Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

34Kalor dan Isolasi

Mengapa perosotan logam terasa sedingin es sementara bangku kayu di sebelahnya tidak? Teka-teki itu membuntuti kita sejak tahun pertama buku ini. Hari ini ia jatuh — bersama rahasia termos, jendela ganda, dan burung pipit yang menggembung pada musim dingin. Kuncinya adalah berhenti bertanya bagaimana benda terasa dan mulai mengikuti ke mana kalor mengalir.

34.1 Kalor sedang bergerak

Definisi 34.1 (Kalor)

Yang disebut kalor adalah energi yang sedang berpindah dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Sup menyerahkan kalor kepada sendok, radiator kepada ruangan, tanganmu kepada bola salju. Kalor bukanlah zat yang bersembunyi di dalam benda panas — ia adalah sebuah aliran, dan ia selalu punya arah.

Proposisi 34.2 (Kalor mengalir menurun)

Dengan sendirinya, kalor selalu mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin — tidak pernah sebaliknya. Alirannya berjalan selama kedua suhunya berbeda, dan mereda ketika keduanya bertemu: kalau dibiarkan bersama cukup lama, tetangga yang panas dan yang dingin berakhir pada satu suhu yang sama.

Contoh 34.3 (Membaca arahnya)

Sendok teh di dalam teh menjadi panas: kalor mengalir teh $\to$ sendok. Limun berbongkah es menjadi dingin — hati-hati! Tidak ada sesuatu bernama “dingin” yang mengalir masuk: kalor mengalir keluar dari limunnya ke dalam esnya, lalu mencairkannya. Dingin bukanlah sebuah aliran; ia hanya nama yang kita berikan kepada pihak yang kalah. Buku fisika semuanya menulis “minumannya kehilangan kalor”, tidak pernah “minumannya mendapat dingin”.

Satu aturan untuk setiap dapur dan setiap musim dingin: kalor berlari menurun, dari yang lebih panas ke yang lebih dingin, sampai bukitnya habis.

34.2 Jalur cepat dan jalur lambat

Definisi 34.4 (Konduktor dan isolator kalor)

Setiap zat sangat berbeda dalam hal secepat apa ia membiarkan kalor mengalir melewatinya. Sebuah konduktor kalor adalah jalur cepat — logam di atas segalanya. Sebuah isolator kalor adalah jalur lambat: kayu, wol, plastik, bulu — dan sang juara, udara yang diam, yang terperangkap sehingga tidak dapat berpusar. (Kedua kata itu dipinjam dengan sengaja dari konduktor dan isolator listrik; kedua sifat itu sering, tetapi tidak selalu, berjalan bersama.)

Pagi yang berembun beku di halaman bermain: perosotan logam dan bangku kayu melewati malam yang sama pada suhu yang sama — namun hanya salah satunya yang akan menggigit kulitmu.

Contoh 34.5 (Teka-teki perosotan, terpecahkan)

Perosotan logam dan bangku kayu melewati malam pada suhu dingin yang sama — termometer sudah bersumpah begitu sejak lama. Sentuhlah keduanya: tanganmu lebih hangat daripada keduanya, sehingga kalor mengalir darimu ke masing-masingnya. Tetapi logamnya jalur cepat — ia menyapu kalormu pergi dengan terburu, dan keterburuan itulah yang terasa sebagai “sedingin es”. Kayunya mengambil kalormu hanya setetes demi setetes: nyaris tidak terasa sejuk. Kulitmu tidak pernah mengukur suhu — ia mengukur laju kehilangan kalornya sendiri. Perkaranya ditutup, sesudah empat tahun.

Metode 34.6 (Lomba mendingin)

Saksikan isolasi menang, dengan bilangan:

isilah dua cangkir yang serupa dengan air keran yang sama panasnya (mintalah orang dewasa memberi air hangat setangan, bukan air mendidih);
bungkuslah satu cangkir tebal-tebal dengan syal wol; biarkan yang lain telanjang;
tancapkan termometer di masing-masingnya lalu tulislah kedua suhunya dalam sebuah tabel setiap lima menit, enam kali;
gambarlah kedua catatan itu sebagai dua garis pada satu grafik, suhu terhadap waktu.

Garis cangkir yang telanjang menukik; garis cangkir yang terbungkus melandai lembut. Awal yang sama, ruangan yang sama — wolnya membuat pintu keluar kalor menjadi jalur lambat.

Lomba mendingin, digambar: dua cangkir air 50\, C di ruangan 20\, C. Wolnya tidak dapat menghentikan pelarian kalor — tetapi ia memperlambatnya dengan indah. — Lomba mendingin, digambar: dua cangkir air $50\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ di ruangan $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Wolnya tidak dapat menghentikan pelarian kalor — tetapi ia memperlambatnya dengan indah.

