Kalor (2)

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 :

α	=	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 (L_t) 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  

A_T = A₀ + ∆A

A_T = A₀ + A₀ . β . ∆t

A_T = A₀ (1 + β . ∆t)

Keterangan :

∆A       = pertambahan luas (m²)

A_T          = 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 :

V_T = V₀ + ∆V

V_T = V₀ + V₀ . γ . ∆t

V_T = V₀ (1 + γ . ∆t)

Dengan keterangan :

V         = Pertambahan volum (m³)

V_T        = 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 :

V_T = 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

2) Pemuaian gas pada volum tetap atau proses isokhorik (hukum Gay – Lussac)

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.

4)      Persamaan gas ideal (hukum Boyle – Gay Lussac)
Berlaku jika V, P maupun T semuanya berubah, yaitu :

5)      Hukum Dalton

Sejumlah gas ideal dengan volume dan tekanan parsial dicampur, maka besar tekanan campuran :

C. PERPINDAHAN KALOR

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.

Secara matematis jumlah energi kalor per satuan waktu dapat dirumuskan :

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

	·