RINGKASAN MATERI
KALOR, PERUBAHN WUJUD DAN PERPINDAHAN KALOR A. KALOR (PANAS) Tanpa disadari, konsep kalor sering kita alami dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya kita mencampur yang terlalu panas dengan air yang lebih dingin. Saat itu campuran dari airakan turun temperaturnya menjadi hangat saja. Dari peristiwa itu kita bias mengatakan bahwa ada “sesuatu” yang hilangdari air panas, dan pingah ke air yang dingin. “Sesuatu” inilah yang dalam fisika disebit dengan kalor. Kalor tidak lain adalah energi, yang berpindah dari zat yang temperaturnya lebih tinggi, ke zat yang temperaturnya lebih rendah. Untuk kenaikan suhu yang sama, dibutuhkan kalor yang lebih besar bila massa zat yang dipanaskan lebih banyak.
Q≈m Setip zat membutuhkan jumlah kalor yang berbeda untuk menaikkan suhunya. Besaran yang mempengaruhi suatu zat dalam menerima kalor untuk menaikkan suhunya ini dikenal dengan nama kalor jenis, dengan lambing c dan satuan J/kg 0C
Q≈c Jika dituliskan dalam bentuk persamaan, akan diperoleh persamaan
Q = mc∆T Dimana Q = kalor yang diberikan ( Joule ) m = massa benda ( kg ) c = kalor jenis benda ( J/kg 0C ) ∆T = kenaikan suhu benda ( 0C ) = suhu akhir – suhu mula-mula 1 Joule = 0,24 kalori 1 kalori = 4,2 Joule
A.1. Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor Kalor jenis adalah sifat khusus suatu zat yang menggambarkan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 0C. Secara matematis, kalor jenis dapat dirumuskan sbb:
c=
Q m∆T 0
Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 C
C =
Q t
;
C = mC
Q = jumlah kalor ( Joule ) C = kapasitas kalor ( J / 0C ) ∆T = kenaikan suhu ( 0C )
A.2. Azas Black Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi bersifat kekal. Joseph Blach menyimpulkan bahwa kalor yang dilepaskan suatu zat akan sama kalor yang diterima oleh zat lain. Hukum kekekalan energi inilah yang dikenal sebagai azas Black.
Qlepas = Q terima Misalkan suhu air panas T1, massnya m1, sedangkan air dingin memiliki suhu T2, dan massanya m2. Suhu campuran adalah x dan kalor jenis zat diasumsikan tidak berubah terhadap suhu. Dengan mengabaikan pertukaran kalor dengan wadah dan kalor yang terbuang ke lingkungan, dapat dituliskan persamaan : Kalor yang dilepaskan air panas : Q1 = m1 c ∆T Q1 = m 1 c ( T 1 – x ) Kalor yang diterima air dingin : Q2 = m2 c ∆T Q2 = m2 c ( x – T2 )
x=
T m1 + T1m1 m1 + m1
dimana x adalah suhu campuran
B. PERUBAHAN WUJUD Suatu zat dapat berubah wujud melalui proses tertentu, seprti ditunjukkan dalam gambar berikut : GAS
PADAT
CAIR
1. Kalor Lebur dan Kalor Beku Kalor lebur adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk meleberkan 1 kg zat padat menjadi cair pada titik leburnya. Kalor beku adalah kalor yang dilepaskan pada saat 1 kg zat cair membeku menjadi 1 kg zat padat pada titik bekunya. Kalor lebur mempunyai harga yang sama dengan kalor beku Q = m Lf dimana Lf adalah kalor lebur zat, satuannya J/kg
2. Kalor Uap Kalor uap adalah kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan suatu zat pada titik didihnya. Kalor uap sama dengan kalor didih. Q = m Lv dimana Lv adalah kalor uap, satuannya J/kg
3. Grafik Suhu dan Kalor T ( 0C )
F Fase gas (uap) ( Q5 )
125 D
E ------------ttik didih ( Q4 )
100 -----------------------------75 Fase cair (air) ( Q3 ) 50 25 0
B ------
-25
A
C ----------------------------------titik lebur Fase padat (es) (Q1 )
( Q2 ) Waktu ( s )
