KALOR
hogasaragih.wordpress.com
• •
• •
•
Ketika satu ketel air dingin diletakkan di atas kompor, temperatur air akan naik. Kita katakan bahwa kalor mengalir dari kompor ke air yang dingin. Ketika dua benda yang temperaturnya berbeda diletakkan saling bersentuhan, kalor akan mengalir seketika dari yang panas ke yang dingin. Aliran kalor seketika ini selalu dalam arah yang cenderung menyamakan temperatur. Jika kedua benda tersebut disentuhkan cukup lama sehingga temperatur keduanya sama, keduanya dikatakan dalam keadaan setimbang termal, dan tidak ada lagi kalor yang mengalir di antaranya. Sebagai contoh, ketika termometer demam pertama kali dimasukkan ke dalam mulut pasien, kalor mengalir dari mulut pasien tersebut ke termometer; ketika pembacaan temperatur berhenti naik, termometer setimbang dengan mulut orang tersebut, dan temperaturnya sama. hogasaragih.wordpress.com
Kalor sebagai Transfer Energi • Kita gunakan istilah “kalor” pada kehidupan sehari-hari seakan-akan kita tidak tahu apa yang dimaksud. • Tetapi istilah tersebut sering digunakan secara tidak konsisten, sehingga penting bagi kita untuk mendefinisikan kalor dengan jelas, dan untuk memperjelas fenomena dan konsep yang berhubungan dengan kalor. hogasaragih.wordpress.com
• Secara umum kita membicarakan “aliran” kalorkalor mengalir dari kompor ke ketel kopi, dari matahari ke bumi, dari mulut ke termometer demam. • Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain dengan temperatur yang lebih rendah. • Dan memang, model abad kedelapan belas dari kalor menggambarkan aliran kalor sebagai gerakan zat fluida yang disebut kalori. • Bagaimanapun, fluida kalori tidak pernah bisa dideteksi. hogasaragih.wordpress.com
• • • • •
•
Di abad kesembilan belas, ditemukan bahwa berbagai fenomena yang berhubungan dengan kalor dapat dideskripsikan secara konsisten tanpa perlu menggunakan model fluida. Model yang baru ini memandang kalor berhubungan dengan kerja dan energi, sebagaimana akan kita bahas sebentar lagi. Pertama kita lihat bahwa suatu satuan yang umum untuk kalor, yang masih digunakan sekarang, dinamakan kalori. Satuan ini disebut kalor (kal) dan didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius. [Tepatnya, kisaran temperatur khusus dari 14,5oC sampai 15,5oC ditentukan karena kalor yang diperlukan sedikit berbeda pada jangkauan 1 sampai 100oC dan kita akan mengabaikannya pada sebagian besar khusus.] Yang lebih sering digunakan dari kalori adalah kilokalori (kkal), yang besarnya 1000 kalori. Dengan demikian 1 kkal adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1oC. hogasaragih.wordpress.com
• Kadangkala satu kilokalori disebut Kalori (dengan huruf K besar), dan dengan satuan inilah nilai energi makanan ditentukan (kita mungkin juga menamakannya “kalori makanan”). • Pada sistem satuan British, kalor diukur dalam satuan termal British (British thermal unit/Btu). Satu Btu didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur air 1 lb sebesar 1 Fo. Dapat ditunjukkan (Soal 5) bahwa 1 Btu = 0,252 kkal = 1055 J. hogasaragih.wordpress.com
• Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energi dikerjakan lebih lanjut oleh ilmuwan pada tahuan 1880-an, terutama oleh seorang pembuat minuman dari Inggris, James Prescott Joule (1818-1889). • Joule melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan pandangan kita saat ini bahwa kalor, seperti kerja, merepresentasikan transfer energi. Salah satu bentuk dari percobaan Joule ditunjukkan (disederhanakan) pada Gb.14-1. hogasaragih.wordpress.com
