MATERI POKOK 1. Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor. Kalorimeter 3. Kalor Serap dan Kalor Lepas 4. Asas Black TUJUAN PEMBELAJARAN 1. Memformulasikan konsep kalor jenis dan kapasitas kalor. Mendeskripsikan perbedaan kalor yang diserap dan kalor yang dilepas. 3. Memformulasikan konsep asas Black dalam peristiwa pertukaran kalor. KATA KUNCI 1. Asas Black. Kalor 3. Kalorimeter 4. Kalor Jenis 5. Kalor Lepas 6. Kalor Serap 7. Kapasitas Kalor 8. Kesetaraan Energi Mekanik PENGANTAR Apa kalian suka memasak? Kalau tidak suka memasak, paling tidak Anda pernah memasak air. Sekarang, dengan perkembangan teknologi yang semakin pesat, kita sudah dapat memasak air tanpa menggunakan kayu bakar, tetapi hanya menggunakan dispenser ataupun pemasak air elektrik. Tahukah Anda perubahan energi yang terjadi pada saat memasak air? Pertanyaan di atas akan dijawab di dalam materi ini. Materi ini akan membahas tentang kalor jenis, kapasitas kalor, kalor serap, kalor lepas serta konsep asas Black dalam peristiwa pertukaran kalor.
MATERI KALOR JENIS DAN KAPASITAS KALOR 1. Kalor Jenis Kalor yang diberikan pada suatu zat dapat meningkatkan suhu, mengubah ukuran atau pun wujud zat. Ketika kalor diberikan pada benda secara terus menerus, maka benda tersebut akan mengalami peningkatan suhu. Jika suhu suatu benda dinaikkan dengan besar kenaikan suhu yang sama, maka setiap benda akan menyerap energi kalor dengan besar yang berbeda, bergantung pada jenis benda tersebut. Misalnya, terdapat empat buah bola masing-masing terbuat dari aluminium, besi, kuningan, dan timah. Keempat bola ini memiliki massa sama dan ditempatkan di dalan satu tempat yang berisi air mendidih. Setelah 30 menit, keempat bola akan mencapai kestimbangan termal dengan air dan akan memiliki suhu yang sama dengan suhu air. Ternyata, suhu keempat bola tersebut berbeda, bergantung pada jenis bendanya. Bola yang menyerap kalor paling besar secara berturut-tuturut adalah bola aluminium, bola besi, bola kuningan dan bola timah. Kemampuan yang dimiliki benda untuk menyerap kalor disebut dengan kalor jenis. Berdasarkan hasil percobaan, massa suatu zat berbading lurus dengan kalor yang diperlukan oleh zat tersebut untuk merubah suhunya. Artinya, semakin besar massa suatu zat, maka kalor yang dibutuhkan untuk mengubah suhu, ukuran, atau pun wujudnya juga semakin besar. Secara matematis dapat dituliskan: Q m ---(5.1) Kalor yang diberikan pada benda juga sebanding dengan perubahan suhunya. Semakin lama kalor tersebut diberikan pada benda, maka suhunya pun akan semakin meningkat. Secara matematis, dapat dituliskan hubungannya sebagai berikut. Q T ---(5.) Kedua persamaan di atas dapat digabungkan menjadi: Q m T ---(5.3)
Kesebandingan ketiga besaran fisika di atas dapat ditulis dalam suatu bentuk persamaan matematis dengan menambahkan suatu konstanta. Dengan demikian, persamaan (5.3) dapat ditulis menjadi: Q mc T ---(5.4) c pada persamaan di atas merupakan suatu konstanta yang disebut kalor jenis. Kalor jenis suatu zat ialah banyaknya kalor yang diterima/ dilepas untuk menaikkan/ menurunkan suhu 1 satuan massa zat sebesar 1 C derajat atau 1 K. Untuk menentukan kalor jenis suatu zat, maka persamaan (5.4) juga dapat ditulis menjadi: Q c ---(5.5) m T Contoh soal 5.1. Sebuah wadah berisi air sebanyak 1 kg dipanaskan hingga suhunya naik menjadi 47 0 C. Jika suhu air sebelum dipanaskan adalah 7 0 C, berapakah kalor yang diterima? Penyelesaian: m = 1 kg Takhir = 47 0 C Tawal = 7 0 C C = 1 kal/gr 0 C = 1 kkal/ kg 0 C T = Takhir Tawal = 47 0 C 7 0 C = 0 0 C 0 0 Q m c T 1kg x 1kkal/kg C x 0 C = 0 kkal.. Kapasitas Kalor Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu yang sama dari suatu benda berbeda jika dibandingkan dengan benda lain. Perbandingan antara jumlah kalor yang diberikan dengan kenaikan suhu suatu benda disebut dengan kapasitas kalor dan diberi simbol C. Kapasitas kalor zat didefinisikan sebagai perbandingan antara kalor yang diberikan pada zat dengan kenaikan suhu zat yang diakibatkan oleh pemberian kalor tersebut. Secara matematis, kapasitas kalor suatu zat dapat ditentukan dengan persamaan berikut.
