Kalor dan Perpindahannya
Kamu tentu sudah menyadari bahwa sumber panas yang uatama di
duniaini adalah matahari. Energi panas atau energi kalor yang
diradiasikanhingga ke bumi itu dimanfaatkan oleh tumbuhan hijau untuk
fotosintesis.Manusia dan hewan mentransfer energi itu dengan memakan
bagian dari tumbuhan. Tumbuhan-tumbuhan purba masih menyisakan energi
tersebut dalam wujud batubara, dan hewan-hewan purba menyisakan energi
itu dalam wujud minyak bumi.Kamu akan memperdalam pengaruh energi kalor
terhadap zat, cara-caraenergi kalor berpindah, dan penerapan asas Black
dalam pemecahanmasalah tentang kalor pada bab ini.
Kamu tentu pernah merebus air bukan? Air yang tadinya terasa dingin
dan sejuk setelah direbus beberapa saat akan terasa hangat dan
lama-kelamaan menjadi panas. Tahukah Kamu mengapa demikian? Selama
direbus air mendapat energi dari api yang menyala di bawah air tersebut.
energi yang dihasilkan oleh nyala api akan berpindah ke air dan berubah
menjadi panas dalam air. Bentuk energi yang berpindah karena perbedaan
suhu disebut sebagai energi kalor. Perpindahanenergi kalor selalu
terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Jadi
jika ada dua buah benda A dan B mempunyai suhu yang berbeda,dan suhu A
lebih dari suhu B kemudian kedua benda tersebut disentuhkan maka suhu A
akan menurun dan suhu B akan naik hingga suhu kedua benda
tersebut setimbang. Dalam bab ini akan diperdalam tentang energi kalor.
A. Kalor
Tujuan Pembelajaran
- Menerapkan kalor sebagai bentuk energi yang dapat diserap dan dilepas
- Membedakan tiga cara perpindahan panas
- Menerapkan persamaan asas Black untuk menyelesaikan persoalan
Apa itu kalor? Untuk apa kita mempelajari kalor? Apakegunaan kalor
dalam kehidupan sehari-hari? Seberapapenting bahasan kalor bagi
kehidupan manusia?Misteri dan pertanyaan tentang kalor tidak kali ini
sajaterjadi, tapi jauh pada abad 18 hingga 19 masih merupakansuatu
pertanyaan yang perlu mendapat penjelasan yanglogis dan rasional, guna
menyingkap tabir pemahamantentang kalor.
1. Pemahaman Tentang Kalor
Dari awal abad 18 hingga 19 Masehi, kalor masih diyakini oleh sebagian orangsebagai suatu fluida yang disebut kalorik.
Fluida ini dapat berpindah dari suatu zat ke zatyang lainnya. Arah
perpindahan itu adalah dari zat yang bersuhu tinggi ke zat yang
bersuhurendah. Kalor adalah suatu bentuk energi. Istilah kalor berasal
dari Caloric, pertama kalidiperkenalkan oleh A.L. Lavoiser seorang ahli
kimia dari Perancis. Oleh para ahli kimia dan fisika kalor dianggap
sejenis zat alir yang tidak terlihat oleh manusia, berdasarkanitulah
satuan kalor ditetapkan dengan nama kalori disingkat kal. Kalori
didefinisikan :Satu kalori (kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan
untuk memanaskan 1 gr air sehingga suhunya naik 1ºC. Sedang pengertian
suhu adalah ukuran derajat panas dinginnya suatu benda. Suhuumumnya
diukur dengan alat ukur suhu berupa termometer. Adapun syarat terjadinya
perpindahan kalorik ini adalah adanya sentuhan kedua benda yang berbeda
suhu. Fluida kalorik ini akan berpindah dari zat yang bersuhu tinggi
kezat yang bersuhu rendah, hingga tercapai suatu kesamaan suhu antara
kedua benda yang disebut dengan kesetimbangan termal.
Hingga pertengahan abad ke 18 pengertian kalor sebagai suatu fluida
masih mengemuka dimasyarakat, bahkan pengertian kalor semakin rancu
dengan pengertian suhu,yang sesungguhnya memang berbeda. Kalor adalah
fluida atau zat alir, dan suhu adalahderajat panas atau dinginya suatu
benda yang diukur dengan termometer. Namun pendapat tersebut berubah,
ketika seorang bernama Benjamin Thompsonmenyatakan bahwa kalor bukanlah
suatu fluida kalorik tetapi dihasilkan oleh usaha yangdilakukan oleh
kerja mekanis.
