9/17/2012
9. KALOR
1
9/17/2012
1 KALOR SEBAGAI TRANSFER ENERGI
Satuan kalor adalah kalori (kal)
Definisi kalori: Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius.
Satuan yang lebih sering digunakan adalah kilokalori (kkal) yang didefinisikan: 1kkal adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 Co.
1 kkal = 1 Kalori 1 Btu = 0,252 kkal = 1055 J. 1 kal = 4,186 J, 1 kkal = 4,186 x 103 J
2
9/17/2012
Kalor bukan sebagai zat, dan bahkan bukan sebagai bentuk energi
Kalor adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur.
1 kal menaikkan temperatur 1 g air sebesar 1 Co, atau 1 kkal menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 Co
3
9/17/2012
CONTOH 1
Dua orang pasangan muda tidak berhati-hati pada suatu siang, dan memakan terlalu banyak es krim dan kue. Mereka menyadari telah kelebihan makan sekitar 500 Kalori, dan untuk mengimbanginya, mereka ingin melakukan kerja yang sesuai dengan menaiki tangga. Berapa ketinggian total yang harus ditempuh setiap orang? Masing-masing bermassa 60 kg.
4
9/17/2012
CONTOH 2
Ketika peluru 3 g, yang melaju secepat 400 m/s, menembus sebuah pohon, lajunya diperkecil sampai 200 m/s. Berapa banyaknya kalor Q yang dihasilkan dan dipakai bersama oleh peluru dan pohon?
5
9/17/2012
2 PERBEDAAN ANTARA TEMPERATUR, KALOR, DAN ENERGI DALAM
Jumlah total dari semua energi pada semua molekul di sebuah benda disebut energi termal atau energi dalam.
Kalor bukan merupakan energi yang dimiliki sebuah benda melainkan mengacu ke jumlah energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya pada temperatur yang berbeda.
Temperatur (dalam kelvin) merupakan pengukuran dari energi kinetik ratarata dari molekul secara individu
Energi termal dan energi dalam mengacu pada energi total dari semua molekul pada benda.
Kalor mengacu pada transfer energi dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur.
6
9/17/2012
3 ENERGI DALAM GAS IDEAL Gas ideal monoatomik:
3 U = nRT 2
(1)
n = jumlah mol.
7
9/17/2012
4 KALOR JENIS
Jika kalor diberikan pada suatu benda maka temperatur benda naik.
Q = mc∆T
(2)
c = kalor jenis (J/kg.Co)
8
9/17/2012
CONTOH 3
(a) Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur tong kosong 20 kg yang terbut dari besi dari 10oC sampai 90oC? (b) Bagaimana jika tong tersebut diisi 20 kg air?
9
9/17/2012
5 KALORIMETRI – PEMECAHAN MASALAH Kekekalan energi: Kalor yang hilang = kalor yang didapat
Pertukaran energi merupakan dasar teknik yang disebut kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor.
10
9/17/2012
CONTOH 4
Jika teh 200 cm3 pada 95oC dituangkan ke dalam cangkir gelas 150 g pada 25oC, berapa temperatur akhir T dari campuran ketika dicapai kesetimbangan, dengan menganggap tidak ada kalor yang mengalir ke sekitarnya?
11
9/17/2012
CONTOH 5
Kita ingin menentukan kalor jenis logam campuran yang baru. Sampel 0,150 kg dari logam baru tersebut dipanaskan sampai 540oC. Logam tersebut kemudian dengan cepat ditempatkan pada 400 g air pada 10oC, yang ditempatkan pada bejana kalorimeter aluminium 200 g. Temperatur akhir campuran tersebut adalah 30,5oC. Hitung kalor jenis logam campuran itu. 12
9/17/2012
6 KALOR LATEN Kalor lebur (LF) adalah kalor yang dibutuhkan untuk merubah 1 kg zat dari padat menjadi cair. Kalor penguapan (Lv) adalah kalor yang dibutuhkan untuk merubah suatu zat dari fase cair ke uap Nilai-nilai untuk kalor lebur dan penguapan disebut kalor laten.
Q = mL
(3)
13
9/17/2012
CONTOH 6
Berapa banyak energi yang harus dikeluarkan lemari es dari 1,5 kg air pada 20oC untuk membuat es pada -12oC?
14
9/17/2012
CONTOH 7
Pada sebuah pesta, potongan es 0,5 kg pada 10oC dimasukkan dalam 3 kg “es” teh pada 20oC. Berapa temperatur dan fase campuran terakhir? Teh dapat dianggap air.
15
9/17/2012
CONTOH 8
Kalor jenis air raksa adalah 0,033 kkal/kg.Co. Ketika 1 kg air raksa padat pada titik leburnya sebesar -39oC diletakkan pada kalorimeter aluminium 0,5 kg yang diisi dengan 1,2 kg air pada 20oC, temperatur akhir campuran didapatkan sebesar 16,5oC. Berapa kalor lebur dari air raksa dalam kkal/kg?