Q C ---(5.6) T Keterangan: C = kapasitas kalor (J) Q = kalor yang diberikan pada zat (J/ 0 C) T = perubahan suhu zat ( 0 C) TABEL 5.1. KALOR JENIS BEBERAPA ZAT PADA SUHU 5 0 C DAN TEKANAN ATMOSFIR Zat Kalor Jenis J/ kg. 0 C kal/ g. 0 C Zat Pada Elementer Aluminium 900 0,15 Beriluim 1.830 0,436 Kadmium 30 0,055 Tembaga 387 0,094 Germanium 3 0,077 Emas 19 0,0308 Besi 448 0,107 Timah 18 0,0305 Silikon 703 0,168 Silver 34 0,056 Zat Padat Lain Kuningan 380 0,09 Kaca 837 0,00 Es (-5 0 C).090 0,58 Marmer 860 0,1 Kayu 1.700 0,41 Zat Cair Alkohol (etil).400 0,58 Air raksa 140 0,033 Air (15 0 C) 4.186 1,00 Gas Uap.010 0,48 Sumber: Halliday (010) Jika diuraikan, persamaan di atas dapat digunakan untuk menghitung besarnya kalor suatu zat yaitu: Q C. T ---(5.7)
Contoh Soal 5.. Sebuah wadah berisi air bermassa 100 g. Air tersebut memiliki suhu 5 0 C dipanaskan dengan energi sebesar 1.000 kal. Jika kalor jenis air 1 kal/ g 0 C, tentukanlah suhu air setelah pemanasan tersebut! Penyelsaian: Diketahui: m = 100 g T0 = 5 0 C cair = 1 kal/ g 0 C Q = 1.000 kal Ditanyakan: Q =...? Penyelesaian: Q C T Q 1000 kal 0 T 10 C 0 C 100 g 1 kal / g C Perubahan suhu memiliki arti selisih antara suhu akhir air setelah pemanasab terhadap suhu awal, atau secara matematis dituliskan sebagai berikut. T T T 0 0 10 C T 5 C 0 T 35 C Jadi, suhu akhir air 0 35 0 C. Contoh Soal 5.3. Air sebanyak 3 kg bersuhu 10 0 C dipanaskan hingga 35 0 C. Jika kalor jenis air 4,186 J/kg 0 C, tentukan kalor yang diserap air tersebut! Penyelesaian: Diketahui: m = 3 kg cair = 4,186 J/ kg 0 C 0 0 T 35 C 10 C T0 = 5 0 C Ditanyakan: Q =...? Penyelesaian: C mc T C 3 4,186 5 C 313,950 J
KALORIMETER Kalorimeter adalah wadah yang digunakan untuk mencampur dua zat atau lebih. Pencampuan ini menghasilkan reaksi yang berlangsung pada keadaaan yang mendekati keadaan ideal, yaitu keadaan yang tidak memungkinkan zat lain (atau lingkungan) berinteraksi ke dalam sistem pencampuran tersebut sehingga menjamin pertukaran kalor mendekati sempurna. Di dalam kalorimeter, hampir seluruh kalor yang dilepas bisa diserap oleh benda lain. Kemampuan kalorimeter menjaga pertukaran kalor membuat alat ini digunakan untuk mengukur jumlah kalor reaksi yang diserap atau dilepaskan pada suatu reaksi kimia dengan eksperimen. 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. Kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu kalorimeter sebesar 1 0 C pada air dengan massa 1 gram disebut tetapan kalorimetri. Dalam proses ini, berlaku azas Black dalam perhitungan jumlah kalor yang diserap dan dilepaskan. Untuk menjamin kondisi ideal, di mana lingkungan (udara) tidak berinteraksi ke dalam sistem diperlukan suatu isolator suhu supaya kalor sistem tidak keluar, demikian juga kalor yang mungkin ada di luar sistem tidak masuk ke dalam. Selain itu, suhu yang ada di dalam sistem harus bisa teramati dengan baik. Untuk keperluan inilah kalorimeter dirancang dengan baik. Gambar di bawah ini menunjukan skema perangkat Kalorimeter.