Percobaan Joule :
Pemikiran bahwa kalor bukanlah suatu fluida, namun dihasilkan dari
suatu usahayang berarti berhubungan dengan energi, maka Prescot Joule
melakukan percobaan untuk menghitung besar energi mekanik yang ekuivalen
dengan kalor sebanyak 1 kalori.Percobaan joule adalah dengan
menggantung beban pada suatu kontrol yangdihubungkan dengan kincir yang
dapat bergerak manakala beban bergerak. Kincir tersebutdimasukkan
kedalam air. Akibat gerakan kincir tersebut, maka suhu air akan berubah
naik Penurunan ketinggian beban dapat menunjukkan adannya perubahan
energi potensial gravitasi pada beban. Jika beban turun dengan kecepatan
tetap, maka dapat dikatakan tidak terdapat perubahan energi kinetic
pada beban, sehingga seluruh perubahanenergi potensial dari beban akan
berubah menjadi energi kalor pada air.Berdasarkan teori bahwa terjadi
perubahan energi potensial gravitasi menjadi energikalor, maka diperoleh
suatu nilai tara mekanik kalor, yaitu ekuivalensi energi
mekanik menjadi energi kalor.1 joule = 0,24 kalori1 kalori = 4, 18
joule.
2. Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Jenis (c)
Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan suatu zat untuk
menaikkansuhu zat sebesar 1°C. jika sejumlah kalor Q menghasilkan
perubahan suhu sebesar ∆t, makakapasitas kalor dapat dirumuskan: C=Q/Δt
Dengan keterangan:
C= kapasitas kalor (Joule / K atau kal / K)
Q= kalor pada perubahan suhu tersebut (J atau kal)
∆t= perubahan suhu (K atau°C)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan zat sebesar 1 kg untuk mengalami perubahan suhu sebesar 1 K atau 1°C.
Kalor jenis merupakan karakteristik termal suatu benda, karena
tergantung dari jenis benda yang dipanaskan atau didinginkan,serta dapat
dinyatakan dalam persamaan :c=C/m atau c= Q/m∆t
Dengan keterangan;
c= kalor jenis (J/kg.K atau J/kg.°C)
C= kapasitas kalor (Joule/K atau kal/K)Q: kalor pada perubahan suhu tersebut (J atau kal)
∆t= perubahan suhu (K atau°C)
m= massa benda (kg)
3. Pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud zat
Adanya pengertian, bahwa kalor bukanlah aliran fluida, melainkan
merupakan suatu bentuk energi, yang dapat diperoleh dari perubahan
energi mekanik, maka akan kita perhatikan apakah kalor tersebut akan
mempengaruhi suatu benda atau temperatur darisuatu benda atau
zat.Apabila suatu benda diberikan kalor, maka pada zat tersebut dapat
terjadi perubahan seperti :
a. terjadi pemuaian
b. terjadi perubahan wujud
c. terjadi kenaikan suhu
Adanya pengaruh kalor terhadap perubahan wujud atau suhu,diteliti
lebih lanjut oleh Joseph Black.Beberapa hal yang dikemukakan oleh Joseph
Black berkaitan dengan perubahansuhu benda, ternyata dapat digunakan
untuk menentukan besar kalor yang diserap oleh suatu zat.
a. Pemuaian
Pemberian kalor pada sustu zat selain dapat menaikkan
ataumenurunkan suhu zat, dapat juga merubah wujud suatu zat, atau
menyebabkan benda mengalami pemuaian.Umumnya semua zat akan memuai jika
ia mengalami kenaikan suhu, kecuali beberapa zat yang mengalami
penyusutan saat terjadi kenaikan suhu, padasuatu interval suhu tertentu.
Kejadian penyusutan wujud zat saat benda mengalamikenaikan suhu disebut
anomali,seperti terjadi pada air. Air saat dipanaskan darisuhu 0°C
menjadi 4°C justru volumenya mengecil, dan baru setelah suhunyalebih
besar dari 4°C volumenya membesar.
1) Pemuaian Panjang (Linier)
Suatu batang panjang mula-mula lo dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka,α = 1/lo.Δt/Δl
Δl = αlo.Δt
α = koefisien muai panjang suatu zat ( per °C )
Sehingga panjang batang suatu logam yang suhunya dinaikkan sebesar Δtakan menjadi
lt= lo+ Δl
lt= lo( l + α . Δt )
2) Pemuaian Bidang ( Luas )
Suatu bidang luasnya mula-mula Ao, terjadi kenaikkan suhu sebesar
Δt sehingga bidang bertambah luas sebesar ΔA, maka dapat dituliskan :β =
1/Ao. ΔA / Δt
ΔA = Aoβ Δt
β = Koefisien muai luas suatu zat ( per °C ) dimana β = 2 α
Sehingga luas bidang yang suhunya dinaikkan sebesar t akan menjadi At= Ao+ ΔA
At= Ao( 1 + β Δt )
3) Pemuaian Ruang ( volume )
Volume mula-mula suatu benda Vo, kemudian dipanaskan
sehinggasuhunya naik sebesar Δt, dan volumenya bertambah sebesar ΔV ini
dapatditunjukkan dalam rumus :γ = 1/Vo. ΔV/Δt
ΔV = γ . Vo. Δt
γ = koefisien muai ruang suatu zat ( per °C )γ = 3 αsehingga persamaan volumenya menjadi Vt= Vo+ Δt
Vt= Vo( 1 + γ . Δt)
b. Perubahan Wujud
Ketika sejumlah kalor diterima atau dilepas oleh suatu zat, maka
ada dua kemungkinan yang terjadi pada suatu benda, yaitu benda akan
mengalami perubahan suhu, atau mengalami perubahan wujud. Kenaikan suhu
suatu benda dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan
yangmengkaitkan dengan kalor jenis atau kapasitas kalor. Sedangkan pada
saat benda mengalami perubahan wujud, maka tidak terjadi perubahan suhu,
namun semua kalor saat itu digunakan untuk merubah wujud zat,yangdapat
ditentukan dengan persamaan yang mengandung unsur kalor laten.