16
9/17/2012
PENYELESAIAN MASALAH KALORIMETRI 1.
2.
Pastikan Anda memiliki informasi yang cukup untuk memakai kekekalan energi. Tanyakan pada diri Anda: apakah sistem ini terisolasi (atau mendekati demikian, sehingga cukup untuk membuat perkiraan yang baik)? Apakah Anda mengetahui atau dapatkah kita menghitung semua sumber yang signifikan dari aliran energi kalor? Gunakan kekekalan energi: Kalor yang diterima = kalor yang hilang. Untuk semua zat pada sistem, istilah kalor (energi) akan muncul pada ruas kiri atau kanan dari persamaan ini.
17
9/17/2012
3.
Jika tidak terjadi perubahan fase, setiap suku pada persamaan kekekalan energi (di atas) akan berbentuk
(
Q (dapat) = mc T f − Ta
)
atau
(
Q (hilang) = mc Ta − T f
)
18
9/17/2012
4.
Jika perubahan fase terjadi atau mungkin terjadi, mungkin ada beberapa suku pada persamaan kekekalan energi dalam bentuk Q = mL, dimana L adalah kalor laten. Tetapi sebelum menerapkan kekekalan energi, tentukan (atau perkirakan) pada fase mana keadaan akhir akan berada.
19
9/17/2012
5.
Pastikan setiap suku muncul di sisi yang benar dari persamaan energi (kalor yang diterima atau kalor yang dilepaskan) dan bahwa setiap ∆T adalah positif.
6.
Catat bahwa ketika sistem mencapai kesetimbangan termal, temperatur akhir setiap zat akan memiliki nilai yang sama. Hanya ada satu Tf.
7.
Selesaikan persamaan energi Anda untuk mencari yang tidak diketahui. 20
9/17/2012
7 PERPINDAHAN KALOR: KONDUKSI
Tiga metode perpindahan kalor: Konduksi, Konveksi dan radiasi.
Kecepatan aliran kalor dengan konduksi:
T1 − T2 ∆Q = kA ∆t l
(4)
k = konduktivitas termal 21
9/17/2012
Zat-zat dimana k besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang baik.
Zat-zat yang k nya kecil dinamakan isolator.
22
9/17/2012
CONTOH 9
Sumber kehilangan kalor yang utama dari sebuah rumah adalah melalui jendela. Hitung kecepatan aliran kalor melalui jendela kaca dengan luas 2 m x 1,5 m dan tebal 3,2 mm, jika temperatur pada permukaan dalam dan luar adalah 15oC dan 14oC, berturut-turut.
23
9/17/2012
8 PERPINDAHAN KALOR: KONVEKSI
Konveksi adalah proses dimana kalor ditransfer dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat yang lain. Konduksi melibatkan molekul (dan/atau elektron) yang hanya bergerak dalam jarak yang kecil dan bertumbukan, sedangkan konveksi melibatkan pergerakan molekul dalam jarak yang besar Cuaca pada umumnya merupakan hasil dari arus udara yang konvektif
24
9/17/2012
9. PERPINDAHAN KALOR: RADIASI Konduksi dan konveksi memerlukan adanya materi sebagai medium untuk membawa kalor dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Radiasi merupakan bentuk transfer energi tanpa melalui medium.
25
9/17/2012
Kecepatan radiasi (pers. Stefan-Boltzmann):
∆Q 4 = eσ AT ∆t
(5)
σ = konstan Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 Kecepatan aliran total dari radiasi kalor:
(
∆Q 4 4 = eσ A T1 − T2 ∆t
)
(6)
T1 = temperatur bendanya; T2 = temperatur sekelilingnya
26
9/17/2012
CONTOH 10
Seorang atlit duduk tanpa pakaian di kamar ganti yang dindingnya gelap pada temperatur 15oC. Perkirakan kecapatan kehilangan kalor dengan radiasi dengan menganggap temperatur kulit sebesar 34oC dan e = 0,7. Anggap permukaan tubuh yang tidak bersentuhan dengan kursi sebesar 1,5 m2.
27
9/17/2012
Besar laju penyerapan kalor oleh suatu benda karena radiasi matahari yang datang dengan sudut θ adalah:
(
)
∆Q 2 = 1000 W/m eA cos θ ∆t
(7)
28
9/17/2012
CONTOH 11
Berapa kecepatan penyerapan energi dari Matahari oleh seseorang yang berbaring terlentang di pantai pada hari yang cerah jika Matahari membuat sudut 30o dengan vertikal? Anggap e = 0,7, luas tubuh yang terbuka ke Matahari adalah 0,8 m2, dan 1000 W/m2 mencapai permukaan Bumi.
29