Gambar 5.1. Bagian-bagian Kalorimeter Perhatikan gambar kalorimeter di atas. Setiap bagian pada kalorimeter di atas memiliki fungsinya masung-masing. Berikut ini adalah penjelasan mengenai bagian-bagian kalorimeter. 1. Isolator berbentuk silinder yang biasanya terbuat dari logam berfungsi supaya udara luar tidak mempengaruhi campuran zat (sistem) dalam ruang pencampuran, sehingga kalor di dalam sistem dapat dianggap konstan.. Gabus isolator dan penutup plastik digunakan agar dalam waktu yang relatif singkat tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem (wadah/ ruang pencampuran). 3. Termometer digunakan untuk mengamati perubahan suhu selama proses serahterima kalor antarzat berlangsung dalam ruang/ wadah pencampuran. 4. Pengaduk berfungsi untuk meratakan campuran. 5. Bejana yang terbuat dari logam tipis berfungsi untuk meletakkan kalorimeternya.
ASAS BLACK Kalor yang diserap oleh suatu benda dapat digunakan untuk dua kemungkinan, yaitu untuk menaikkan suhu atau mengubah wujud benda. Sebagai contoh, ketika es mencair, maka saat itu beda berubah wujud, tetapi suhu benda tidak berubah meskipun ada penambahan kalor. Kalor yang diberikan pada es tersebut tidak digunakan untuk menaikkan suhu benda, tetapi digunakan untuk mengubah wujud benda. Joseph Black menjelaskan tentang hukum kekekalan energi pada kalor. Hukum kekekalan energi menyebutkan bahwa jumlah energi selalu konstan. Jika terjadi penerimaan energi pada suatu sistem tertentu maka pada sistem yang lain akan mengalami pelepasan energi. Hal ini juga terjadi pada kalor. Sebagaimana telah diuraikan di depan, kalor mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah. Artinya, zat yang suhunya tinggi akan melepaskan kalor dan zat yang suhunya rendah akan menerima kalor. Menurut asas Black, pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas oleh zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diserap oleh zat yang suhunya lebih rendah. Secara matematis, dapat dituliskan: QLepas Q Terima ---(5.8) Keterangan: Q kalor Q Lepas Terima kalor yang yang dilepas oleh zat diterima / diserap bersuhu oleh zat tinggi bersuhu rendah Jadi, apabila dua zat yang berbeda suhunya dicampur kedua zat itu akhirnya akan memiliki suhu yang sama. Persamaan (5.8) di atas juga dapat dijabarkan sebagai berikut: m c T T m c T ---(5.9) 1 1 1 a a T
Keterangan: m1 = massa benda yang mempunyai tingkat suhu lebih tinggi c1 = kalor jenis benda yang mempunyai tingkat suhu lebih tinggi T1 = suhu benda yang mempunyai tingkat suhu lebih tinggi m1 = suhu akhir pencampuran kedua benda m = massa benda yang mempunyai tingkat suhu lebih rendah c = kalor jenis benda yang mempunyai tingkat suhu lebih rendah T = suhu benda yang mempunyai tingkat suhu lebih tinggi Perlu diketahui bahwa pencampuran antara dua zat sebenarnya terdapat kalor