Suhu suatu zat adalah derajat panas atau dinginnya zat tersebut. Zat yang panas dikatakan memiliki suhu yang tinggi sedangkan zat yang dingin dikatakan memiliki suhu yang rendah. Oleh karena itu, suhu suatu zat merupakan indikasi energi kinetik rata-rata molekul-molekul zat tersebut. Kalor selalu mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Jadi, kita juga dapat mengatakan bahwa suhu suatu benda adalah sifat yang mengatur aliran kalor.
Hal ini dapat dengan mudah didemonstrasikan sebagai berikut: Bila dua benda dari bahan yang sama diletakkan bersama-sama, benda yang bersuhu lebih tinggi akan mendingin sementara benda yang lebih dingin akan menghangat hingga tercapai suatu titik di mana tidak terjadi perubahan lagi.
Keseimbangan Termal
Energi panas mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda lain yang bersuhu lebih rendah. Dengan kata lain, panas mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Energi panas terus mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin hingga suhu kedua benda menjadi sama. Pada tahap ini, kedua benda tersebut dikatakan berada dalam kesetimbangan termal. Ketika dua benda mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain karena tidak ada panas yang mengalir dari satu benda ke benda lainnya. Suhu yang dicapai dengan demikian disebut sebagai suhu kesetimbangan.
Oleh karena itu, sekarang kita dapat mengatakan bahwa Suhu adalah besaran yang sama untuk kedua sistem saat keduanya berada dalam kesetimbangan termal.
Hukum Nol Termodinamika
Hukum termodinamika NOL menyatakan bahwa “Jika dua sistem secara terpisah berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka keduanya juga harus berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain, dan semuanya memiliki suhu yang sama terlepas dari jenis sistemnya.”
Hukum ini dapat dinyatakan kembali sebagai berikut:
Jika terdapat tiga atau lebih sistem yang jika digabungkan berada dalam kontak termal dan juga dalam kesetimbangan termal, maka salah satu dari kedua sistem tersebut jika digabungkan berada dalam kesetimbangan satu dengan yang lainnya.
Skala Suhu
Salah satu upaya pertama untuk membuat skala suhu standar terjadi di masa lampau, ketika Galen, dalam tulisan-tulisannya tentang medis, mengusulkan suhu "netral" standar yang terdiri dari air mendidih dan es dalam jumlah yang sama; di kedua sisi suhu ini terdapat empat derajat panas dan empat derajat dingin, masing-masing. Alat pertama yang digunakan untuk mengukur suhu disebut termoskop. Alat ini terdiri dari bola kaca yang memiliki tabung panjang yang menjulur ke bawah ke dalam wadah berisi air berwarna, meskipun Galileo pada tahun 1610 diduga telah menggunakan anggur. Sebagian udara di dalam bola kaca dikeluarkan sebelum memasukkannya ke dalam cairan, yang menyebabkan cairan naik ke dalam tabung. Saat udara yang tersisa di dalam bola kaca dipanaskan atau didinginkan, level cairan di dalam tabung akan bervariasi yang mencerminkan perubahan suhu udara. Skala terukir pada tabung memungkinkan pengukuran kuantitatif fluktuasi. Udara di dalam bola kaca disebut sebagai media termometrik, yaitu media yang sifatnya berubah seiring dengan suhu.
Pada tahun 1641, termometer tertutup pertama yang menggunakan cairan sebagai media termometrik, bukan udara, dikembangkan untuk Ferdinand II, Adipati Agung Toscana. Termometernya menggunakan perangkat alkohol dalam gelas tertutup, dengan 50 tanda "derajat" pada batangnya, tetapi tidak ada "titik tetap" yang digunakan untuk menolkan skala. Termometer ini disebut sebagai termometer "spirit".
Robert Hook, Kurator Royal Society, pada tahun 1664 menggunakan pewarna merah dalam alkohol. Skala buatannya, yang setiap derajatnya mewakili peningkatan volume yang sama yang setara dengan sekitar 1/500 bagian volume cairan termometer, hanya membutuhkan satu titik tetap. Ia memilih titik beku air. Dengan menskalakannya dengan cara ini, Hook menunjukkan bahwa skala standar dapat dibuat untuk termometer dengan berbagai ukuran. Termometer asli buatan Hook dikenal sebagai standar Gresham College dan digunakan oleh Royal Society hingga tahun 1709.
