PAPER FISIKA DASAR MODUL 8 KALORIMETER Nama : Nova Nurfauziawati NPM : 240210100003 Tanggal / jam : 2 Desember 2010 / 13.00-15.00 WIB Asisten : Dicky Maulana JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PANGAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN UNIVERSITAS PADJADJARAN JATINANGOR 2010
KALORIMETER Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan melainkan hanya dapat diubah dari satu bentuk kebentuk lain. Di alam ini banyak terdapat energi seperti energi listrik, energi kalor, energi bunyi, namum energi kalor hanya dapat dirasakan seperti panas matahari. Dalam kehidpan sehari-hari kita sering melihat alat-alat pemanas yang menggunakan energi listrik seperti teko pemanas, penanak nasi, kompor listrik ataupun pemanas ruangan. Pada dasarnya alat-alat tersebut memiliki cara kerja yang sama yaitu merubah energi listrik yang mengalir pada kumparan kawat menjadi energi kalor/panas. Dasar Teori Mengenai Kalorimeter Menuturut Robert Mayor kalor merupakan salah satu bentuk energi,hal ini dibuktikan ketika mngguncang guncang botol yang berisikan air setelah diguncangkan naik. Pada tahun 1818-1889 James Joule yang namanya digunakan sebagai satuan SI menentukan bahwa munculnya atau hilangnya sejumlah energi termis diikuti dengan munculnya atau hilangnya energi mekanik yang ekiuvalen, Menurut James Joule kalor adalah salah satu bentuk energi dan dibuktikan melalui percobaan air dalam kalorimeter ternyata kalornya sama dengan usaha yang dilakukan. Satuan kalor yang timbul dinyatakan dalam satuan kalor dan usaha yang dilakukan oleh beban dan dinyatakan dalam satuan joule. Kapasitas Panas dan Kapasitas Jenis Bila energi panas ditambahkan suatu zat maka temperature zat itu biasanya naik, jumlah energi panas Q yang dibutuhkan untuk menaikan temperature suatu zat sebanding dengan perubahan temperatur, sesuai dengan persamaan berikut: Q = C T = mc T dengan C adalah kapasitas panas zat yang didefinisikan sebagai energi panas yang bibutuhkan untuk menaikan temperature suatu zat dengan satu derajat.
dengan C adalah kapasitas panas zat (joule/k), c adalah panas jenis (J/kg ), m adalah massa (kg). Berdasarkan asas black jumlah kalor yang dilepas sama dengan jumlah kalor yang diterima Qterima=Qlepas mc t + H t = mc t mc(t 2 -t 1 ) + H(t 2 -t 1 ) = mc(t 2 -t 1 ) Telah dibuktikan oleh banyak ilmuwan dan eksperimen bahwa ketika 1 kalori kalor dikonversikan ke kerja mekanik atau kerja listrik maka 4,186 Joule kerja akan dihasilkan. 1 cal = 4,18 J Elemen panas dalam sebuah kalorimeter yang dihubungkan dengan sumber daya untuk tenggang waktu tertentu selama itu kerja listrik meningkatkan suhu zat cair. Untuk menghitung energi yang diberikan pada kalorimeter, persamaan daya digunakan: P = W / t atau W = P. t Sedangkan daya listrik dinyatakan P = V. I, maka persamaan di atas yang memberikan konsumsi energi listrik menjadi ( persamaan 1 ): W = V. I. t Di sisi lain, dengan mengukur tegangan yang diberikan V, arus efektif I dan waktu t, energi listrik yang diberikan pada kalorimeter dapat dihitung dengan persamaan di atas. Dengan mengukur suhu awal dan akhir kalorimeter, yaitu air, bejana aluminium dan elemen pemanas, maka energi yang dihasilkan dapat dihitung. Tentu saja kapasitas kalor spesifik air, aluminium serta elemen pemanas harus ditentukan dari literature fisika. Panas yang diserap kalorimeter: Q total = Q air + Q bejana + Q pengaduk + Q elemen Sebagai catatan elemen pemanas sendiri memiliki massa yang kecil dan massa tersebut dapat ditambahkan pada massa kaki logam elemen tersebut. Asumsikan elemen dan kaki logamnya memiliki jenis yang sama (umumnya adalah brass). Q total = Q air + Q bejana + Q pengaduk + Q elemen