yang hilang ke lingkungan. Persamaan di atas hanya berlaku untuk dua jenis zat cair dan wadah yang dianggap tidak menyerap kalor. Contoh Soal 5.4. Sejumlah air panas bersuhu 100 o C ditambahkan 300 g air bersuhu 0 o C. Apabila suhu campuran 40 o C, berapakah massa air panas yang ditambahkan? Penjelasan: m m c T m c 1 300 1 1 Tf T1 m T Tf 40 0 m 100 40 1.000 60 m m 1 00 g T Contoh Soal 5.5. Sepotong logam aluminium yang massanya 0,5 kg dipanaskan sampai 100 o C, kemudian dimasukkan ke dalam bejana yang berisi 0, kg air dengan suhu 5 o C. Apabila pertukaran kalor hanya terjadi antara aluminium dan air, berapakah suhu akhir yang dapat dicapai? Diketahui, kalor jenis aluminium 900 J/kg o C dan kalor jenis air 4.00 J/kg o C. Penyelesaian Karena suhu aluminium lebih tinggi daripada suhu air, sehingga ketika keduanya dicampur aluminium akan melepaskan kalor dan air akan menerima kalor. Misalnya, suhu akhir yang dapat dicapai adalah T o C. Dengan demikian, suhu aluminium turun dari 100 o C menjadi T o C. Sebaliknya, suhu air naik dari 5 o C menjadi T o C.
Aluminium m1 = 0,5 kg c1 = 900 J/kg o C T1 = (100 t) o C Aluminium melepaskan kalor : Q m c T Air lepas 1 1 o o (0,5 kg) (900 J/kg C) (100 T) C 5(100 T) J. m = 0, kg c = 4.00 J/kg o C t = (t 5) o C Air menerima kalor: Q m c T terima 840(t 5) J. Berdasarkan Asas Black Q 1 o o (0, kg) (4.00 J/kg C) (t 5) C Lepas Q Terima 5(100 T) 840(T 5).500 5T 840T 1.000 5T 840T 1.000.500 1.065T 43.500 43.500 o T 40,8 C. 1.065 Jadi, suhu akhir yang dapat dicapai adalah 40,8 o C. RANGKUMAN 1. Kalor jenis suatu zat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Q m.c. T. Kapasitas kalor suatu zat dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Q C. T 3. Asas Black menyatakan bahwa jumlah kalor yang diserap oleh suatu zat dalam suatu campuran sama dengan kalor yang dilepaskan oleh zat lain. Secara matematis, Asas Black dapat dituliskan Q Q. Lepas Terima
SOAL-SOAL PILIHAN GANDA 1. Zat yang memiliki kalor jenis paling tinggi adalah A. Aluminium B. Udara C. Alkohol D. Air E. Minyak. Dua batang logam P dan Q disambungkan dengan suhu ujung-ujung berbeda (lihat gambar). Apabila koefisien kondutivitas Q, kali logam P, serta AC = CB, maka suhu di C adalah... A. 35 C B. 40 C C. 54 C D. 70 C E. 80 C 3. Sepotong besi bermassa m dan kalor jenis c serta sepotong aluminium bermassa m dan kalor jenis c masing-masing diberi kalor yang sama. Jika aluminium mengalami kenaikan suhu 8 K, maka besi mengalami kenaikan suhu... A. 4 K B. 16 K C. 8 K D. 3 K E. 64 K