Gambar di atas menunjukkan grafik suhu-kalor ketika sejumlah massa tertentu es yang suhunya di bawah 0 0C dipanaskan (diberi kalor). Hal yang harus diperhatikan adalah kalor jenis yang digunakan untuk tiap bagian grafik yang mengalami kenaikan suhu. Dari A ke B wujud zat es, sehingga kalor jenis yang digunakan pada rumus Q = m c ∆T adalah kalor jenis es, yaitu c = 2100 J/kg K. Dari C ke D wujud zat adalah air sehingga kalor jenis yang digunakan adalah kalor jenis air, yaitu c = 4200 J/kg K. Dari E ke F, wujud zat adalah uap, sehingga kalor jenis yang digunakan adalah kalor jenis uap = 2010 J/kg K. Untuk memahami analisis grafik suhu terhadap kalor diberikan persamaan yang berlaku pada tiap bagian. Proses dari A ke B dan dari C ke D Karena ada perubahan suhu maka persamaan yang digunakan adalah : Q = m c ∆T……………….sebagai Q1 dan Q3 Q : kalor yang dibutuhkan ( J ) m : massa zat ( kg ) ∆T: perubahan suhu ( 0C ) ∆T = TB - TA dan ∆T = TD - TC Proses dari B ke C Karena tidak ada perubahan suhu maka persamaan yang digunakan adalah Q = m Lf………...... sebagai Q2 Dimana Lf adalah kalor beku Proses dari D ke E Karena tidak ada perubahan suhu maka persamaan yang digunakan adalah Q = m Lv………...... sebagai Q4 Lv adalah kalor uap. Jadi untuk analisis grafik akan diperoleh persamaan :
Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
C. PERPINDAHAN KALOR Di SMP telah dipelajari bahwa ada 3 cara perpindahan kalor, yaitu ; 1. konduksi 2. konveksi 3. radiasi
1. Perpindahan Kalor Secara Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor yang tidak disertai perpindahan partikel. Perpindahan kalor secara konduksi dapatterjadi dalam dua proses berikut : a. Pemanasan pada satu ujung zat menyebabkan partikel-partikel pada ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik, atau energi kinetiknya bertambah. Proses perpindahan kalor seperti ini berlangsung lambat karena untuk memindahkan lebih banyak kalor diperlukan beda suhu yang tinggi diantara kedua ujung. b. Dalam logam kalor dipindahkan melalui electron-elektron bebas yang terdapat struktur atom logam. Karena electron bebas mudah berpindah, pertambahan energi ini dengan cepat dapat diberikan ke electron-elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini kalor berpindah lebuh cepat. Faktir-faktor yang mempengaruhi laju kalor konduksi : 1. Beda suhu antara kedua permukaan, ∆T = T2 – T1; makin besar beda suhu, makin cepat perpindahan kalor 2. Ketebalam dinding, d; makin tebal dinding, makin pelan perpindahan kalor 3. Luas permukaan, A; makin luas permukaan makin cepat perpindahan kalor 4. Konduktivitas termal zat, k; merupakan kemampuan zat menghantarkn kalor, makin besar nilai k, makin cepat perpindahan kalor. Secara matematis, banyak kalor Q yang melalui dinding selama selang waktu t, dinyatakan :
Q kA ∆ T = t d Bagaimana jika perpindahan kalor terjadi pada sambungan dua batang logam yang berbeda jenis ? Misalnya dua batang logam berbeda jenis dengan luas penampang sama, salah satunya dihubungkan.
T1
sambungan, Suhu T
tenbaga
k1 L1
T2 aluminium
k2 L2
Secara matematis ;
Q1 Q = 2 t t
kA ∆ T kA ∆ t = L L 2. Perpindahan Kalor Secara Konveksi Proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lainfluida oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi. Contoh pemanfaatan konveksi dalam kehidupan sehari-hari adalah cerobong asap, lemari es. Laju kalor Q/t ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluida sekitarnya secara konveksi adalah sebanding dengan luas permukaan A yang bersentuhan dengan fluida dan beda suhu ∆T di antara benda dan fluida. Secara matematis ditulis:
Q = hA ∆ t t 3 Perpindahan Kalor Secara Radiasi Radiasi adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Menurut Hukum Stefan-Boltzmann yang berbunyi : energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu ( Q/t ) sebanding dengan luas permukaan ( A ) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu ( T 4 ). Secara matematis ditulis :
Q = σ AT t
4
Tetapan σ ( dibaca sigma ) dikenalsebagai tetapan Stefan-Boltzmann dan dalm SI mempunyai nilai σ = 5,67 x 10-8 W m-2 K-4 Tidak semua benda dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna, maka persamaan StefanBoltzmann untuk setiap benda dapat ditulis:
Q = e σ AT 4 t Dengan e adalah koefisien emisivitas. Emisivitan tidak memiliki satuan dan nilainya antara 0 sampai 1 (0 ≤ e ≤ 1 ) danbergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan. Untuk benda hitam sempurna memiliki e = 1 dan e untuk tubuh manusia bergantungwarna kulit tetapi milai hampirannya adalah e = 0,98