Catatan 34.7 (Isolasi hanya memperlambat)

Perhatikan ke mana kedua kurvanya menuju: ke arah $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ milik ruangan itu. Tidak ada syal, tidak ada termos, tidak ada dinding iglo yang pernah menghentikan aliran menurun kalor — isolasi hanya membuat jalur lambatnya lebih lambat lagi. Itu pula sebabnya mantel pada manusia salju (ingat dia?) menunda pencairannya tetapi tidak dapat menyelamatkannya: kalor musim panas tetap merembes masuk.

34.3 Seni memerangkap udara

Contoh 34.8 (Rekayasa musim dingin)

Hampir setiap benda penghangat yang kamu miliki adalah mesin untuk memerangkap udara. Wol menghangatkanmu bukan oleh seratnya sendiri melainkan oleh kantong udara yang tak terhitung banyaknya di antaranya; selimut bulu, kain bulu domba, dan burung pipit yang menggembung menjadi bola di kawat yang membeku semuanya memainkan kartu yang sama. Rumah ikut bergabung: jendela ganda memenjarakan selapis udara di antara dua kaca, dan dinding berisolasi diisi sumpalan halus yang menimbun udara. Udara yang diam adalah jalur lambat sang juara — tipuannya adalah menjaga udaranya tetap diam.

Contoh 34.9 (Termos)

Botol termos adalah mahakarya isolasi: sebuah botol di dalam botol, dengan udara di antara keduanya dipompa keluar sampai hampir tidak ada — dan di tempat yang hampir tidak berisi zat, aliran kalor hampir tidak menemukan jalur sama sekali (tipuan yang layak diingat: kekosongan yang sama pernah membungkam lonceng di dalam toples). Tambahkan dinding yang mengkilap untuk memantulkan pijar kehangatan kembali ke dalam, dan cokelat panas menemui sore hari dalam keadaan masih panas — atau limun masih dingin: termos tidak tahu apa-apa tentang panas atau dingin, ia hanya menutup jalurnya, ke dua arah.

Catatan 34.10 (Cara menghangatkan diri, dikatakan dengan benar)

Sekarang pertanyaan mantel yang lama tertutup untuk selamanya. Mantel adalah udara yang terperangkap di sekeliling sebuah pembuat kalor — yaitu kamu. Tubuhmu mengalirkan kalor keluar sepanjang hari; mantel mengubah aliran itu menjadi rembesan, dan kamu tetap hangat dengan produksimu sendiri. Pada manusia salju — yang tidak punya pembuat kalor di dalamnya — mantel yang sama sekadar memperlambat rembesan musim panas yang masuk. Isolasi tidak pilih kasih: ia memperlambat alirannya, ke arah mana pun aliran itu berjalan.

34.4 Latihan

Latihan 34.1 ★

Apa itu kalor, dan ke arah mana ia mengalir dengan sendirinya? Kapan alirannya berhenti?

Solusi

Solusi Latihan 34.1.

Kalor adalah energi yang sedang berpindah dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin; dengan sendirinya ia hanya mengalir menurun, dari panas ke dingin, dan berhenti ketika kedua suhunya sudah bertemu.

Latihan 34.2 ★

“Tutup pintunya, kamu membiarkan dinginnya masuk!” Tulislah ulang kalimat nenek itu sebagaimana buku fisika menuliskannya.

Solusi

Solusi Latihan 34.2.

“Tutup pintunya, kamu membiarkan kalor kita keluar!” — dingin tidak mengalir masuk; kalor rumahnyalah yang mengalir keluar ke jalan yang lebih dingin.

Latihan 34.3 ★

Pilahlah menjadi jalur cepat dan jalur lambat bagi kalor: panci tembaga; syal wol; sendok baja; udara yang diam; sendok kayu; selimut bulu.

Solusi

Solusi Latihan 34.3.

Jalur cepat: panci tembaga dan sendok baja. Jalur lambat: syal wol, udara yang diam, sendok kayu, dan selimut bulu.

Latihan 34.4 ★

Mengapa panci berdasar logam tetapi bergagang plastik atau kayu? Jawablah dengan jalur.

Solusi

Solusi Latihan 34.4.

Dasarnya harus jalur cepat, yang menyerbukan kalor kompor ke dalam makanannya; gagangnya harus jalur lambat, yang menjauhkan kalor yang sama dari tanganmu. Satu alat, dua bakat, masing-masing pada tempatnya.

