Temperatur dan Skala Pada Termometer

AhmadDahlan.NET – Secara sederhana suhu (temperatur) dapat diartikan sebagai derajat panas dan dingin dari suatu zat. Manusia bisa dengan mudah mengesan suhu dari lingkngan dan benda seperti Ice Cream itu dingin, soto ayam itu hangat atau air mendidih itu panas.

Hanya saja, kesan yang dirasakan manusia itu relatif dan sifatnya subjektif. Misalkan saja pada saat kita berwisata di daerah pegunungan yang lumayan dingin. Mungkin saja kita butuh jaket yang tebal agar bisa menyesuaikan diri dengan suanan lingkungan sekitar namun bagi penduduk lokal, suhu yang mereka alami ini biasa saja.

A. Pengertian Suhu

Derajat panas dan dingin suatu benda tidaklah cukup dijadikan defenisi baku dari suhu karena hal ini bersifat subjektif. Agar defenisi lebih operasional, suhu dapat didefenisikan sebagai besaran yang diukur dengan termometer sebagaimana banyak besaran fisika lainnya yang bisa dengan mudah didefenisikan dari cara besaran tersebut diukur.

Indera Manusia memiliki sensitifitas yang sangat terbetas dalam mengesan suhu. Misalkan kita baru saja mengambil dua buah es batu dari kulkas yang berbeda yakni dari kulkas industri yang bisa menurunkan suhu di dalam frezenya sampai -15^oC dan kulkas rumahan yang hanya mampu menurunkan suhu sekitar -5^oC.

Kita tentu saja tidak membedakan es mana yang keluar dari kulkas rumahan dan kulkas insutri hanya dengan memanfaatkan tangan kita, lebih tepatnya lapisan kulit yang berperan sebagai indera peraba manusia. Praktis manusia hanay bisa merasakan rasa sakit selian rasa dingin ketika terlalu lama memegang ke dua es tersebut.

Kedua benda tersebut berada pada suhu di bawah 0^oC dan kita sama-sama sepakat suhu ini sama-sama dingin. Hanya saja dari sudut pandang energi, kita bisa saja dengan mudah menyebutkan bahwa suhu salah satu es jauh lebih panas dibandingkan dengan es yang lainnya.

Perbedaan 10^oC pada kedua es tersebut ternyata berasal dari perbedaan energi panas masing-masing es. Jika saja massa dari kedua es tersebut sama-sama 1 kilogram, maka terdapat perbedaan energi panas sebesar 21.000 Joule dari kedua es ini.

Lantas apa yang dimasuk dengan temperatur?

Suh adalah indikator energi kinetik tingkat partikel yang dimiliki dari suatu benda. Selama sebuah benda masih bergetar maka akan selalu memiliki energi panas pada benda tersebut, sekalipun suhunya -100^oC.

Atom-atom penyusuan dari sebuah materi akan terus meneur bergetar. Getaran ini dalam bentuk energi kinetik dan setiap benda yang bergetar akan menghasilkan gesekan yang membentuk energi panas.

Semua atom-atom benda bergetar, tidak hanya zat cair dan udara. Benda padat yang terlihat kaku dan diam saja juga memiliki atom-atom yang bergetar. Kecepatan getar dari atom-atom tersebut bergantung dari suhunya. Semakin tinggi suhu dari benda tersebut, semakin besar getarannya.

Pada zat mengalir (Fluida), partikel fluida, baik dalam bentuk atom maupun senyawa, bergetar dengan tingkat energi yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan benda padat. Selain energi kinetik, ada gaya yang menghubungkan antar satu partikel dengan partikel lainnya. Gaya tarik antar partikel pada fluida lebih rendah dibandingkan dengan zat padat.