4. Batang aluminium dipanaskan hingga suhunya mencapai 300 K. Jika suhu awal benda sebelum dipanaskan 15 0 C, perubahan suhu yang terjadi pada batang aluminium sebesar... A. 10 0 C B. 11 0 C C. 1 0 C D. 13 0 C E. 14 0 C 5. Sejumlah air panas bersuhu 100 o C ditambahkan 300 g air bersuhu 0 o C. Apabila suhu campuran 40 o C, massa air panas yang ditambahkan adalah. A. 00 g B. 10 g C. 180 g D. 75 g E. 70 g 6. Air bersuhu 80 0 C dicampur dengan air bersuhu 60 0 C yang massanya setengah dari air yang bersuhu 80 0 C. Suhu kesetimbangan campuran tersebut adalah... A. 30 0 C B. 40 0 C C. 50 0 C D. 60 0 C E. 70 0 C 7. Batang aluminium dipanaskan hingga suhunya mencapai 300 K. Jika suhu awal benda sebelum dipanaskan 15 0 C, perubahan suhu yang terjadi pada batang aluminium sebesar... A. 10 0 C B. 11 0 C C. 1 0 C D. 13 0 C E. 14 0 C
8. Air dengan massa 10 kg dan suhunya 90 o C dicampur dengan 5 kg air yang suhunya 30 o C. Suhu akhir campurannya adalah... A. 40 0 C B. 60 0 C C. 50 0 C D. 70 0 C E. 80 0 C 9. liter air yang bersuhu 60 0 C yang sama volumenya dengan suhu 30 0 C. Suhu akhir campuran tersebut adalah... A. 90 0 C B. 60 0 C C. 45 0 C D. 30 0 C E. 15 0 C 10. Jika 75 g air yang suhunya 0 0 C dicampur dengan 50 g air yang suhunya 100 0 C, maka suhu akhir campuran itu adalah A. 5 0 C B. 40 0 C C. 60 0 C D. 65 0 C E. 75 0 C ESSAI 1. Pada sebuah pesta, potongan es 0,50 kg pada -10 0 C dimasukkan dalam 3,0 kg es teh pada 0 0 C. Berapa suhu akhir dan fase campuran terakhir? Teh dapat dianggap air.. Perhatikan gambar di bawah ini! A B
Terdapat dua buah wadah A dan wadah B yang berisi zat cair. Suhu zat cair dalam wadah B lebih tinggi dibandingkan suhu zat cair dalam wadah A. Ketika kedua zat cair itu dicampurkan, zat cair manakah yang akan melepaskan kalor? Dan zat cair manakah yang menerima kalor? Gunakan azas Black untuk menjelaskan peristiwa tersebut! 3. Sebuah batangan perak bermassa 500 g. Perak tersebut memiliki suhu 100 0 C. Perak tersebut diletakkan di dalam wadah yang berisi es bersuhu 0 0 C. Berapakah suhu akhir campuran jika kalor jenis perak adalah 0,06 kal/ g 0 C? 4. Pernahkah kamu membuat air panas dengan menggunakan dispenser? Prinsip Asas Black juga dipakai dalam pembuatan air panas oleh dispenser. Jelaskan proses pemanasan air tersebut dengan menggunakan prinsip Asas Black! 5. Untuk mendinginkan secangkir minuman panas, akan lebih efektif dengan menambahkan es bersuhu 0 o C dibandingkan dengan cara menambahkan air bersuhu 0 o C dengan massa yang sama. Mengapa? DAFTAR PUSTAKA Giancoli, Douglas C. 001. Fisika Edisi Ke lima Jilid 1, Terjemahan. Jakarta: Erlangga. Halliday, dkk. 010. Fisika Dasar Jilid 7 Edisi ke 1, Terjemahan. Jakarta: Erlangga. Sears, F. W. dan Zemansky, M.W. 001. Fisika universitas jilid 1. Jakarta : Erlangga. Serway, A. Raymond dan John W. Jewett. 009. Fisika untuk sains dan teknik. Jakarta: Penerbit Salemba Teknika. Tipler, Paul A. 001. Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid (Terjemahan Dr. Bambang Soegijono). Jakarta: Erlangga. Young, Hugh D. dan Roger A. Freedman. 00. Fisika Universitas, Terjemahan. Erlangga : Jakarta.