• Beban yang jatuh menyebabkan roda pedal berputar. Gesekan antara air dan roda pedal menyebabkan temperatur air naik sedikit (sebenarnya, hampir tidak terukur oleh Joule). • Tentu saja, kenaikan temperatur yang sama juga bisa didapat dengan memanaskan air di atas kompor. • Pada percobaan ini, dan banyak percobaan penting lainnya (beberapa diantaranya melibatkan energi listrik), Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan secara ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. • Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara kalor mekanik. hogasaragih.wordpress.com
•
• • • •
Sebagai hasil dari percobaan ini dan yang lainnya, para ilmuwan kemudian menginterpretasikan kalor bukan sebagai zat, dan bahkan bukan sebagai bentuk energi. Melainkan, kalor merupakan “transfer energi”: ketika kalor mengalir dari benda yang panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang ditransfer dari yang panas ke yang dingin. Dengan demikian, kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Dalam satuan SI, satuan untuk kalor, sebagaimana untuk bentuk energi lain, adalah joule. Bagaimanapun, kalor dan kkal kadangkala tetap digunakan. Sekarang kalori didefinisikan dalam joule (melalui tara kalor mekanik di atas), dan bukan dalam sifat air, seperti sebelumnya. Yang terakhir ini tetap pantas diingat: 1 kal menaikkan temperatur 1 g air sebesar 1 Co, atau 1 kkal menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 Co. hogasaragih.wordpress.com
Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam • Kami sekarang memperkenalkan konsep energi dalam karena akan membantu memperjelas gagasan-gagasan kalor. • Jumlah total dari semua energi pada semua molekul pada sebuah benda disebut energi termal atau energi dalam. • (Kita akan menggunakan kedua istilah ini bergantian. Kadangkala, istilah “kandungan kalor” sebuah benda digunakan untuk tujuan ini, tetapi istilah ini tidak bisa bagus karena dapat dikacaukan oleh kalor itu sendiri. • Kalor, sebagaimana telah kita lihat, bukan merupakan energi yang dimiliki oleh sebuah benda, melainkan mengaju ke jumlah energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya pada temperatur yang berbeda. hogasaragih.wordpress.com
• Dengan menggunakan teori kinetik, kita dapat membuat perbedaan yang jelas, antara temperatur, kalor, dan energi dalam. • Temperatur (dalam Kevin) merupakan pengukuran dari energi kinetik rata-rata dari molekul secara individu. • Energi termal dan energi dalam mengacu pada energi total dari semua molekul pada benda. (Dengan demikian, dua batangan bermassa sama yang terbuat dari besi bisa memiliki temperatur yang sama, tetapi keduanya bersamaan memiliki energi termal dua kali lipat dari satu batangan.) • Akhirnya, kalor mengacu pada transfer energi (seperti energi termal) dari satu benda kelainnya karena adanya perbedaan temperatur. hogasaragih.wordpress.com
• Perhatikan bahwa arah aliran kalor di antara kedua benda bergantung pada temperatur mereka, bukan pada berapa banyak energi dalam yang dimiliki masing-masing. • Berarti, jika 50 g air pada 30oC diletakkan bersentuhan (atau dicampur) dengan 200 g air pada 25oC, kalor mengalir dari air 30oC ke air 25oC walaupun energi dalam air 25oC jauh lebih besar karena jauh lebih banyak. hogasaragih.wordpress.com