Gaya tarik yang lemah ini membuat partikel bergetar dengan lebih cepat yang secara otomatis membuat energi kinetiknya lebih tinggi. Ketika sejumlah kalor diberikan lagi ke dalam fluida maka energi tersebut akan diserap oleh partikel. Akibatnya getaran dan gerakannya semakin cepat. Ketika gerakan sudah cukup cepat, maka partikel sudah punya cukup energi untuk lepas dari ikatan antar partikel dalam wujud cair membuat partikel terlepas dan terpisah. Partikel ini selanjutnya disebut wujud gas.

Demikian pula sebaliknya, jika sejumlah energi panas keluar dari benda tersebut, maka gerakan partikel penyusun benda akan lebih sedikit, sampai akhirnya akan lebih lemah dari gaya ikat antar partikel. Dalam kondisi benda akan memiliki wujud padat. Meskipun dalam wujud padat bukat berarti partikel-partikel penyusun benda tersebut diam. Pada tingkat mikroskopik, partikel ini tetap bergetar dan getaran menghasilkan panas yang diindikasi sebagai suhu benda.

Penambahan energi pada suatu materi akan menunjukkan berbagai macam perubahan fisis. Pada metal misalnya, penambahan panas akan membuat jarak antar satu atom dan atom lainnya menjadi lebih renggang. Jika total tari renggangan ini dijumlahkan, maka dimensi panjang dari zat padat ini akan mengalami pertambahan panjang dan hal ini disebut pemuaian. Namun tidak semua panas akan membuat logam memuai, sebagaian dari panas tersebut jika cukup panas akan dipancarkan dalam bentuk radiasi, sebagaimana logam tungsen ketika dipanaskan atau baja yang sedang ditempa akan terlihat berpendar.

B. Termometer

Termometer adalah istilah yang merujuk pada alat yang digunakan untuk mengukur suhu suatu benda. Bentuknya berbagai macam, tergantung dari suhu dan objek yang akan diukur.

Setiap zat memiliki perubahan yang unik ketika mengalami perubahan suhu. Perubahan ini berbeda-beda tergantung dari karakteristik zat itu sendiri. Misalkan saja Aluminium dan Baja, ketika dipanaskan dan menhalami perubahan suhu yang sama, perubahan panjang (pemuaian) dari kedua logam ini berbeda. Aluminium memuai lebih panjang dibandingkan dengan baja.

Jika dua logam ini ditempelkan satu sama lain maka perubahan panjang tidak akan lurus ke satu arah saja tapi lebih cenderung melengkung ke arah baja karena koefisien muai panjang baja lebih rendah dibandingkan dengan aluminium. Konsep ini selanjutnya digunakan untuk menunjukkan perubahan suhu dengan meletakan jarum di bagian ujung logam campuran.

Berdasarkan hasil percobaan di laboratorium, koefisien muai panjang dari Aluminium adalah 0,000024/K sedangkan baja adalah 0,000012/K Hal ini berarti jika sebatang Aluminium sepanjang 1 meter ketika dipanaskan sekitar 1^oC hanya akan mengalami perubahan sebesar 0,000024 meter atau 0,0024 cm. Perubahan ini tentu saja sangat sulit diamati oleh mata telanjang manusia dengan demikian Bimetal tidak begitu baik digunakan sebagai bahan termometer yang mengukur perubahan suhu-suhu kecil.

Dalam upaya membuat termometer yang digunakan untuk menunjukkan perubahan suhu yang kecil maka dicari benda dengan karakteristik koefisien muai panjang lebih besar dibandingkan logam. Sebagaimana yang kita kenal sekarang zat termometer yang digunakan pada pengukuran suhu-suhu sekitar suhu kamar sampai air mendidih ada dua yakni Raksa dan Alkohol.

Kedua zat tersebut mampu menunjukkan perubahan yang signifikan dengan sedikit perubahan suhu. Karakteristik ini yang dijadikan alasan menjadikan dua zat ini sebagai bahan termometer. Cara pembuatan terbiang sederhana yakni hanya dengan membuat pipa kapiler yang sangat tipis sehingga pemuaian zat luas dan voluem zat dapat diabaikan dan hanya pemuaian panjang yang dapat diperhitungkan.