(Catatan meteorologi pertama yang dapat dipahami menggunakan skala ini). Pada tahun 1702, astronom Ole Roemer dari Kopenhagen mendasarkan skalanya pada dua titik tetap: salju (atau es yang dihancurkan) dan titik didih air, dan ia mencatat suhu harian di Kopenhagen pada tahun 1708-1709 dengan termometer ini.
Pada tahun 1724, Gabriel Fahrenheit, seorang pembuat instrumen dari Däanzig dan Amsterdam, menggunakan merkuri sebagai cairan termometrik. Ekspansi termal merkuri besar dan cukup seragam, tidak menempel pada kaca, dan tetap berwujud cair pada berbagai suhu. Penampilannya yang keperakan membuatnya mudah dibaca.
Fahrenheit menjelaskan bagaimana ia mengkalibrasi skala termometer merkurinya:
“Dengan meletakkan termometer dalam campuran garam amoniak atau garam laut, es, dan air, akan ditemukan titik pada skala yang dilambangkan sebagai nol. Titik kedua diperoleh jika campuran yang sama digunakan tanpa garam. Nyatakan posisi ini sebagai 30. Titik ketiga, yang ditetapkan sebagai 96, diperoleh jika termometer diletakkan di mulut sehingga memperoleh panas seperti orang sehat.”
Pada skala ini, Fahrenheit mengukur titik didih air menjadi 212. Kemudian ia menyesuaikan titik beku air menjadi 32 sehingga interval antara titik didih dan titik beku air dapat diwakili oleh angka yang lebih rasional, 180.
Suhu yang diukur pada skala ini disebut derajat Fahrenheit (°F). Pada tahun 1745, Carolus Linnaeus dari Upsula, Swedia, menggambarkan skala yang titik beku airnya nol, dan titik didihnya 100, sehingga menjadi skala celcius (seratus langkah) yang setiap langkahnya disebut "derajat". Anders Celsius (1701-1744) menggunakan skala sebaliknya yang 100 mewakili titik beku dan nol mewakili titik didih air, tentu saja dengan 100 derajat di antara kedua titik tetap tersebut.
Pada tahun 1948, skala Celcius tidak lagi digunakan dan digantikan dengan skala baru yang menggunakan derajat Celcius (°C). Skala Celcius didefinisikan oleh dua hal berikut yang akan dibahas kemudian dalam esai ini:
- Titik tripel air didefinisikan sebagai 0,01°
- Satu derajat Celsius sama dengan perubahan suhu satu derajat pada gas ideal.
Pada skala Celsius, titik didih air pada tekanan atmosfer standar adalah 99,975 C, berbeda dengan 100 derajat yang ditetapkan oleh skala Centigrade.
Untuk mengonversi dari Celsius ke Fahrenheit: kalikan dengan 1,8 dan tambahkan 32. ° F = 1,8° C + 32 ° K = ° C + 273.
Pada tahun 1780, JAC Charles, seorang dokter Prancis, menunjukkan bahwa untuk peningkatan suhu yang sama, semua gas menunjukkan peningkatan volume yang sama. Karena koefisien ekspansi gas hampir sama, maka dimungkinkan untuk menetapkan skala suhu berdasarkan satu titik tetap, bukan dua skala titik tetap, seperti skala Fahrenheit dan Celsius. Hal ini membawa kita kembali ke termometer yang menggunakan gas sebagai media termometrik.