Energi Dalam Gas Ideal • Gambar 14-2 Molekul-molekul dapat memiliki energi (a) rotasi dan (b) getaran, di samping energi translasi • Energi dalam gas riil juga bergantung terutama pada temperatur, tetapi di mana mereka menyimpang dari perilaku gas ideal, dalam beberapa hal energi dalam juga bergantung pada tekanan dan volume. • Energi dalam zat cair dan padat sangat rumit, karena mencakup energi potensial listrik yang berhubungan dengan gaya (atau ikatan “kimia”) antara atom dan molekul. hogasaragih.wordpress.com
Kalor Jenis • Hubungan antara aliran kalor dan perubahan temperatur • Jika kalor diberikan pada suatu benda, temperaturnya naik. Tetapi seberapa besar temperatur naik? Hal ini tergantung. • Pada abad kedelapan belas, orang-orang yang melakukan percobaan telah melihat bahwa besar kalor Q yang dibutuhkan untuk merubah temperatur zat tertentu sebanding dengan massa m zat tersebut dan dengan perubahan temperatur ∆T. • Kesederhanaan alam yang menakjubkan ini dapat dinyatakan dalam persamaan • Q = mc ∆T, hogasaragih.wordpress.com
Kalorimetri
Pemecahan Masalah
• Ketika bagian-bagian yang berbeda dari sistem yang terisolasi berada pada temperatur yang berbeda, kalor akan mengalir dari bagian dengan temperatur yang lebih tinggi ke bagian dengan temperatur lebih rendah. • Jika sistem terisolasi seluruhnya, tidak ada energi yang bisa mengalir ke dalam atau ke luar. • Jadi, sekali lagi, kekekalan energi memainkan peranan penting untuk kita kehilangan kalor sebanyak satu bagian sistem sama dengan kalor yang didapat oleh bagian yang lain: • Kekekalan energi • kalor yang hilang = kalor yang didapat hogasaragih.wordpress.com
• •
• •
•
Pertukaran energi, sebagaimana dicontohkan pada Contoh 14-5, merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri, yang merupakan pertukaran kuantitatif dari pertukaran kalor. Untuk melakukan pengukuran semacam itu, digunakan kalorimeter; kalorimeter air sederhana ditunjukkan pada Gb. 14-3. Adalah sangat penting bahwa kalorimeter diisolasi dengan baik sehingga hanya sejumlah minimum kalor dipertukarkan dengan luarnya. Satu kegunaan yang penting dari kalorimeter adalah dalam penentuan kalor jenis zat-zat. Pada teknik yang dikenal sebagai “ metode campuran”, satu sampel zat dipanaskan sampai temperatur tinggi yang diukur dengan akurat, dan dengan cepat ditempatkan pada air dingin kalorimeter. Kalor yang hilang pada sampel tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter. Dengan mengukur temperatur akhir campuran tersebut, kalor jenis dapat dihitung, sebagaimana diperlihatkan oleh Contoh sebagaimana berikut ini. hogasaragih.wordpress.com
• Dalam melakukan perhitungan ini, kita mengabaikan kalor yang ditransfer ke termometer dan pengaduk (yang dibutuhkan untuk mempercepat proses transfer kalor dan dengan demikian memperkecil kehilangan kalor ke luar). • Nilai yang diabaikan ini dapat diperhitungkan dengan menambahkan suku ke sisi kanan persamaan di atas dan akan menghasilkan koreksi kecil terhadap nilai cs (lihat Soal 20). • Harus dicatat bahwa besaran mkalckal sering disebut ekivalen air kalorimeter – di mana, mkalckal secara numeriksama dengan massa air (dalam kilogram) yang akan menyerap kalor dengan jumlah yang sama. hogasaragih.wordpress.com