Demikian pula halnya untuk mengukur suhu-suhu yang sangat tinggi seperti pada saat logam sudah mencari karena pasannya, maka logam tidak lagi digunakan sebagai bahan pembuat termometer. Dibutuhkan konsep baru dalam pembuatan termometer seperti radiasi benda bersuhu tinggi. Besar Radiasi yang dipancarkan benda ternyata berbanding lurus dengan suhu pangkat 4, maka hal ini bisa dijadikan indikator pengukuran suhu.

Tentu saja saja tidak mungkin mengukur suhu matahari dengan termometer batang, karena kita akan kesulitan mencelupkan termometer tersebut dipermukaan matahari dan yang kedua suhu permukaan matahari yang mencapai 6000 oC sangat tinggi dan bisa melelehkan benda pada saja yang dibawa dari bumi ketika menyentuh permukaannya.

C. Skala Pada Termometer

Skala pada termometer dibuat berdasarkan dua hal yakni berdasarkan penemunya dan berdasarkan nilai mutlak. Pada skala termometer yang dimabil dari penemunya, skalanya berlaku secara umum namun konsep yang digunakan dalam membuat desain termometer sifanya lebih subjektif. Contoh skala-skala ini adalah Celcius, Fahrenheit dan Reamur.

Konsep skala termometer lainnya diambil berdasarkan nilai mutlak yakni dengan asumsi panas yang diindikasi oleh suhu adalah bentuk energi yang nilainya selalu ada maka tidak akan pernah ada keadaan dimana energi suatu objek bernilai negatif. Bentuk energi paling minimal adalah 0 sedangkan simbol negatif energi hanya dapat berarti bahwa sejumlah energi keluar sebuah kerangka acuan. Kerangka acuan boleh jadi sistem, lingkungan ataupun semesta.

Skala yang diambil berdasarkan nilai mutlak ini ada dua yakni Kelvin dalam sistem Metrik dan Rankine dalam sistem BTU atau British Termal Units.

Fakta Unik – Skala suhu dalam sistem British Thermal Units (BTU) adalah Fahrenheit dan sistem ini digunakan oleh Amerika Serikat, sedangkan Inggris sendiri menggunakan skala Celcius.

1. Termometer Celcius

Derajat Celcius (^oC) merupakan satuan suhu yang dijadikan standar pengukuran untuk skala Centigrade atau SI. Skala ini diperkanalkan oleh Anders Celcius (1701-1744) namun nama Celcius baru dijadikan skala pada termometer pada tahun 1948 untuk menghormati atas penemuannya.

Konsep yang digunakan Celcius dalam mendesain termometernya adalah air tepat membeku dan air tempat akan mendidih. Sebatang Termometer berisi raksa dicelupkan pada es yang tepat mencair kemudian ditandai sebagai batas atas termometer. Titik ini ditandai dengan nilai 100^oC. Selanjutnya air dipanasakan sampai akhirnya mendidih. Titik didih air ini ditandai sebatas batas bawah termometernya dengan nilai 0^oC. Pengukuran tersebut dilakukan pada tekana satu 1 atm.

Jarak yang terpisah 100 nilai ini dipilih karena pada masa itu semua alat ukurn standari disusun dengan skala kelipatan 10, seperti 1 meter yang tidak lain adalah 100 cm atau 1 kg yang tidak lain 1000 g.

Jeans-Pierre Christin menganggap bahwa skala tersebut tidak praktis karena energi yang bertambah pada air justru menunjukkan penurunan suhu. Tahun 1743, Christin kemudian membalik skala ini dimana air tepat membeku pada suhu 0^oC dan tepat mendidik pada suhu 100^oC.