Latihan 34.5 ★

Akhirnya, dengan kata-katamu sendiri: mengapa logam terasa lebih dingin daripada kayu pada suhu yang sama? Apa yang sebenarnya diukur kulit?

Solusi

Solusi Latihan 34.5.

Keduanya berada pada suhu yang sama, tetapi logam adalah jalur cepat: ia menyapu kalor keluar dari tanganmu yang lebih hangat dengan terburu, dan keterburuan itulah rasa “sedingin es”. Kulit mengukur laju kehilangan kalornya sendiri, bukan suhu.

Latihan 34.6 ★

Pada lomba mendingin, mengapa kedua cangkirnya harus serupa dan mulai sama panasnya? Satu perbedaan apa yang sedang diuji percobaan itu?

Solusi

Solusi Latihan 34.6.

Lomba yang adil hanya mengubah satu hal — pembungkusnya. Cangkir yang serupa, panas awal yang sama, dan ruangan yang sama memastikan hanya syalnya yang menjelaskan perbedaan apa pun di antara kedua kurvanya.

Latihan 34.7 ★

Bacalah grafik pendinginannya: kira-kira berapa suhu yang ditunjukkan tiap cangkir sesudah $15$ menit? Menuju suhu berapa kedua kurvanya mengarah, dan mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 34.7.

Sesudah $15$ menit: cangkir yang terbungkus kira-kira $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , cangkir yang telanjang kira-kira $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Kedua kurvanya menuju $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ milik ruangan itu: alirannya berjalan sampai suhunya bertemu, dan isolasi hanya memperlambat perjalanannya.

Latihan 34.8 ★

Mengapa burung pipit menggembungkan dirinya menjadi bola di kawat yang membeku? Sebutkan tiga temuan manusia yang memainkan kartu yang sama.

Solusi

Solusi Latihan 34.8.

Bulu yang menggembung memerangkap selimut tebal berisi udara yang diam — jalur lambat sang juara — di sekeliling tubuh burung yang hangat. Kartu yang sama: pakaian wol, selimut bulu, jendela ganda (atau kain bulu domba, dinding berisolasi).

Latihan 34.9 ★★

Termos yang sama menjaga cokelat tetap panas pada bulan Januari dan limun tetap dingin pada bulan Juli. Jelaskan bagaimana satu alat sanggup melakukan kedua pekerjaan itu — apa sebenarnya yang dilakukan termos, dan terhadap apa?

Solusi

Solusi Latihan 34.9.

Termos tidak membuat kalor maupun dingin: ia menutup jalur kalor — kekosongan di antara kedua dindingnya, kilap untuk memantulkan pijarnya kembali. Pada bulan Januari ia memperlambat kalor cokelatnya lolos keluar; pada bulan Juli ia memperlambat kalor musim panas merayap masuk. Satu alat, dua arah, karena hanya alirannya yang ia urus.

Latihan 34.10 ★★

Seorang penjual es krim membungkus wadahnya dengan selimut wol tebal pada hari yang panas, dan seorang pembeli tertawa: “Wol itu untuk menjaga benda tetap hangat!” Belalah penjualnya dengan Catatan 34.10 — ke arah mana kalor sedang mencoba mengalir, dan apa yang dilakukan wolnya terhadapnya?

Solusi

Solusi Latihan 34.10.

Pada hari yang panas, kalor mencoba mengalir dari udara yang hangat ke dalam wadah yang dingin. Wolnya mengubah aliran masuk itu menjadi rembesan — perlambatan yang sama seperti yang dilakukannya di sekeliling tubuh yang hangat. Isolasi tidak pilih kasih; penjualnya, bukan pembelinya, yang memahaminya.

Latihan 34.11 ★★

Dua rumah berdiri pada musim dingin yang sama: satu berjendela tunggal, satu berjendela ganda. Jelaskan dengan jalur dan udara yang terperangkap mengapa rumah berjendela ganda membakar lebih sedikit bahan bakar — dan mengapa, menurut Catatan 34.7, ia tetap memerlukan pemanasan sedikit.

Solusi

Solusi Latihan 34.11.

Jendela ganda memenjarakan selapis udara yang diam — jalur lambat — di antara kacanya, sehingga kalor rumahnya merembes keluar di tempat jendela tunggal membiarkannya mengalir deras. Kalor yang lolos lebih sedikit, bahan bakar penggantinya pun lebih sedikit. Tetapi isolasi hanya memperlambat aliran menurunnya, tidak pernah menghentikannya: sebagian kalor selalu bocor ke arah musim dingin, dan tungkunya harus terus menambahnya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 393 istilah di glosarium