Qtotal = mair.cair. T + mal.cal. T + maduk.caduk. T + melemen.celemen. T Atau : ( persamaan 2 ) Qtotal = (mair.cair + mal.cal + maduk.caduk + melemen.celemen ) T Persamaan ini menghitung total panas yang dihasilkan dari kalor sebagai hasil kerja dari listrik dalam elemen pemanas dalam Joule. Kedua nilai dapat dihitung untuk menentukan berapa joule dapat dihasilkan darisuatu kalori atau sebaliknya. Pada percobaan ini berhubungan dengan energi listrik menjadi energi panas energi yang dihasilkan pada satu daya suatu resistor dinyatakan dengan: Kalorimeter Gambar 1. Kalorimeter Energi mekanik akibat gerakan partikel materi dan dapat dipindah dari satu tempat ke tempat lain disebut kalor. (Syukri S, 1999). Pengukuran jumlah kalor reaksi yang diserap atau dilepaskan pada suatu reaksi kimia dengan eksperimen disebut kalorimetri. Sedangkan alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor (nilai kalori) yang dibebaskan adalah kalorimeter. Dengan menggunakan hukum Hess, kalor reaksi suatu reaksi kimia dapat ditentukan berdasarkan data perubahan entalpi pembentukan standar, energi ikatan dan secara eksperimen. Proses dalam kalorimeter berlangsung secara
adiabatik, yaitu tidak ada energi yang lepas atau masuk dari luar ke dalam kalorimeter. (Petrucci,1987). Kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu kalorimeter sebesar 1 0 C pada air dengan massa 1 gram disebut tetapan kalorimetri (Petrucci,1987). Dalam proses ini berlaku azas Black yaitu: q lepas = q terima q air panas = q air dingin + q kalorimeter m 1 c (T p T c ) = m 2 c (T c T d ) + C(T c T d ) keterangan: m 1 = massa air panas m 2 = massa air dingin c = kalor jenis air C = kapasitas kalorimeter T p = suhu air panas Tc = suhu air campuran T d = suhu air dingin Sedang hubungan kuantitatif antara kalor dan bentuk lain energi disebut termodinamika. Termodinamika dapat didefinisikan sebagai cabang kimia yang menangani hubungan kalor, kerja, dan bentuk lain energi dengan kesetimbangan dalam reaksi kimia dan dalam perubahan keadaan (Keenan, 1980). Hukum pertama termodinamika menghubungkan perubahan energi dalam suatu proses termodinamika dengan jumlah kerja yang dilakukan pada sistem dan jumlah kalor yang dipindahkan ke sistem (Petrucci, 1987). Hukum kedua termodinamika yaitu membahas tentang reaksi spontan dan tidak spontan. Proses spontan yaitu reaksi yang berlangsung tanpa pengaruh luar. Sedangakan reaksi tidak spontan tidak terjadi tanpa bantuan luar. Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi dari kristal sempurna murni pada suhu nol mutlak ialah nol. Kristal sempurna murni pada suhu nol mutlak menunjukkan keteraturan tertinggi yang dimungkinkan dalam sistem termodinamika. Jika suhu ditingkatkan sedikit diatas 0 0 K, entropi meningkat. Entropi mutlak selalu mempunyai nilai positif (Petrucci, 1987).
Kalor reaksi dapat diperoleh dari hubungan massa zat (m), kalor jenis zat (c) dan perubahan suhu ( T), yang dinyatakan dengan persamaan berikut q = m. c. T (Petrucci, 1987). Keterangan : q = jumlah kalor (Joule) m = massa zat (gram) Δt = perubahan suhu (t akhir - t awal ) c = kalor jenis Kalorimetri Kalorimetri adalah ilmu dalam pengukuran panas dari reaksi kimia atau perubahan fisik. Kalorimetri termasuk penggunaan kalorimeter. Kata kalorimetri berasal dari bahasa Latin yaitu calor, yang berarti panas. Kalorimetri tidak langsung (indirect calorimetry) menghitung panas pada makhluk hidup yang memproduksi karbondioksida dan buangan nitrogen (ammonia, untuk organisme perairan, urea, untuk organisme darat) atau konsumsi oksigen. Lavosier (1780) mengatakan bahwa produksi panas dapat diperkirakan dari konsumsi oksigen dengan menggunakan regresi acak. Hal itu membenarkan teori energi dinamik. Pengeluaran panas oleh makhluk hidup juga dapat dihitung oleh perhitungan kalorimetri langsung (direct calorymetry), dimana makhluk hidup ditempatkan didalam kalorimeter untuk dilakukan pengukuran. Jika benda atau sistem diisolasi dari alam, maka temperatur harus tetap konstan. Jika energi masuk atau keluar, temperatur akan berubah. Energi akan berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya yang disebut dengan panas dan kalorimetri mengukur perubahan suhu tersebut, bersamaan dengan kapasitas panasnya, untuk menghitung perpindahan panas. Kalorimetri adalah pengukuran panas secara kuantitatif yang masuk selama proses kimia. Kalorimeter adalah alat untuk mengukur panas dari reaksi yang dikeluarkan. Berikut adalah gambar kalorimeter yang kompleks dan yang sederhana. Kalorimetri adalah pengukuran kuantitas perubahan panas. Sebagai contoh, jika energi dari reaksi kimia eksotermal diserap air, perubahan suhu dalam air akan mengukur jumlah panas yang ditambahkan. Kalorimeter digunakan untuk
menghitung energi dari makanan dengan membakar makanan dalam atmosfer dan mengukur jumlah energi yang meningkat dalam suhu kalorimeter. Bahan yang masuk kedalam kalorimetri digambarkan sebagai volume air, sumber panas yang dicirikan sebagai massa air dan wadah atau kalorimeter dengan massanya dan panas spesifik. Keseimbangan panas diasumsikan setelah percobaan perubahan suhu digunakan untuk menghitung energi tercapai. Kapasitas Panas dan Panas Spesifik Sifat-sifat air yang memberikan definisi asal dari kalori adalah banyaknya perubahan temperatur yang dialami air waktu mengambil atau melepaskan sejumlah panas. Istilah umum untuk sifat ini disebut kapasitas panas yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah temperatur suatu benda sebesar 1 0 C. Kapasitas panas bersifat ekstensif yang berarti bahwa jumlahnya tergantung dari besar sampel. Misalnya untuk menaikkan suhu 1 g air sebesar 1 0 C diperlukan 4,18 J (1 kal), tapi untuk menaikkan suhu 100 g air sebesar 1 0 C diperlukan energi 100 kali lebih banyak yaitu 418 J. Sehingga 1 g sampel mempunyai kapasitas panas sebesar 4,18 J/ 0 C sedangkan 100 g sampel 418J/ 0 C. Sifat intensif berhubungan dengan kapasitas panas adalah kalor jenis (panas spesifik) yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g zat sebesar 1 0 C. Untuk air, panas spesifiknya adalah 4,18 J/gC. Kebanyakan zat mempunyai panas spesifik yang lebih kecil dari air. Misalnya besi, panas spesifiknya hanya 0,452 J g -1 0 C -1. Berarti lebih sedikit panas diperlukan untuk memanaskan besi 1 g sebesar 1 0 C daripada air atau juga dapat diartikan bahwa jumlah panas yang akan menaikkan suhu 1 g besi lebih besar dari pada menaikkan suhu 1 g air. Besarnya panas spesifik untuk air disebabkan karena adanya sedikit pengaruh dari laut terhadap cuaca. Pada musim dingin air laut lebih lambat menjadi dingin dari daratan sehingga udara yang bergerak dari laut ke darat lebih panas daripada udara dari darat ke laut. Demikian juga dalam musim panas, air laut lebih lambat menjadi panas daripada daratan.
Jenis Kalorimeter Berdasarkan jenisnya, kalorimeter dibedakan menjadi: 1. Kalorimeter bom Kalorimeter bom adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor (nilai kalori) yang dibebaskan pada pembakaran sempurna (dalam O 2 berlebih) suatu senyawa, bahan makanan, bahan bakar. Sejumlah sampel ditempatkan pada tabung beroksigen yang tercelup dalam medium penyerap kalor (kalorimeter), dan sampel akan terbakar oleh api listrik dari kawat logam terpasang dalam tabung. Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka : q reaksi = (q air + q bom ) Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus : q air = m x c x DT dengan : m = massa air dalam kalorimeter ( g ) c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g. o C ) atau ( J / g. K ) DT = perubahan suhu ( o C atau K ) Jumlah kalor yang diserap oleh bom dapat dihitung dengan rumus : q bom = C bom x DT dengan : C bom = kapasitas kalor bom ( J / o C ) atau ( J / K ) DT = perubahan suhu ( o C atau K ) Reaksi yang berlangsung pada kalorimeter bom berlangsung pada volume tetap ( DV = nol ). Oleh karena itu, perubahan kalor yang terjadi di dalam sistem sama dengan perubahan energi dalamnya. DE = q + w dimana w = - P. DV ( jika DV = nol maka w = nol ) Maka: DE = q v
Contoh kalorimeter bom adalah kalorimeter makanan. Gambar 2. Kalorimeter makanan. Contoh soal : Suatu kalorimeter bom berisi 250 ml air yang suhunya 25 o C, kemudian dibakar 200 mg gas metana. Suhu tertinggi yang dicapai air dalam kalorimeter = 35 o C. Jika kapasitas kalor kalorimeter = 75 J / o C dan kalor jenis air = 4,2 J / g. o C, berapakah DHc gas metana? Jawaban : q air = m x c x DT = ( 250 ) x ( 4,2 ) x ( 35 25 ) = 10.500 J q bom = C bom x DT = ( 75 ) x ( 35 25 ) = 750 J q reaksi = (q air + q bom ) q reaksi = - ( 10.500 J + 750 J ) = - 11.250 J = 11,25 kj 200 mg CH 4 = 0,2 g CH 4 = ( 0,2 / 16 ) mol = 0,0125 mol DHc CH 4 = ( 11,25 kj / 0,0125 mol ) = - 900 kj / mol ( reaksi eksoterm )
2. Kalorimeter larutan Kalorimeter larutan adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat pada reaksi kimia dalam sistem larutan misalnya reaksi netralisasi asam basa / netralisasi, pelarutan dan pengendapan. Pada dasarnya, kalor yang dibebaskan/diserap menyebabkan perubahan suhu pada kalorimeter. Berdasarkan perubahan suhu per kuantitas pereaksi kemudian dihitung kalor reaksi dari reaksi sistem larutan tersebut. Kini kalorimeter larutan dengan ketelitian cukup tinggi dapat diperoleh dipasaran. Pada kalorimeter ini, kalor reaksi sama dengan jumlah kalor yang diserap / dilepaskan larutan sedangkan kalor yang diserap oleh gelas dan lingkungan; diabaikan. q reaksi = (q larutan + q kalorimeter ) q kalorimeter = C kalorimeter x DT dengan : C kalorimeter = kapasitas kalor kalorimeter ( J / o C ) atau ( J / K ) DT = perubahan suhu ( o C atau K ) Jika harga kapasitas kalor kalorimeter sangat kecil maka dapat diabaikan sehingga perubahan kalor dapat dianggap hanya berakibat pada kenaikan suhu larutan dalam kalorimeter. q reaksi = q larutan q larutan = m x c x DT dengan : m = massa larutan dalam kalorimeter ( g ) c = kalor jenis larutan dalam kalorimeter (J / g. o C ) atau ( J / g. K ) DT = perubahan suhu ( o C atau K ) Pada kalorimeter ini, reaksi berlangsung pada tekanan tetap (DP = nol ) sehingga perubahan kalor yang terjadi dalam sistem sama dengan perubahan entalpinya. DH = q p
Contoh soal : Sebanyak 50 ml ( = 50 gram ) larutan HCl 1 M bersuhu 27 o C dicampur dengan 50 ml ( = 50 gram ) larutan NaOH 1 M bersuhu 27 o C dalam suatu kalorimeter gelas stirofoam. Suhu campuran naik sampai 33,5 o C. Jika kalor jenis larutan = kalor jenis air = 4,18 J / g.k. Tentukan perubahan entalpinya! Jawaban : q larutan = m x c x DT = ( 100 ) x ( 4,18 ) x ( 33,5 27 ) = 2.717 J Karena kalor kalorimeter diabaikan maka : q reaksi = q larutan = - 2.717 J Jumlah mol ( n ) HCl = 0,05 L x 1 mol / L = 0,05 mol Jumlah mol ( n ) NaOH = 0,05 L x 1 mol / L = 0,05 mol Oleh karena perbandingan jumlah mol pereaksi = perbandingan koefisien reaksinya maka campuran tersebut adalah ekivalen. DH harus disesuaikan dengan stoikiometri reaksinya, sehingga : q (1 mol HCl + 1 mol NaOH ) = ( 1 / 0,05 ) x ( 2.717 J ) 54.340 J = 54,34 kj Jadi DH reaksi = q reaksi = 54,34 kj
DAFTAR PUSTAKA Keenan, 1980, Kimia untuk Universitas Jilid 1, Erlangga, Jakarta. Petrucci, Ralph. H, 1987, Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern Jilid 2 Edisi 4, Erlangga, Jakarta. Syukri, S, 1999, Kimia Dasar 1, ITB, Bandung. http://www.mahasiswasibuk.co.cc/1_11_kalorimeter.html Sabtu, 27 November 2010. 21:06 WIB