kalor

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor :

1. massa zat
2. jenis zat (kalor jenis)
3. perubahan suhu

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q = m.c.(t2 – t1)
Keterangan:
Q : kalor yang dibutuhkan (J)
m : massa benda (kg)
c : kalor jenis (J/kgC)
(t2-t1) perubahan suhu (C)
Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

• Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
• Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius. Jika sejumlah kalor Q menghasilkan perubahan suhu sebesar (t2-t1), maka kapastas kalor dapat dirumuskan:

H = Q / (t2-t1)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

H = m.c

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

·         Asas Black

Menurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan :

Q lepas = Q terima

Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh :

Q lepas = Q terima

m1.c1.(t1 – ta) = m2.c2.(ta-t2)

Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asasa Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1 – ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2).(Oleh: alljabbar | Maret 23, 2008)

2.2 PENGARUH KALOR TERHADAP SUATU  ZAT

·  KALOR DAPAT MENGUBAH SUHU 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  dari suatu 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

a. Pemuaian

Pemberian   kalor   pada   sustu   zat   selain   dapat   menaikkan   atau menurunkan 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, pada suatu interval suhu tertentu. Kejadian penyusutan wujud zat saat benda mengalami kenaikan suhu disebut  anomali,  seperti  terjadi pada air.  Air saat  dipanaskan dari suhu 0  °C menjadi  4  °C  justru volumenya mengecil,  dan baru setelah suhunya lebih besar dari 4 °C volumenya membesar.

Anomali Air

Hal   tersebut   diatas   tidak   berlaku   sepenuhnya   pada   air,  pada   air terjadi perkecualian. Misalnya volume air akan berkurang bila suhunya dinaikkan dari 0 °C, peristiwa ini disebut dengan anomali air. Peristiwa anomali air dapat diterangkan dengan meninjau bangun kristal es. Dari pengamatan kristal es disimpulkan bahwa kedudukan molekul-molekul H2O teratur seperti  bangun kristal  es,  yang penuh dengan  rongga-rongga.  Sedangkan molekul H2O dalam bentuk cair (air) lebih rapat dibandingkan dalam bentuk es, oleh karena itu es terapung dalam air. Bila air mulai 4 °C didinginkan molekul air mulai mengadakan persiapan untuk membentuk bangun berongga tersebut. °C.

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 yang

mengkaitkan 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, yang dapat 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

Contoh:

1. Tentukan kalor yang diperlukan untuk meleburkan 10 kg es pada suhu 0°C.

jika kalor lebur es 3,35. 105 J/kg !

Jawab:

Q=m . L

Q = 10 kg . 3,35. 105 J/kg

Q = 3,35. 106 J

c. Perubahan Suhu

Suhu merupakan suatu istilah yang dipakai untuk membedakan panas dinginnya suatu benda. Misalnya benda panas akan dikatakan mempunyai suhu tinggi dan benda dingin 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 ai rraksa adalah teratur.
e. Mudah dilihat, karena air raksa mengkilat. Selain air raksa dapat juga digunakan alkohol untuk mengisi tabung thermometer. (http://www.scribd.com/doc/12599430/Fisika-SMAMASMK-Kelas-x-Bab-7-Kalor-Dan-Perpindahannya)

1. Besarnya kalor sebanding dengan kenaikan suhu at ( ∆ t) . Artinya semakin besar kenaikan suhu zat maka kalor yang diserap juga semakin besar dan sebaliknya.

2. Besarnya kalor sebanding dengan massa benda (m). Artinya semakin Banyak zat dipanaskan maka kalor yang diserap juga 3 . Besarnya kalor sebanding kalor jenis zatnya (c ) . Artinya semakin besar kalor jenis suatu zat maka kalor yang diserap juga semakin besar (semakin cepat mendidih) dan sebaliknya.

Q sebanding dengan m

Q sebanding dengan c

Q sebanding dengan ∆t

Q =mc∆t

Ket :

Q = besarnya kalor (Joule)

M = massa (Kg)

C = kalor jenis (J/Kg oC)

∆ t = perubahan suhu/suhu akhir – suhu awal ( Δ C)

·         KALOR DAPAT MENGUBAH WUJUD ZAT

1. PERUBAHAN WUJUD

• Menguap yaitu perubahan wujud dari cair menjadi gas. Supaya zat menguap harus dipanaskan atau zat tersebut menyerap kalor

• Mengembun yaitu perubahan wujud dari gas menjadi cair. Supaya zat mengembun harus didinginkan (zat tersebut melepas kalor)

• Melebur/mencair yaitu perubahn wujud dari padat menjadi cair. Supaya mencair zat tersebut harus dipanasdkan ( zat tersebut menyerap kalor)

• Membeku yaitu perubahan wujud cair menjadi padat. Supaya membeku zat tersebut harus didinginkan (zat tersebut melepas kalor)

• Menyublim yaitu perubahan wujud padat menjadi gas atau perubahan zat dri gas menjadi padat (tanpa melalui fase cair).