Dalam termometer gas volume konstan, bola gas B yang besar, misalnya hidrogen, di bawah tekanan tertentu terhubung dengan "manometer" berisi merkuri melalui tabung bervolume sangat kecil. (Bola B adalah bagian penginderaan suhu dan harus berisi hampir semua hidrogen). Menaikkan atau menurunkan reservoir merkuri R dapat menyesuaikan level merkuri pada C. Tekanan gas hidrogen, yang merupakan variabel "x" dalam hubungan linier dengan suhu, adalah perbedaan antara level D dan C ditambah tekanan di atas DPChappuis pada tahun 1887 melakukan studi ekstensif termometer gas dengan tekanan konstan atau dengan volume konstan menggunakan hidrogen, nitrogen, dan karbon dioksida sebagai media termometrik. Berdasarkan hasil penelitiannya, Comité International des Poids et Measures mengadopsi skala hidrogen volume konstan berdasarkan titik tetap pada titik es (0° C) dan titik uap (100° C) sebagai skala praktis untuk meteorologi internasional. Eksperimen dengan termometer gas telah menunjukkan bahwa ada sedikit perbedaan dalam skala suhu untuk gas yang berbeda. Dengan demikian, skala suhu yang tidak bergantung pada medium termometrik dapat dibuat jika berupa gas bertekanan rendah. Dalam kasus ini, semua gas berperilaku seperti "Gas Ideal" dan memiliki hubungan yang sangat sederhana antara tekanan, volume, dan suhunya: pV= (konstan) T. Suhu ini disebut suhu termodinamika dan sekarang diterima sebagai ukuran dasar suhu. Perhatikan bahwa ada titik nol yang ditetapkan secara alami pada skala ini – yaitu titik di mana tekanan gas ideal adalah nol, sehingga suhunya juga nol. Dengan ini sebagai satu titik pada skala, hanya satu titik tetap lain yang perlu ditetapkan.
Pada tahun 1933, Komite Internasional Berat dan Ukuran mengadopsi titik tetap ini sebagai titik tripel air, suhu di mana air, es, dan uap air berada dalam kesetimbangan); nilainya ditetapkan sebesar 273,16. Satuan suhu pada skala ini disebut Kelvin, diambil dari nama Lord Kelvin (William Thompson), 1824-1907, dan simbolnya adalah K (tidak ada simbol derajat yang digunakan).
Untuk mengonversi dari Celsius ke Kelvin, tambahkan 273. K = °C + 273.
Suhu termodinamika adalah suhu dasar; satuannya adalah Kelvin, yang didefinisikan sebagai pecahan 1/273,16 dari suhu termodinamika titik tripel air.
Pada tahun 1871, Sir William Siemens mengusulkan sebuah termometer yang media termometriknya berupa konduktor logam yang resistansinya berubah seiring suhu. Unsur platina tidak teroksidasi pada suhu tinggi dan memiliki perubahan resistansi yang relatif seragam terhadap suhu pada rentang yang luas. Termometer Resistansi Platina kini banyak digunakan sebagai termometer termoelektrik dan mencakup rentang suhu sekitar -260° C hingga 1235° C.
Hubungan Antara Skala Suhu Yang Berbeda
Kadang kala diperlukan perubahan atau konversi nilai suhu dari satu skala suhu ke skala suhu yang lain, untuk itu diperlukan hubungan antar skala suhu yang berbeda. Hubungan antar skala suhu yang berbeda adalah:
C-0/100 = F-32/180 = K-273/100 = Ulang-0/80 = Ra-491.67/180
Di mana, C, F, K, Re, Ra menyatakan skala temperatur yang berbeda. 0, 32, 273, 0, 491,67 menyatakan titik tetap bawah dari skala temperatur yang berbeda dan 100, 180, 100, 80, 180 menyatakan banyaknya pembagian dalam skala temperatur yang berbeda.
Skala Suhu Internasional
Skala suhu pertama yang diakui secara internasional adalah skala suhu internasional tahun 1927 ITS-27. Tujuannya adalah untuk menentukan prosedur yang dengannya termometer yang ditentukan, berkualitas tinggi namun praktis dapat dikalibrasi sedemikian rupa sehingga nilai suhu yang diperoleh darinya akan ringkas dan konsisten dari instrumen ke instrumen dan dari sensor ke sensor, sementara secara bersamaan mendekati nilai termodinamika yang sesuai dalam batasan teknologi yang tersedia. Sasaran ini tetap utuh hingga saat ini. ITS-27 diperluas dari tepat di bawah titik didih oksigen, -200°C, hingga di atas titik beku emas, 1065°C. Rumus interpolasi ditetapkan untuk termometer resistansi platinum yang dikalibrasi pada 0°C & pada titik didih oksigen, air, dan sulfur (445°C). Di atas 660°C, termokopel Pt-10% Rh vs. Pt ditetapkan untuk pengukuran. Di atas titik emas digunakan pirometri optik dan nilai titik tetap didasarkan pada data termometri gas terbaik yang tersedia saat itu.