2. Termometer Fahrenheit

Derajat Fahrenheit (^oF) adalah satuan suhu yang digunakan di Amerika Serikat. Skala ini diperkenalkan oleh Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). Suhu ini dianggap tidak lazim karena keluar dari kebiasaan umum dimana alat ukur kebanyakan menggunakan angka 0^o sebagai batas bawahnya termasuk untuk dua skala lainnya yakni Reamur dan Celcius. Es mulai mencair sendiri berada pada titik 32^oF dan mendidih pada suhu 212^oF. Padahal Fahrenheit sebenarnya tetap menggunakan konsep 0^o dan 100^o pada pembuatan skalanya hanya saja acuannya berbeda.

Fahrenheit memilih titik bawah (0^oF) pada skalanya dengan mengambil suhu paling rendah pada musim dingin di daerah Danzig, Polandia sekitar tahun 1708 sampai 1709. Danzig sendiri adalah daerah asal Fahrenheit dan tempat dia membuat skala termometernya. Suhu 100^oF diambil dari suhu tubuh rata-rata orang sehat. Titik ini kemudian dijadikan standarisasi skala Fahrenhit.

Beberapa tahun berikutnya Skala ini dikoreksi sedikit mengingat suhu terdingin di Danzig setiap tahun mengalami peningkatan karena pemasan Global. Koreksi ini dilakukan dengan cara membuat batas bawah dari campuran Air, Es, garam laut dan Amonium Clorida yang nilainya lebih rendah 2^oF hal ini membuat batas atasnya juga berubah yang tadinya orang sehat ada pada skala 100^oF kini menjadi 98^oF. Pada tahun 2021 saja suhu terendah di Danzig yang tercatat hanya berada pada 24,8 ^oF, sudah tidak sedinging ketiak Fahrenheit masih hidup 3 abad yang lalu.

Setelah tulisan dari Andres Celcius populer tentang Titik Acuan Termometer, Skala pada termometer Fahrenheit kemudian dikaliberasi dengan skala Celcius dan hasilnya didapatkan bahwa titik Air tepat mencari pada tekanakn satu atmosfer (0^oC) setara dengan titik 32^oF sedangkan air mendidih (100^oC) setara dengan 212^oF. Dengan demikian 100 celcius derajat serara dengan 180 fahrenheit derajat.

Catatan : Penyebutan skala yang dimulai dari derajat, seperti derajat Celcius menunjukkan titik, misalnya 15 derajat Celcius berarti berada diantara 14 derajat Celcius dan 16 derajat Celcius sedangkan Celcius Derajat menunjukan interval skala misalnya 3 celcius derajat itu bisa jadi dari 7 derajat celcius ke 10 derajat celcius ataupun dari 121 derajat celcius ke 124 celicus derajat.

Konversi Satuan Fahrenheit-Celcius

Kaliberasi skala ini kemudian bisa dijadikan acuan konversi skala Fahrenheit ke Celcius yakni dengan ilustrasi sebagai berikut :

\frac{100^oC-0^oC}{212^oF-32^oF}=\frac{(X-0)^oC}{(Y-32)^oF}

Persamaan ini bisa disederhanakan menjadi

\frac{5}{9}=\frac{X^oC}{(Y-32)^oF}

Maka persaman ini dapat digunakan untuk menkoversi Fahrenheit ke Celcius

X^oC=\frac{5}{9}(Y-32)

atau untuk menkorversi Celcius ke Fahrenheit

Y^oF=\frac{9}{5}X^oC+32

Uji Kompetensi :

1. Jelaskan defenisi umum dari Suhu?
2. Menurut pendapat anda apakah keterbatasan indera perasa manusia dijadikan alat ukur suhu?
3. Mengapa termometer logam tidak cocok digunakan sebagai alat ukur untuk pengukuran suhu tubuh?
4. Buatlah analisis matematis untuk mengkonversi suhu :
   1. Kelvin ke Rankine
   2. Reamur ke Fahrenheit

Lengkapilah tabel di bawah ini !

Tugas

1. Carilah informasi mengenai konsep yang digunakan dalam membuat suhu reamur dan mengapa angka 80^oR dijadikan batas atas dari skala Reamur!