• Kalorimeter bom digunakan untuk mengukur kalor yang dikeluarkan ketika sebuah zat terbakar. • Pemakaian yang penting adalah membakar makanan untuk menentukan kadar kalorinya, dan pembakaran biji dan zat lain untuk menentukan “kadar energi”, atau kalor pembakarannya. • Sampel zat yang telah ditimbang dengan teliti, bersama dengan jumlah kelebihan oksigen pada tekanan tinggi, diletakkan pada bejana yang tersegel (“bom”). Bom tersebut diletakkan di air kalorimeter dan kawat halus yang disambungkan ke bom dipanaskan sebentar, yang menyebabkan campuran tersebut terpicu. hogasaragih.wordpress.com
Kalor Laten • Ketika suatu materi berubah fase dari padat ke cair, atau dari cair ke gas (lihat juga Subbab 13-13), sejumlah tertentu energi terlibat pada perubahan fase ini. • Sebagai contoh, mari kita telusuri apa yang terjadi ketika balok es 1,0 kg pada -40 oC diberi kalor dengan kecepatan tetap sampai semua es berubah menjadi air, kemudian air (cair) dipanaskan sampai 100 oC dan diubah menjadi uap di atas 100 oC, semuanya pada tekanan 1 atm. • Sebagaimana ditunjukkan pada grafik Gb. 14-4, sementara kalor ditambahkan ke es, temperaturnya naik dengan kecepatan 2 oC/kkal dari kalor yang ditambahkan (karena untuk es, c = 0,50 kkal/kg oC). hogasaragih.wordpress.com
• • • • •
Bagaimanapun, ketika 0 oC dicapai, temperatur berhenti naik walaupun kalor tetap ditambahkan. Sekarang sementara kalor ditambahkan, es perlahan-lahan berubah menjadi air dalam keadaan cair tanpa perubahan temperatur. Setelah 40 kkal telah ditambahkan pada 0 oC setengah dari es tetap dan setengahnya telah berubah menjadi air. Setelah sekitar 80 kkal, atau 330 kJ, telah ditambahkan semua es telah berubah menjadi air, masih pada 0 oC. Penambahan kalor selanjutnya menyebabkan temperatur air naik kembali, sekrang dengan kecepatan 1 oC/kkal. Ketika 100 oC telah dicapai, temperatur kembali tetap konstan sementara kalor yang ditambahkan merubah air cair menjadi uap. Sekitar 540 kkal (2260 kJ) dibutuhkan untuk merubah 1,0 kg air seluruhnya menjadi uap, di mana kurva naik kembali, mengindikasikan bahwa temperatur uap sekarang naik sementara kalor ditambahkan.
hogasaragih.wordpress.com
• Kalor yang dibutuhkan untuk merubah 1,0 kg zat dari padat menjadi cair disebut kalor lebur, dinyatakan dengan Lf. • Kalor lebur air adalah 79,7 kkal/kg atau, dalam satuan SI yang sesuai, 333kJ/kg (=3,33 x 105 J/kg). • Kalor yang dibutuhkan untuk merubah suatu zat dari fase cair ke uap disebut kalor penguapan, Lv, dan untuk air adalah 539 kkal/kg atau 2269 kJ/kg. • Zat yang lainnya mengikuti grafik yang hampir sama dengan Gb.14-4, walaupun temperatur titik-lebur dan titik-didih berbeda, seperti juga kalor jenis dan kalor untuk peleburan dan penguapan. Nilai-nilai untuk kalor lebur dan hogasaragih.wordpress.com
• Kalor penguapan dan lebur juga mengacu pada jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat ketika berubah dari gas ke cair, atau dari cair ke padat. Dengan demikian, uap mengeluarkan 2260 kJ/kkal ketika berubah menjadi air , dan air mengeluarkan 333 kJ/kg ketika menjadi es. • Tentu saja, kalor yang terlibat dalam perubahan fase tidak hanya bergantung pada kalor laten, tetapi juga pada massa total zat tersebut. Sehingga, • Q = mL, hogasaragih.wordpress.com
• Di mana L adalah kalor laten proses dan zat tertentu, dan m adalah massa zat, dan Q adalah kalor yang dibutuhkan atau dikeluarkan selama perubahan fase. Sebagai contoh, ketika 5,00 kg air membeku pada 0 oC, (5,00 kg)(3,33 x 105 J/kg) = 1,67 x 106 J energi dilepaskan. • Kalorimeter kadangkala melibatkan perubahan keadaan, sebagaimana ditunjukkan oleh Contoh berikut ini. Dan memang, kalor laten seringkali diukur dengan menggunakan kalorimetri. hogasaragih.wordpress.com