• Menguap yaitu perubahan wujud dari cair menjadi gas. pada saat menguap zat menyerap kalor. Kalor yang diserap zat digunakan untuk perubahan wujud bukan untuk menaikan suhu. Kalor untuk perubahan wujud ini disebut kalor laten.

• faktor-faktor untuk mempercepat penguapan ada 4 :

1. Dipanaskan

2. memperluas permukaan

3. di tiupkan angin pada permukaan

4. mengurangi tekanan permukaan

MENGUAP

Q = besarnya kalor yang diserap ( J)

m = massa zat ( Kg)

U = kalor Uap zat ( J/Kg )

Q = m U

Contoh soal :

Berapa kalor yang diserap 2 kg air pada suhu 100 oC menjadi uap air yang bersuhu 100 oC jika kalor uap air 2,27 x 10 ⁶ J/Kg.

Jawab :

Diketahui : m = 2 Kg U = 2,27 x 10 ⁶ J/Kg. Ditanya : Q = ? Jawab : Q = mU = 2 x 2,27 x 10 ⁶ = 4,54 x 10 ⁶ J/Kg

• Melebur yaitu perubahan wujud dari padat menjadi cair. Pada saat melebur zat menyerap kalor. Kalor yang diserap zat digunakan untuk perubahan wujud bukan untuk menaikan suhu, jadi selama melebur suhu zat tetap Kalor untuk perubahan wujud ini disebut kalor laten. Besarnya kalor yang diserap pada saat melebur dirumuskan

MELEBUR

Q = m L Q = besarnya kalor yang diserap ( J)

m = massa zat ( Kg)

L = kalor lebur zat ( J/Kg )

· PENERAPAN KONSEP PERPINDAHAN KALOR

• Pada malam hari bumi tidak menjadi dingin sekali karena atmosfera berperan sebagai isolator sekaligus berperan sebagai media konveksi udara.

• Pada siang hari yang terik sepatu dan sandal berfungsi sebagai isolator sehingga telapak kaki tidak terasa panas.

• Pada ganggang seterika dibuat dari plastik supaya tidak panas

• Diantara dinding termos dibuat hampa udara sehingga kalor tidak merambat secara konduksi dari dinding dalam ke dinding luar maka panas air dapat dipertahankan.
  
  

2.3 Kalor Sebagai Transfer Energi

Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda lain dengan suhu yang lebih rendah. Satuan kalor yang masih umum dipakai sampai saat ini yaitu kalori. Satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1°C. Terkadang satuan yang digunakan adalah kilokalori (kkal) karena dalam jumlah yang lebih besar, di mana 1 kkal = 1.000 kalori. Satu kilokalori (1 kkal) adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 °C.

Pada tahun 1800-an, seorang ilmuwan dari Inggris, James Prescott Joule (1818 - 1889) melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan pandangan bahwa kalor merupakan bentuk transfer energi. Percobaan ini membuktikan bahwa apabila suatu bentuk energi diubah menjadi bentuk energi lain, maka tidak ada energi yang musnah. Salah satu bentuk percobaan Joule ditunjukkan secara sederhana seperti pada gambar di samping. Beban yang jatuh menyebabkan roda pedal berputar. Gesekan antara air dan roda pedal menyebabkan suhu air naik sedikit (yang sebenarnya hampir tidak terukur oleh Joule). Kenaikan suhu yang sama juga bisa diperoleh dengan memanaskan air di atas kompor. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini (4,186 J = 1 kal) dikenal sebagai tara kalor mekanik.

1) Kalor Jenis (c) dan Kapasitas kalor (C)

Apabila sejumlah kalor diberikan pada suatu benda, maka suhu benda itu akan naik. Pada abad ke-18, sejumlah ilmuwan melakukan percobaan dan menemukan bahwa besar kalor Q yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu zat yang besarnya ΔT sebanding dengan massa m zat tersebut. Pernyataan tersebut dapat dinyatakan dalam persamaan:

Dari persamaan tersebut di atas, c adalah besaran karakteristik dari zat yang disebut kalor jenis zat. Kalor jenis suatu zat dinyatakan dalam satuan J/kg°C (satuan SI yang sesuai) atau kkal/kg°C.

Untuk air pada suhu 15 °C dan tekanan tetap 1 atm,cair = 1 kkal/kg°C=4,19×1000J/kg°C.

2) Hukum Kekekalan Energi Kalor 

Apabila dua zat atau lebih mempunyai suhu yang berbeda dan terisolasi dalam suatu sistem, maka kalor akan mengalir dari zat yang suhunya lebih tinggi ke zat yang suhunya lebih rendah. Dalam hal ini, kekekalan energi memainkan peranan penting. Sejumlah kalor yang hilang dari zat yang bersuhu tinggi sama dengan kalor yang didapat oleh zat yang suhunya lebih rendah. Hal ini dapat dinyatakan sebagai Hukum Kekekalan Energi Kalor, yang berbunyi:

Kalor yang dilepas = Kalor yang diserap

QL = QS

Persamaan tersebut berlaku pada pertukaran kalor, yang selanjutnya disebut Asas Black. Hal ini sebagai penghargaan bagi seorang ilmuwan dari Inggris bernama Joseph Black (1728 - 1799).

Pertukaran energi kalor merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor. Untuk melakukan pengukuran kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat digunakan kalorimeter. Gambar di samping menunjukkan skema kalorimeter air sederhana. Salah satu kegunaan yang penting dari kalorimeter adalah dalam penentuan kalor jenis suatu 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 suhu akhir campuran tersebut, maka dapat dihitung kalor jenis zat tersebut.

3) Kalor Laten dan Perubahan Wujud Zat

Ketika suatu zat berubah wujud dari padat ke cair, atau dari cair ke gas, sejumlah energi terlibat pada perubahan wujud zat tersebut. Sebagai contoh, pada tekanan tetap 1 atm sebuah balok es (massa 5 kg) pada suhu -40 °C diberi kalor dengan kecepatan tetap sampai semua es berubah menjadi air, kemudian air (wujud cair) dipanaskan sampai suhu 100 °C dan diubah menjadi uap di atas suhu 100 °C.

Gambar di bawah menunjukkan grafik sejumlah kalor yang ditambahkan ke es, suhunya naik dengan kecepatan 2 °C/kkal dari kalor yang ditambahkan, karena ces = 0,50 kkal/kg°C. Ketika suhu 0 °C dicapai ternyata suhu berhenti naik walaupun kalor tetap ditambahkan. Akan tetapi, es secara perlahan-lahan berubah menjadi air dalam keadaan cair tanpa perubahan suhu. Setelah kalor sejumlah 40 kkal telah ditambahkan pada 0 °C, ternyata setengah dari es tetap dan setengahnya telah berubah menjadi air. Kemudian setelah kira-kira 80 kkal (330 J) kalor ditambahkan, semua es telah berubah menjadi air, masih pada suhu 0 °C. Penambahan kalor selanjutnya menyebabkan suhu air naik kembali, dengan kecepatan sebesar 1 °C/kkal. Ketika 100 °C telah dicapai, suhu kembali konstan sementara kalor yang ditambahkan mengubah air (cair) menjadi uap. Kalor sekitar 540 kkal (2.260 kJ) dibutuhkan untuk mengubah 1 kg air menjadi uap seluruhnya. Setelah itu, kurva naik kembali yang menandakan suhu uap naik selama kalor ditambahkan. Sebagai catatan, untuk zat selain air, grafik hubungan suhu sebagai fungsi kalor yang ditambahkan hampir sama dengan air, tetapi suhu titik-lebur dan titik-didih berbeda.

Kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat dari padat menjadi cair disebut kalor lebur (LB). Kalor lebur air dalam SI adalah sebesar 333 kJ/kg, nilai ini setara dengan 79,7 kkal/kg. Sementara itu, kalor yang dibutuhkan untuk mengubah suatu zat dari wujud cair menjadi uap disebut kalor penguapan, dengan simbol LU. Kalor penguapan air dalam satuan SI adalah 2.260 kJ/kg, nilai ini sama dengan 539 kkal/kg. Kalor yang diberikan ke suatu zat untuk peleburan atau penguapan disebut kalor laten.

