Jenis dan Prinsip Kerja Termometer

Termometer adalah instrumen yang digunakan untuk mengukur suhu suatu benda. Nama termometer diserap dari bahasa latin yakni Thermo: Panas dan Meter merujuk pada alat yang digunakan mengukur.

Termometer yang paling sederhana yang dikenal manusia adalah termometer alkohol dan termometer raksa. Kedua bahan ini memiliki kepekaan yang cukup baik terhadap perubahan panas pada suhu-suhu rendah. Selain itu harganya yang relatif murah membuat pembuatan tidak membutuhkan banyak biaya. Hasilnya kita bisa dengan mudah menemukan dua termometer di mana saja.

Termometer di samping menunjukkan sebuah termometer ruang yang diletakkan pada ruangan bersuhu 0^oC yang setara dengan suhu 32^oF. Termometer di samping menggunakan alkohol sebagai bahan yang digunakan untuk menunjukkan perubahan energi panas di sekitar lingkungan Termometer. Namun tidak hanya zat cair, hampir semua jenis bahan dan wujud bahan memiliki karakteristik yang unik terhadap perubahan energi panas.

A. Sejarah Termometer

Kalor pertama kali didefenisikan secara abstrak oleh orang-orang Yunani pada abad 2 sebagai energi panas yang mengalir. Energi ini sudah dimanfaatkan dalam banyak hal termasuk dalam perang abad ke 6 oleh bangsa Roma yang menggunakan cermin cekung untuk membakar perahu musuh yang masih di tengah laut. Namun proses pengukuran suhu yang menjadi indikator kalor baru dilakukan 9 abad kemudian.

1. Termoscope Galileo

Galileo menjadi orang yang pertama melakukan pengukuran suhu menggunakan Termoscope pada tahun 1593. Temorskop ini disebut sebagai Rudimentary Water Thermoscope yang belum memiliki skala angka dan prinsip kerja yang berbeda dengan termometer cairan modern.

Prinsip kerja dari Termoskop Galileo memanfaatkan prinsip perubahan massa jenis dari zat cair yang berbeda terhadap suhu. Sejumlah zat cair yang massa jenisnya sedikit lebih berat dari air dimasukkan ke dalam balon. Setiap balon diisi dengan massa yang berbeda. Ketika dipanaskan zat cair ini memuai lebih cepat dari air sehingga massa jenis lebih ringan dari zat cair. Untuk menunjukkan suhu yang berbeda, Galileo menempatkan massa zat cair yang berbeda dengan warna yang berbeda untuk melihat perubahan suhu. Semakin banyak balon yang mengapung semakin tinggi suhu yang diukur.

Kekurangan dari termometer ini adalah ketidakmampuan mengukur suhu yang detail karena jumlah skalanya bergantung dari jumlah balonnya. Ukuran termometer yang kecil membuat ruang terbatas untuk menampung sejumlah balon yang dimasukkan ke dalam tabung.

2. Termometer Santorio

Termometer pertama yang dirancang dengan skala Angka pertama kali dikembangkan oleh Santorio. Santorio menggunakan termometer untuk mengamati suhu tubuh pasiennya.

Termometer Santorio dirancang memanfaatkan konsep pemuaian dari zat cair ketika dipanaskan. Sejumlah alkohol dimasukkan ke dalam pipa kapiler yang meliuk. Pipa kemudian diberi skala garis dimana perubahan suhu akan membuat cairan didalamnya memuai. Pemuaian ini bergantung dari suhu tubuh pasien yang dimasukkan ke dalam mulut.

Kekurangan dari Termometer Santorio ini adalah tidak adanya standar skala yang digunakan. Termometer hanya dikembangkan untuk digunakan sendiri berdasarkan catatan pengobatan yang ia lakukan.

3. Termometer Fahrenheit

Termometer dengan skala modern pertama dikembangkan oleh Daniel Gabriel Fahrenheit pada tahun 1714. Termometer dikembangkan menggunakan air raksa yang disusun dengan skala yang terstandarisasi. Standar skala yang digunakan pun mulai dari dari 0^oF sampai 100^oF. sama seperti kebanyakan alat ukur.

Lantas mengapa standar Skala Fahrenheit yang kita kenal saat ini dimulai dari 32^oF sampai 212^oF?

Hal ini karena kebanyakan pengukuran skala modern menggunakan standarisasi titik didih dan titik beku air. Nilai tersebut adalah hasil konversi skala ke standar air.

Fahrenheit pertama kali merancang termometernya di Danzig, sebuah daerah yang ada di sekitar laut Balkan. Fahrenheit kemudian membuat termometer dengan skala paling bawah diambil dari suhu udara paling rendah saat itu di Danzig. Jauh sebelum pemanasan global terjadi, suhu terendah di Danzig kemudian dilabeli 0^oF. Setelah itu batas atas dari suhu ini kemudian dipilih suhu tubuh rata-rata orang sehat. Batas ini dilabeli angka 100^oF. Maka jadilah suhu Fahrenheit pertama.

Pada perkembangannya, skala suhu pada termometer Fahrenheit ini berubah karena semakin majunya ilmu pengukuran. Hasil koreksi ini menunjukkan suhu rata-rata tubuh manusia normal adalah 98,6^oF.

4. Termometer Centigrade

Termometer Centigrade (Skala seratus) pertama kali dikembangkan oleh Anders Celcius yang namanya diabadikan menjadi nama Skala Suhu dalam Centigrade. Pada awalnya termometer Celcius dibuat dengan skala terbalik yakni suhu 100^oC untuk menunjukkan titik es mancair dan semakin turun menjadi 0^oC untuk menunjukkan titik didih air. Pengukuran tersebut dilakukan pada keadaaan pada ketinggian 0 mdpl dengan ketinggian 1 atm.

Prinsip kerja yang digunakan sama persis dengan termometer Fahrenheit yakni menggunakan konsep pemuaian zat cair. Pada perkembangan penggunaan termometer ini, suhu yang terbalik ini dianggap menyulitkan dalam perhitungan di beberapa bidang terutama kajian fisika, pada akhirnya skalanya kemudian di balik sebagaimana yang kita kenal saat ini.

B. Termometer Zat Cair

Sebagaimana penjelasan mengenai sejarah pengembangan termometer, mayoritas termometer dikembangkan dengan pemanfaatan sifat pemuaian zat. Sifat ini adalah sifat dimana zat akan mengalami perubahan bentuk semakin besar (volume) ketika dipanaskan.

Agar lebih mudah untuk diamati, cairan ini dimasukkan ke dalam pipa kapiler yang sangat sempit sehingga pemauiannya hanya dianggap terjadi ke satu dimensi saja yakni dimensi panjang. Sekalipun naiknya ketinggian zat cair (misal alkohol atau air raksa) terjadi karena perubahan volume.

Perubahan ketinggian ini kemudian bisa dihitung dengan persamaan muai panjang yakni

l_T=l_0(1+αΔ T)

Ket :
l_T : Panjang pada saat T (m)
l₀ : Panjang awal (m)
α : Koefisien muai panjang (^oC^-1)
ΔT : Perubahan Suhu (^oC)

Misalkan sebuah termometer dirancang menggunakan alkohol dengan koefesien muai α = 0,0011 /^oC. Tentukan ketinggian awal alkohol agar perubahan panjangnya menunjukkan skala 10 cm untuk 100^oC!

Solusi

10 =l_0(1+(0,0011)(100))

l_0=\frac{10}{1,11} = 9,009009 \ cm

Studi kasus

Misalkan budi mengukur suhu es mencair tepat pada suhu 0^oC sampai suhu-nya naik sampai 30^oC, di kesempatan lain, Budi mengukur suhu minyak goreng yang dipanaskan dari suhu 30^oC hingga naik ke 60^oC.

Tentukan perubahan panjang dari masing-masing kasus tersebut lalu buatlah kesimpulan dan solusi dari masalah yang mungkin saja anda temukan setelah menganalisis kasus!