KALOR (2)
A. MANFAAT KALOR
Jika dua buah benda tidak sejenis yang suhunya berbeda dicampur,
maka benda yang bersuhu tinggi akan memberi kalor pada benda yang bersuhu
tinggi. Asas Black dikemukakan oleh seorang ilmuwan Inggris yang bernama Joseph
Black (1720-1799) bahwa “kalor yang diterima sama dengan kalor yang
dilepaskan”., yang dirumuskan :
Q lepas =
Q terima
Q1 = Q2
m1 . c1
. ∆t1 = m2
. c2 . ∆t2
untuk
menentukan suhu campuran, secara umum digunakan rumus :
m1 .
c1 . ∆t1 = m2
. c2 . ∆t2 tc = suhu akhir
campuran
beberapa peralatan yang memanfaatkan prinsip kalor
antaralain :
1.
Alat canting untuk membatik
2.
Alat penyulingan air
Penyulingan dimaksud untuk mendapatkan air murni karena zat-zat
yang terlarut pada air dihilangkan. Cara penyulingan adalah mendidihkan air,
kemudian uap air dialirkan pada pipa-pipa ini melewati pendingin sehingga uap
air mengembun dan ditampung pada wadah tertentu.
3.
Kulkas / lemari es
Kulkas adalah alat yan digunakan untuk menghasilkan ruang
pendingin. Prinsip kerja kulkas adalah dengan mengambil kalor dari dalam kulkas
sehingga menjadi dingin untuk menguapkan zat yang mudah menguap (biasanya
Freon).
B. PEMUAIAN
Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda
karena suhunya dinaikkan. Umumnya suatu zat baik padat, cair dan gas bila
dipanaskan akan memuai, kecuali air. Besarnya pemuaian benda tergantung pada :
·
Ukuran
benda semula
·
Kenaikan
suhu, dan
·
Jenis
benda
Ada 3 macam
pemuaian, yaitu :
1.
Pemuaian
pada zat padat
Zat padat dapat mengalami 3 jenis pemuaian yaitu muai panjang, muai luas
dan muai volum. Pada umumnya zat akan memuai apabila dipanaskan. Contohnya pada
pemasangan rel kreta api dan jendela kaca dibuat renggang.
a. Muai Panjang
Setiap zat padat
mempunyai angka muai yang tidak sama. Angka muai panjang suatu zat padat adalah
bilangan yang menunjukan pertambahan panjang setiap satu satuan panjang zat
padat, jika suhunya dinaikkan sebesar satu derajat Celcius (10C).
Angka muai panjang sering disebut
koefisien muai panjang, yang dinyatakan dengan lambang alpha (α). Pertambahan
panjang (∆l) suatu batang tergantung
pada :
a) Panjang batang
mula – mula (L0)
b) Koefisien muai
panjang (α)
c) Kenaikan suhu
zat (∆t)
Suatu zat padat mempunyai
koefisien muai panjang 0,000011/0C, artinya setiap satu meter zat
padat tersebut jika suhunya dinaikkan 10C, maka akan bertambah
panjang sebesar 0,000011 meter. Besarnya koefisien muai panjang zat padat dapat
ditentukan dengan rumus :
![]() |
=
|
L1 - L0
|
L0 - ∆t
|
||
Dengan keterangan :
L0 =
Panjang zat mula – mula (meter)
L1 =
Panjang zat pada suhu t (meter)
α =
koefisien muai panjang (/0C)
∆t =
Perubahan suhu zat (0C)
Jika suatu zat padat dipanaskan, maka panjang zat
sesudah dipanaskan (Lt) dapat dihitung dengan menggunakan rumus
persamaan :
Lt = L0 (1 + α . ∆t)
a. Muai Luas
Jika suatu benda
berbentuk bidang dinaikkan suhunya, maka sisi bidang tersebut (panjang dan
lebar) akan bertambah panjang. Besarnya pertambahan luas bergantung
kepada :
a) Luas mula – mula
(m2)
b) Kenaikkan suhu
(∆t)
c) Koefisien muai
luas (β) Perubahan luas benda sebagai akibat kenaikan suhu
dapat dirumuskan :
∆A = A0
. β . ∆t
β = 2α luas
bidang setelah suhunya dinaikkan adalah
AT =
A0 + ∆A
AT = A0
+ A0 . β . ∆t
AT = A0
(1 + β . ∆t)
Keterangan :
∆A = pertambahan luas (m2)
AT = luas bidang setelah suhu naik
(m2)
A0 = luas bidang mula – mula (m2)
β = Koefisien muai luas (/0C)
∆t = kenaikan suhu (0C)
b. Muai Volum
Suatu benda yang berbentuk tiga dimensi jika diberi kalor, selain bertambah panjang dan lebar jugaakan bertambah tinggi, sehingga benda tesebut mengalami perubahan volume. Angka muai volum zat adalah bilangan yang menyatakan pertambahan volum suatu zat jika dipanaskan sebesar satu derajat Celcius (10C). Besarnya angka muai volum sama dengan tiga kali besar angka muai panjang. Dinyatakan dengan γ = 3 α. Perubahan volume benda dapat dirumuskan sebagai berikut :
∆V = V0 . γ . ∆t
Volume benda setelah suhu naik menjadi :
VT =
V0 + ∆V
VT = V0
+ V0 . γ . ∆t
VT =
V0 (1 + γ . ∆t)
Dengan
keterangan :
V =
Pertambahan volum (m3)
VT =
Volum bidang setelah suhu naik (m3)
V0 =
Volum benda mula – mula (m3)
γ =
Koefisien muai volume (/0C)
∆t =
kenaikan suhu (0C)
1.
Pemuaian
pada zat cair
Pada zat cair hanya dikenal pemuaian volum, zat cair
akan memuai jika suhu zat cair naik. Pemuaian satu jenis zat cair dengan jenis
yang lain berbeda – beda. Alat yang digunakan untuk memperlihatkan pemuaian zat
cair adalah dilatometer. Besar volum setelah suhu naik adalah sebagai
berikut :
VT = V0
(1 + γ . ∆t)
Pada umumnya, zat cair memuai jika dipanaskan dan menyusut jika
didinginkan. Tetapi hal tersebut tidak berlaku pada air, jika dipanaskan dari 00C
sampai 40C akan menyusut dan jika didinginkan dari 40C
sampai 00C akan memuai. Keanehan itu disebut anomali air (keanehan
pemuaian air). Dari hal itu dapat ditarik simpulan bahwa volume air paling
kecil dan massa jenisair paling besar pada suhu 40C. Grafik anomali
air dapat dilihat pada gambar berikut :
2.
Pemuaian
pada zat gas
Pada gas yang
terjadi juga pemuaian volum, yaitu ketika suhu dinaikkan. Koefisien muai volum
gas adalah pertambahan volum gas pada ruang tutup tiap satuan volum, jika
suhunya naik 1K.
Menurut gay
Lussac (dari Perancis), koefisien muai gas adalah sama yaitu 1 / 2730C atau 0,003663/0C.
Ada 3 besaran yang harus diperhatikan pada pemuaian gas, yaitu tekanan (P),
suhu (T), dan Volum (V).
Pemuaian gas
dapat berlangsung dalam berbagai keadaan yaitu:
1)
Pemuaian
gas pada suhu tetap atau proses isotermis (hukum boyle)
Bila gas dipanaskan pada suhu tetap, maka volum dan
tekanan akan berubah. Hukum Boyle menyatakan bahwa tekan suatu gas pada suhu
konstan berbanding terbalik dengan volumnya, atau hasil kali antara tekanan
dengan volum gas pada suhu tetap adalah konstan. Secara
matematis hukum boyle dapat dirumuskan :
P1 . V1 = P2
. V2
Atau
P . V = Konstan
Bila
gas dipanaskan pada volum tetap, maka suhu dan tekanan akan berubah. Hukum Gay
Lussac menyebutkan bahwa tekanan mutlak suatu gas pada volum konstan berbanding
lurus dengan suhu mutlak gas tersebut.
3)
Pemuaian
gas pada tekanan tetap atau proses isobarik (hukum Charles)
Bila gas dipanaskan pada tekanan tetap, maka suhu
dan volum benda akan berubah. Hukum Charles menyatakan bahwa volum gas pada
tekanan tetap berbanding lurus dengan suhu mutlak gas tersebut.
Berlaku jika V, P maupun T semuanya berubah, yaitu :
5) Hukum Dalton
Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat
berpindah karena adanya perbedaan suhu. Perpindahan kalor terjadi dari benda
yang bersuhu tinggi (panas) ke benda yang bersuhu rendah (dingin), dan dapat
dikatakan bahwa benda yang bersuhu panas memberikan kalor kepada benda yang
dingin. Ada
tiga cara kalor berpindah dari satu tempat ke tempat lain, baik pada benda yang
sama maupun benda yang berbenda, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi..
a.
Perpindahan kalor secara
konduksi (hantaran)
Konduksi atau hantaran adalah
perpindahan kalor yang tidak disertai perpindahan-perpindahan
molekul–molekul benda tersebut karena disebabkan olehtumbukan molekul–molekul
benda tersebut. Hal ini terjadi karena
jarak antar molekul yang sangat berdekatan dengan teratur. Perpindahan
secara konduksi banyak terjadi pada logam.
Sebuah batang logam logam dengan luas penampang A dan panjang
batang l dipanasi salah satu ujungnya
. pada peristiwa tersebut, kalor akan merambat ke ujung yang suhunya lebih rendah.
Laju perpindahan kalor secara konduksi bergantungpada panjang (l), luas
penampang (A), konduktivitas termal(k) atau jenis bahan dan perubahan suhu.Banyak kalor
yangdapat berpindah selama waktu t dapat dituliskan :
H
|
=
|
Q
|
=
|
k
|
A
|
∆t
|
t
|
l
|
|||||
H
|
=
|
k
|
A
|
∆t
|
l
|
Dengan keterangan:
H = Kalor yang merambat persatuanwaktu (J/s atau Watt)
k = Koefisien konduksi termal zat (J/m.s.K atau W/m.K)
A = Luas penampang batang (A)
L = Panjangbatang (m)
Q = banyaknya kalor (Joule)
∆t = Perubahan suhu (K)
T = selang waktu (sekon)
Alat – alat yang berhubungan dengan konduks,antara lain:
·
Alat memasak dibuat dari logam,
tujuannya agar cepat menghantarkan panas
·
Pegangan setrika, panci, solder
dibuat dari bahan kayu, karet atau plastic agar tidak panas, karena bersifat
isolator.
·
Selimut dari kain tebal dapat
membuat badan menjadi hangat, karena bersifat isolator yang menghambat
perpindahan kalor dari tubuh .
a.
Perpindahan kalor secara
konveksi
Konveksi atau aliran adalah
perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan molekul–molekul benda
tersebut. Hal ini disebakan oleh perbedaan massa jenis tersebut. Konveksi dapat
terjadi pada zat cair dan gas.
Ada dua cara perpindahan kalor
melalui aliran (konveksi), yaitu konveksi secara alamiah dan konveksi paksa.
1.
Konveksi alamiah
Pada konveksi alami pergerakan atau
aliran energi kalor terjadi akibat perbedaan massa jenis. Konveksi alamiah
misalnya terjadi pada ventilasi rumah, pemanasan air, terjadinya angin darat
dan angin laut, serta aliran asap dipabrik-pabrik yang menggunakan cerobong
asap.
Pada pemanasan air, massa jenis air
yang dipanasi mengecil sehingga air yang penas naik dan digantikan air yang
massa jenisnya lebih besar. Aliran air ini terjadi secara alami, sehingga
disebut konveksi alamiah.
2.
Konveksi paksa
Pada konveksi paksa, aliran panas
dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu. Misalnya dengan
kipas angin atau blower.
Konveksi paksa banyak digunakan pada sistem pendingin
mesin, misalnya pada mesin mobil,mesin kapal laut, mesin diesel stasioner dan
kipas angin. Jumlah energi kalor persatuan waktu yang diterima oleh fluida
sekitarnya secara konveksi tergantung pada :
1)
Perbedaan suhu kedua permukaan
zat cair (∆T)
2)
Luas permukaan benda yang
bersentuhan dengan fluida.
Q
|
=
|
h . A .
∆T
|
atau
|
H
|
=
|
h . A .
∆T
|
T
|
Dengan keterangan :
H = Jumlah kalor per satuan waktu (J/s)
h = koefisien konveksi termal (J/s . m2
. 0C)
A = Luas
penampang perpindahan kalor (m2)
∆T =
Perbedaan suhu yang dipanasi dengan fluida (0C)
Nilai koefisien konveksi termal (h) bergantung pada
bentuk dan kedudukan air jenis fluida yang bersentuhan dengan permukaan.
a.
Perpindahan kalor secara
radiasi
Radiasi atau pancaran adalah
perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara dalam bentuk gelombang
elektromagnetik. Alat untuk menyelidikai radiasi disebut termoskup.
Permukaan benda yang berwarna hitam
dapat menyerap dan memancarkan energi kalor radiasi dengan baik, sedangkan
permukaan benda berwarna putih menyerap dan memancarkan kalor radiasi dengan
buruk. Penerapan peristiwa radiasi dalam kehidupan sehari – hari misalnya pada
penghangat rumah, pengeringan kopi, pembakaran pada alat pemanggap (oven) dan
efek rumah kaca. Besarnya energi yang
dipancarkan oleh suatu permukaan per waktu per satuan luas sebanding dengan
pangkat empat suhu permukaan, dan dapat ditulis dengan persamaan :
E = e . σ . T4
Dengan keterangan :
E = energi yang dipancarkan atau diserap persatuan luas
(Watt/.m2 )
σ = konstanta umum Stefan Boltzman (5,67.10-8
Watt/ m2)
T = Suhu mutlak (K)
e = emisitivitas permukaan ( 0 ≤ e ≤ 1 )
d. Konduktor dan isolator kalor
1. Konduktor kalor
Konduktor adalah zat atau bahan atau benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik. Yang termasuk bahan konduktor kalor, antara lain :
· Jenis logam (besi , tembaga, alumunium, seng, perak, kuningan, dan sebagainya)
· Jenis non logam ( karbon, larutan elektrolit, larutan asam sulfat, asam cuka dan lain sebagainya)
2. Isolator kalor
Isolator adalah zat atau bahan atau benda yang tidak dapat menghantarkan kalor. Yang termasuk bahan isolator kalor, antara lain :
· Kayu, plastik, kaca, kertas, ebonit dan lain sebagainya.
REFERENSI
Nur Azizah,Siti,dkk.2009.Fokus Fisika Kelas X Semester 2.Solo :
CV. Sindhunata
Rahmini,Sri,dkk.2007.IPA Terpadu 1 Kelas VII. Semarang :
Aneka Ilmu
Ariyanto,Titut.2011. Fokus Kupas Tuntas UN SMA Fisika. Solo :
Sindhunata
Buku catatan pribadi Fisika SMP
Wikipedia.
2014. Rumus Konversi Suhu. http://id.wikipedia.org/wiki/Rumus_konversi_suhu.
diakses tanggal 19 Maret 2014
·
| |