Kalor yang terlibat dalam perubahan wujud dirumuskan:

 

2.4 Perpindahan kalor

Gambar. Tiga macam cara perpindahan energi kalor

Setelah sekilas memahami adanya sejumlah kalor dapat menyebabkan perubahan wujud atau kenaikan suhu pada suatu benda, serta telah dipelajarinya proses pemuaian sebagai dampak adanya penyerapan kalor pada benda, yang tentunya menuntut pemahaman tentang adanya konsep konversi dari berbagai satuan dari besaran perubahan suhu, maka yang tak kalah pentingnya dari semua itu bahwa kalor sebagai suatu bentuk energi ternyata dapat mengalami perubahan tempat, atau dikatakan bahwa kalor dapat berpindah tempat. (http://www.scribd.com/doc/12599430/Fisika-SMAMASMK-Kelas-x-Bab-7-Kalor-Dan-Perpindahannya)

Kalor dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi atau hantaran, konveksi atau aliran, dan radiasi atau pancaran.

1. Konduksi

 Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel-   partikel zat tersebut.

Berdasarkan daya hantar kalor, benda dibedakan menjadi dua, yaitu:
1) Konduktor
Konduktor adalah zat yang memiliki daya hantar kalor baik. Contoh : besi, baja, tembaga, aluminium, dll
2) Isolator
Isolator adalah zat yang memiliki daya hantar kalor kurang baik. Contoh : kayu, plastik, kertas, kaca, air, dll

Dalam kehidupan sehari-hari, dapat dijumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsep perpindahan kalor secara konduksi, antara lain : setrika listrik, solder. Mengapa alat-alat rumah tangga seperti setrika, solder, panci, wajan terdapat pegangan dari bahan isolator? Hal ini bertujuan untuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita.

2. Konveksi

 Konveksi adalah perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut.

Konveksi terjadi karena perbedaan massa jenis zat. Dapat dijumpai peristiwa konveksi, antara lain:

1) Pada zat cair karena perbedaan massa jenis zat, misal sistem pemanasan air, sistem aliran air panas.
2) Pada zat gas karena perbedaan tekanan udara, misal terjadinya angin darat dan angin laut, sistem ventilasi udara, untuk mendapatkan udara yang lebih dingin dalam ruangan dipasang AC atau kipas angin, dan cerobong asap pabrik.

Angin laut dan angin darat merupakan contoh peristiwa alam yang melibatkan arus konveksi pada zat gas. Bagaimana terjadinya angin laut dan angin darat? perhatikan gambar ini!

Pada siang hari daratan lebih cepat panas dari pada lautan. Hal ini mengakibatkan udara panas di daratan akan naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari permukaan laut, sehingga terjadi gerakan udara dari laut menuju ke darat yang biasa disebut angin laut. Angin laut terjadi pada siang hari, biasa digunakan oleh nelayan tradisional untuk pulang ke daratan. Bagaimanakah angin darat terjadi? Pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada lautan. Hal ini mengakibatkan udara panas di permukaan air laut akan naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari daratan, sehingga terjadi gerakan udara dari darat menuju ke laut yang biasa disebut angin darat. Angin darat terjadi pada malam hari, biasa digunakan oleh nelayan tradisional untuk melaut mencari ikan.

3. Radiasi atau pancaran

Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara. Saat acara api unggun pada kegiatan Pramuka di sekolah, apa yang dapat dirasakan saat berada di sekitar nyala api unggun? Kita akan merasakan hangatnya api unggun dari jarak berjauhan. Bagaimanakah panas api unggun dapat sampai ke badan? Kalor yang diterima dari nyala api unggun disebabkan oleh energi pancaran. Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi kalor atau energi pancaran kalor disebut termoskop. Termoskop terdiri dari dua buah bola kaca yang dihubungkan dengan pipa U berisi air alkohol yang diberi pewarna. Perhatikan gambar!

Salah satu bola lampu dicat hitam(A), sedangkan yang lain dicat putih(B). Apabila pancaran kalor mengenai bola A, hal ini mengakibatkan tekanan gas pada bola A menjadi besar. Hal ini mengakibatkan turunnya permukaan zat cair yang ada di bawahnya. Bagaimanakah sifat radiasi dari berbagai permukaan? Sifat radiasi berbagai permukaan dapat diselidiki dengan menggunakan alat termoskop diferensial. Alat yang digunakan untuk menyelidiki sifat radiasi berbagai permukaan disebut termoskop diferensial. Kedua bola lampu dicat dengan warna yang sama, tetapi di antara bola tersebut diletakkan bejana kubus yang salah satu sisinya permukaannya hitam kusam dan sisi lainnya mengkilap. Jika bejana kubus diisi dengan air panas, akan terlihat permukaan alkohol di bawah bola B turun.  Perbedaan ini disebabkan karena kalor yang diserap bola B lebih besar daripada bola A. Dari hasil pengamatan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa:
1) Permukaan benda hitam, kusam, dan kasar merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik.

2) Permukaan benda putih, mengkilap dan halus merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk