Mengukur suhu adalah salah satu keterampilan fundamental dalam ilmu pengetahuan dan kehidupan sehari-hari. Alat yang kita gunakan untuk tugas ini, yang paling umum adalah termometer, hadir dalam berbagai jenis, masing-masing memiliki prinsip kerja dan skala yang unik. Memahami cara kerja termometer dan bagaimana mengonversi antar skala suhu adalah kunci untuk menguasai konsep fisika dan kimia. Artikel ini akan menyajikan koleksi contoh soal alat ukur suhu yang komprehensif, mulai dari dasar-dasar konversi hingga aplikasi yang lebih mendalam, lengkap dengan pembahasannya.
Dasar-Dasar Alat Ukur Suhu
Sebelum kita masuk ke contoh soal, mari kita tinjau kembali beberapa konsep dasar.
Suhu adalah besaran yang menyatakan derajat panas atau dingin suatu benda. Secara mikroskopis, suhu berkaitan dengan energi kinetik rata-rata partikel penyusun benda. Alat ukur suhu, termometer, bekerja berdasarkan prinsip perubahan sifat fisik zat akibat perubahan suhu. Contohnya adalah pemuaian volume zat cair (alkohol atau raksa) yang paling sering kita lihat.
Baca Juga: Mengupas Tuntas Litosfer: Kumpulan Soal Pilihan Ganda Paling Menarik dan Lengkap
Skala Suhu yang paling umum digunakan adalah Celcius ($^\circ\text{C}$), Reamur ($^\circ\text{R}$), Fahrenheit ($^\circ\text{F}$), dan Kelvin ($\text{K}$). Kelvin adalah skala suhu internasional (SI), di mana $0\text{ K}$ disebut nol mutlak, yaitu keadaan di mana energi kinetik partikel dianggap nol.
Hubungan perbandingan interval skala suhu dari titik beku air ($0^\circ\text{C}$, $0^\circ\text{R}$, $32^\circ\text{F}$, $273\text{ K}$) ke titik didih air ($100^\circ\text{C}$, $80^\circ\text{R}$, $212^\circ\text{F}$, $373\text{ K}$) adalah sebagai berikut:
$$\text{C} : \text{R} : \text{F}_{\text{interval}} = 100 : 80 : 180 = 5 : 4 : 9$$
Ini menghasilkan rumus konversi:
- $\frac{\text{C}}{5} = \frac{\text{R}}{4}$
- $\frac{\text{C}}{5} = \frac{\text{F} – 32}{9}$
- $\text{K} = \text{C} + 273$
Contoh Soal 1: Konversi Skala Dasar
Soal 1A: Konversi Celcius ke Reamur dan Fahrenheit
Jika suhu air dalam bejana adalah $50^\circ\text{C}$, tentukan suhu tersebut dalam skala Reamur ($^\circ\text{R}$) dan Fahrenheit ($^\circ\text{F}$).
Pembahasan:
a) Celcius ke Reamur:
$$\text{R} = \frac{4}{5} \times \text{C}$$
$$\text{R} = \frac{4}{5} \times 50$$
$$\text{R} = 4 \times 10 = 40^\circ\text{R}$$
b) Celcius ke Fahrenheit:
$$\text{F} = \left( \frac{9}{5} \times \text{C} \right) + 32$$
$$\text{F} = \left( \frac{9}{5} \times 50 \right) + 32$$
$$\text{F} = (9 \times 10) + 32$$
$$\text{F} = 90 + 32 = 122^\circ\text{F}$$
Soal 1B: Konversi Fahrenheit ke Celcius dan Kelvin
Suhu tubuh seorang pasien yang diukur dengan termometer klinis menunjukkan $98.6^\circ\text{F}$. Konversikan suhu ini ke skala Celcius ($^\circ\text{C}$) dan Kelvin ($\text{K}$).
Pembahasan:
a) Fahrenheit ke Celcius:
$$\text{C} = \frac{5}{9} \times (\text{F} – 32)$$
$$\text{C} = \frac{5}{9} \times (98.6 – 32)$$
$$\text{C} = \frac{5}{9} \times 66.6$$
$$\text{C} = 5 \times 7.4 = 37^\circ\text{C}$$
b) Celcius ke Kelvin:
$$\text{K} = \text{C} + 273$$
$$\text{K} = 37 + 273 = 310\text{ K}$$
Contoh Soal 2: Persamaan Termometer Sembarang
Selain skala standar, kadang kala kita menemukan termometer dengan skala arbitrer (sembarang) yang tidak diketahui. Untuk menyelesaikan soal jenis ini, kita menggunakan prinsip perbandingan linear.
Soal 2A: Skala X dan Celcius
Sebuah termometer X memiliki titik beku air $-20^\circ\text{X}$ dan titik didih air $180^\circ\text{X}$. Jika sebuah benda memiliki suhu $30^\circ\text{C}$, berapakah suhu benda tersebut jika diukur dengan termometer X?
Pembahasan:
Kita menggunakan rumus perbandingan:
$$\frac{T_{\text{C}} – T_{\text{beku C}}}{T_{\text{didih C}} – T_{\text{beku C}}} = \frac{T_{\text{X}} – T_{\text{beku X}}}{T_{\text{didih X}} – T_{\text{beku X}}}$$
- Diketahui: $T_{\text{C}} = 30^\circ\text{C}$.
- Titik beku air (Celcius): $0^\circ\text{C}$
- Titik didih air (Celcius): $100^\circ\text{C}$
- Titik beku air (Skala X): $-20^\circ\text{X}$
- Titik didih air (Skala X): $180^\circ\text{X}$
$$\frac{30 – 0}{100 – 0} = \frac{T_{\text{X}} – (-20)}{180 – (-20)}$$
$$\frac{30}{100} = \frac{T_{\text{X}} + 20}{200}$$
$$\frac{3}{10} = \frac{T_{\text{X}} + 20}{200}$$
Kita kalikan silang:
$$3 \times 200 = 10 \times (T_{\text{X}} + 20)$$
$$600 = 10 T_{\text{X}} + 200$$
$$600 – 200 = 10 T_{\text{X}}$$
$$400 = 10 T_{\text{X}}$$
$$T_{\text{X}} = \frac{400}{10} = 40^\circ\text{X}$$
Jadi, suhu benda tersebut adalah $40^\circ\text{X}$.
Contoh Soal 3: Titik Suhu yang Sama
Dalam kasus tertentu, dua skala suhu mungkin menunjukkan angka yang sama pada titik tertentu. Jenis soal ini menguji kemampuan kita untuk menyamakan persamaan konversi.
Soal 3A: Titik Suhu yang Sama pada Celcius dan Fahrenheit
Pada suhu berapakah termometer Celcius ($^\circ\text{C}$) menunjukkan angka yang sama dengan termometer Fahrenheit ($^\circ\text{F}$)?
Pembahasan:
Kita misalkan suhu yang dicari adalah $T$. Maka, $T_{\text{C}} = T_{\text{F}} = T$. Kita masukkan ke dalam rumus konversi Celcius ke Fahrenheit:
$$T_{\text{C}} = \frac{5}{9} \times (\text{F} – 32)$$
$$T = \frac{5}{9} \times (T – 32)$$
Kalikan kedua sisi dengan 9:
$$9T = 5(T – 32)$$
$$9T = 5T – 160$$
Pindahkan $5T$ ke ruas kiri:
$$9T – 5T = -160$$
$$4T = -160$$
$$T = \frac{-160}{4}$$
$$T = -40$$
Jadi, termometer Celcius dan Fahrenheit menunjukkan angka yang sama pada suhu $-40^\circ$ (yaitu $-40^\circ\text{C} = -40^\circ\text{F}$).
Soal 3B: Titik Suhu yang Sama pada Reamur dan Fahrenheit
Pada suhu berapakah termometer Reamur ($^\circ\text{R}$) menunjukkan angka yang sama dengan termometer Fahrenheit ($^\circ\text{F}$)?
Pembahasan:
Kita misalkan suhu yang dicari adalah $T$. Maka, $T_{\text{R}} = T_{\text{F}} = T$. Kita gunakan perbandingan Reamur dan Fahrenheit:
$$\frac{T_{\text{R}}}{4} = \frac{T_{\text{F}} – 32}{9}$$
$$\frac{T}{4} = \frac{T – 32}{9}$$
Kalikan silang:
$$9T = 4(T – 32)$$
$$9T = 4T – 128$$
Pindahkan $4T$ ke ruas kiri:
$$9T – 4T = -128$$
$$5T = -128$$
$$T = \frac{-128}{5}$$
$$T = -25.6$$
Jadi, termometer Reamur dan Fahrenheit menunjukkan angka yang sama pada suhu $-25.6^\circ$ (yaitu $-25.6^\circ\text{R} = -25.6^\circ\text{F}$).
📏 Contoh Soal 4: Perbedaan Skala Suhu
Soal ini berkaitan dengan perbedaan atau interval suhu antara dua titik pada satu skala yang kemudian dikonversi ke skala lain. Perlu diingat bahwa kita hanya mengkonversi perbedaan suhu, bukan nilai mutlak suhu.
Soal 4A: Perbedaan Suhu Celcius ke Reamur
Suhu suatu zat dinaikkan dari $20^\circ\text{C}$ menjadi $80^\circ\text{C}$. Berapakah kenaikan suhu zat tersebut dalam skala Reamur ($^\circ\text{R}$)?
Pembahasan:
Cara 1: Hitung perbedaan di Celcius, lalu konversi perbedaannya.
Kenaikan suhu ($\Delta T_{\text{C}}$) adalah:
$$\Delta T_{\text{C}} = 80^\circ\text{C} – 20^\circ\text{C} = 60^\circ\text{C}$$
Untuk konversi perbedaan suhu, kita gunakan perbandingan tanpa penambahan $32$ atau $273$:
$$\Delta T_{\text{R}} = \frac{4}{5} \times \Delta T_{\text{C}}$$
$$\Delta T_{\text{R}} = \frac{4}{5} \times 60$$
$$\Delta T_{\text{R}} = 4 \times 12 = 48^\circ\text{R}$$
Cara 2: Konversi kedua suhu ke Reamur, lalu hitung perbedaannya.
$T_1 = 20^\circ\text{C} \implies T_{\text{R}1} = \frac{4}{5} \times 20 = 16^\circ\text{R}$
$T_2 = 80^\circ\text{C} \implies T_{\text{R}2} = \frac{4}{5} \times 80 = 64^\circ\text{R}$
Kenaikan suhu ($\Delta T_{\text{R}}$) adalah:
$$\Delta T_{\text{R}} = T_{\text{R}2} – T_{\text{R}1} = 64^\circ\text{R} – 16^\circ\text{R} = 48^\circ\text{R}$$
Kenaikan suhu zat tersebut adalah $48^\circ\text{R}$.
🛠️ Contoh Soal 5: Aplikasi Prinsip Termometer
Soal ini menggabungkan pemahaman tentang prinsip kerja termometer dengan perhitungan konversi.
Soal 5A: Panjang Kolom Raksa
Sebuah termometer raksa memiliki panjang kolom raksa $2 \text{ cm}$ saat mengukur es melebur ($0^\circ\text{C}$) dan $18 \text{ cm}$ saat mengukur air mendidih ($100^\circ\text{C}$). Jika panjang kolom raksa menunjukkan $10 \text{ cm}$, berapakah suhu yang diukur dalam skala Celcius ($^\circ\text{C}$)?
Pembahasan:
Prinsip perbandingan linear juga berlaku untuk panjang kolom raksa (L), di mana panjang kolom berbanding lurus dengan suhu yang diukur.
$$\frac{T – T_{\text{beku}}}{T_{\text{didih}} – T_{\text{beku}}} = \frac{L – L_{\text{beku}}}{L_{\text{didih}} – L_{\text{beku}}}$$
- Diketahui:
- $T_{\text{beku}} = 0^\circ\text{C}$, $L_{\text{beku}} = 2 \text{ cm}$
- $T_{\text{didih}} = 100^\circ\text{C}$, $L_{\text{didih}} = 18 \text{ cm}$
- $L = 10 \text{ cm}$
$$\frac{T – 0}{100 – 0} = \frac{10 – 2}{18 – 2}$$
$$\frac{T}{100} = \frac{8}{16}$$
$$\frac{T}{100} = \frac{1}{2}$$
Kalikan silang:
$$2T = 100$$
$$T = \frac{100}{2} = 50^\circ\text{C}$$
Suhu yang diukur adalah $50^\circ\text{C}$.
Penulis: Indra Irawan
Post Comment