain, alumunium foil). Catat suhunya setiap 5 menit dan bandingkan.
Pompa sepeda: pompa ban beberapa kali dengan cepat, lalu rasakan suhu badan pompa dan sambungannya. Jelaskan dengan hukum I.

Keselamatan: hati-hati dengan air panas dan api. Gunakan termometer digital, bukan termometer kaca berisi raksa. Jangan memanaskan wadah tertutup rapat, dan minta pendampingan orang dewasa saat memakai kompor.

Peta pengembangan lanjutan

Level dasar

Kuasai suhu dan kalor, Q = mcΔT, Q = mL, asas Black, dan tiga cara perpindahan kalor. Targetkan skor kuis ≥ 80%.

Level menengah

Latih soal siklus (diagram P–V), proses adiabatik, gabungan hukum gas dengan hukum I, mesin kalor, COP kulkas dan pompa kalor, serta soal olimpiade tingkat sekolah.

Level lanjut

Pelajari entropi dan hukum II secara kuantitatif, termodinamika statistik (distribusi Maxwell–Boltzmann), siklus Otto, Diesel, dan Rankine, serta kalkulus pada usaha gas (∫P dV).

Proyek kreatif

Buat pendingin evaporatif sederhana, hitung kebutuhan kalor untuk memasak air dan bandingkan dengan tagihan gas atau listrik, atau susun video singkat yang membongkar satu miskonsepsi kalor.

Satu pesan terakhir: setiap soal termodinamika bisa dimulai dari tiga pertanyaan: (1) sistemnya apa dan terisolasi atau tidak? (2) ada perubahan wujud atau tidak? (3) energi masuk dan keluar dalam bentuk apa (Q atau W)? Konsisten 20 menit per hari lebih baik daripada 3 jam sekali seminggu.