Besar kalor laten yang digunakan untuk mengubah wujud suatu zat dirumuskan :Q = m.L
Dengan keterangan:
Q: kalor yang diterima atau dilepas (Joule atau kal)
m: massa benda (kg atau gram)
L: kalor laten (J/kg atau kal/gr)(kalor uap atau kalor lebur)
Adanya kalor laten berupa kalor lebur dan kalor didih sangat sering
dijumpai dalamkehidupan, seperti meleburnya es cream pada suhu normal,
atau mendidihnya air sebelumdikonsumsi untuk kehidupan
sehari-hari.Perubahan wujud ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik,
yang menyatakan bahwasaat mencapai titik lebur atau titik didih,
kecepatan getar zat akan bernilai maksimum,sehingga kalor yang diterima
tidak digunakan untuk menambah kecepatan, namundigunakan untuk melawan
gaya ikat antar molekul zat. Sehingga saat molekul-molekul itudapat
melepaskan ikatannya, maka zat akan berubah wujud melebur atau mendidih.
c. Perubahan Suhu
Suhu merupakan suatu istilah yang dipakai untuk membedakan panas
dinginnyasuatu benda. Misalnya benda panas akan dikatakan mempunyai suhu
tinggi dan bendadingin mempunyai suhu yang rendah.Zat cair yang
biasanya dipakai untuk mengisi termometer adalah air raksa. Suhu dapat
diukur dengan termometer. Kebaikan air raksa dari zat cair lainnya yaitu
:
a.Air raksa dapat cepat mengambil panas benda yang diukur sehingga suhunya sama dengan suhu benda yang diukur tersebut.
b.Dapat dipakai untuk mengukur suhu benda dari yang rendah sampai
yang tinggi,karena air raksa punya titik beku –39°C dan titik didih
357°C.
c.Tidak dapat membasahi dinding tabung, sehingga pengukurannya
dapat lebih teliti.d.Pemuaian dari air raksa adalah teratur.e.Mudah
dilihat, karena air raksa mengkilat.Selain air raksa dapat juga
digunakan alkohol untuk mengisi tabung termometer.Alkohol mempunyai
titik rendah / beku –114°C dengan titik didih 78°C.
Termometer ada berbagai macam menurut fungsinya, yaitu :
a.Termometer suhu badan
b.Termometer udara
c.Termometer logam
d.Termometer maximum dan minimum
e.Termograf untuk terminologi
f.Termometer digital
B.Perpindahan Kalor
tentunya menuntut pemahaman tentang adanya konsep konversi dari
berbagaisatuan dari besaran perubahan suhu, maka yang tak kalah
pentingnya dari semuaitu bahwa kalor sebagai suatu bentuk energi
ternyata dapat mengalami perubahantempat, atau dikatakan bahwa kalor
dapat berpindah tempat.Tanpa usaha luar, maka kalor sebagai suatu bentuk
energi dapat berpindah tempat dari benda yang bersuhu tinggi ke benda
yang bersuhu rendahdengan berbagai cara, yaitu :
1.Konduksi
Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan
perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang
berpindah hanyalah energinya,tanpa melibatkan partikel perantaranya,
seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke
ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujungA, lama kelamaan akan
mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakanenergi kalor yang
menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut
menggetarkanmolekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik
A.
2.Konveksi
Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya.
Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahankalor pada
zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap,
pengaturankatub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi
terjadi pada gasdan zat cair.Energi kalor yang dipindahkan secara
konveksi sebesar,Q = k A∆t . t
3.Radiasi
Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium
perantara,seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api
unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin
(pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran dengan oven dan efek rumah
kaca.
C. Asas Black
Ilmuwan Inggris pada tahun 1761 Joseph Black menyatakan bahwa kalor
yangdiberikan suatu benda sama dengan kalor yang diterima pada suatu
benda dalam suatusistem tertutup. Sistem tertutup tersebut dapat
dilakukan dalam suatu kalorimeter, misalkanada jumlah masa m1 zat,
bersuhu t1, kemudian dicampuri dengan sejumlah masa m2zat lain bersuhu
t2dan keduanya dapat ditentukan dengan persamaan:Qserap= Qlepas
Bunyi asas Black “ Kalor yang diserap/diterima sama dengan kalor
yang dilepas.Persamaan di atas dikenal dengan nama asas Black atau hukum
kekekalan energi kalor.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar