KALOR Dosen : Syafa at Ariful Huda, M.Pd MAKALAH Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat pemenuhan nilai tugas OLEH : MARDIANA 20148300573 LADAYNA TAWALANI M.K. 20148300575 Program Studi Pendidikan Matematika Sekolah Tinggi Keguruan dan Ilmu Pendidikan KUSUMA NEGARA Bintara 2014/2015
1. Konsep Kalor A. Pengertian 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 adalah kalor yang dibutuhkan (J) m adalah massa benda (kg) c adalah kalor jenis (J/kgC) (t2-t1) adalah perubahan suhu (C) Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis : 1. Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu 2. 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. 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).
B. Hubungan antara kalor dengan energi listrik Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik. Dalam pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll. Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan. W = Q berikut : Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai W = P.t Keterangan : W adalah energi listrik (J) P adalah daya listrik (W) t adalah waktu yang diperlukan (s) Bila rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.c.(t2 t1) maka diperoleh persamaan ; P.t = m.c.(t2 t1) Yang perlu diperhatikan adalah rumus Q disini dapat berubah-ubah sesuai dengan soal.
C. 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). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan. 2. Kuantitas Kalor Satuan kalor Q biasanya didefinisikan secara kuantitati dalam perubahan tertentu yang dihasilkan di dalam sebuah benda selama proses tertentu. Jadi, jika temperatur dari 1 kilogram air dinaikkan dar 14,5 sampai 15,5 o Celcius dengan memanaskan air tersebut, maka kita katakan bahwa 1 kilokalori (Kcal) kalor telah ditambahkan pada sistem tersebut. Kalori (10-3 Kcal) digunakan juga sebagai satuan kalor. (Sambil lalu perlu kita ketahui, bahwa kalori yang digunakan untuk mengukur kandungan tenaga dari bahan makanan adalah sesungguhnya satu kilokalori). Didalam sistem tehnik maka satuan kalor adalah satuan termal Inggris (British Thermal Unit) (BTU), yang didefinisikan sebaga kalor yang perlu untuk menaikkan temperatur satu pon air dari 63 ke 64 o F.
Temperatur-temperatur referensi dinyatakan karena, didekat temperatur kamar, terdapat sedikit variasi kalor yang diperlukan untuk kenaikan satu derajat dengan interval temperatur yang dipilih. Kita akan mengabaikan variasi ini untuk kebanyakan tujuan praktis. Satuan-satuan kalor dihubungkan sebagai berikut : 1,000 Kcal = 1000 Cal = 3,968 BTU Zat-zat berbeda terhadap satu sama lain didalam kuantitas kalor yang diperlukan untuk menghasilkan suatu kenaikan temperatur yang di berikan didalam sebuah massa yang diberikan. Perbandingan banyaknya tenaga kalor Q yang dibekalkan kepada sebuah benda untuk menaikkan temperaturnya sebanyak T dinamakan kapasitas kalor C (heat capacity C) dari benda tersebut, yakni : C = Kapasitas Kalor = Perkataan kapasitas dapat memberikan pengertian yang menyesatkan (mis leading) karena perkataan tersebut menyar ankan pernyataan banyaknya kalor yang dapat di pegang oleh sebuah benda yang merupakan pernnyataan yang pada pokoknya tidak berarti, sedangkan yang diartikan sebenarnya dengan perkataan tersebut hanyalah tenaga yang harus ditambahkan sebagai kalor untuk menaikkan temperatur benda sebanyak satu derajat. Kapasitas kalor per satuan massa sebuah benda, yang dinamakan kalor jenis (specific heat), adalah ciri (karakteristik) dari bahan yang membentuk benda tersebut : C = = 3. Kalor Jenis Kalor jenis (c) adalah banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Rumus kalor jenis : =
Satuan Internasional kalor jenis adalah J/Kg K. Kalor jenis benda berubah terhadap suhu. Jika perubahan suhu tidak terlalu besar maka kalor jenis dapat dianggap tetap. Berikut ini kalor jenis beberapa benda pada tekanan 1 atm dan suhu 20 o C (diperoleh melalui percobaan). Kalor jenis suatu benda menyatakan kemampuan suatu benda untuk menyerap kalor atau melepaskan kalor. Semakin besar kalor jenis suatu benda, semakin kecil kemampuan benda tersebut menyerap atau melepaskan kalor. Semakin kecil kalor jenis benda, semakin baik kemampuan benda tersebut menyerap atau melepaskan kalor. Emas mempunyai kalor jenis lebih kecil sehingga emas lebih cepat menyerap atau melepaskan kalor. Sebaliknya air mempunyai kalor jenis besar sehingga air lebih lambat menyerap atau melepaskan kalor. Tidak semua materi mempunyai kemampuan yang sama dalam menyerap kalor. Hal ini terjadi karena setiap zat mempunyai kalor jenis yang berbeda. Bandingkan air, besi, dan raksa! Jika air, besi, dan raksa mempunyai massa dan suhu awal yang sama, kemudian diberi kalor hingga mengalami kenaikan suhu yang sama juga, setiap zat akan menyerap jumlah kalor yang berbeda, bergantung pada jenis zat.
Untuk setiap kenaikan suhu air 1 0 C dari air bermassa 1 gram diperlukan kalor sebesar 1 kalor jenis air adalah 1 kal/(g 0 C). Sebenarnya, satuan kalor disesuaikan dengan sifat air. Dapat dikatakan satuan kalori ditetapkan oleh sifat air, jumlah kalor yang diperlukan 1 gram air untuk naik 1 0 C. Untuk setiap kenaikan suhu besi 1 0 C diperlukan kalor sebesar 0,11 kalori karena kalor jenisnya 0,11 kal/(g 0 C). Untuk setiap kenaikan suhu raksa 1 0 C diperlukan kalor sebesar 0,033 kalori karena kalor jenisnya adalah 0,033 kal/(g 0 C). Dengan demikian kalor jenis menggambar kemampuan suatu zat untuk menyerap kalor. Dari uraian tersebut dapat disimpulkan bahwa kalor jenis adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu setiap 1 kilogram zat dan setiap 1 0 C. Zat yang memiliki kalor jenis terbesar tentunya akan membutuhkan kalor yang lebih banyak untuk menaikkan suhunya. Air banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari karena memiliki kalor jenis yang besar. Sebagai contoh, pada siang hari kita akan merasa segar jika minum air dingin. Hal ini disebabkan kalor jenis air lebih besar daripada kalor jenis udara. Air tidak mudah naik suhunya walaupun suhu udara cukup tinggi. Selain itu, air dapat pula digunakan sebagai pendingin mesin mobil karena kenaikan suhu air lebih lambat dibandingkan suhu mesil mobil. Hal ini disebabkan kalor jenis air lebih kecil daripada kalor jenis logam penyusun mesin mobil. 4. Perpindahan Kalor Kalor berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Ada tiga cara perpindahan kalor: A. Konduksi (Hantaran) Proses perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa diikuti perpindahan bagian-bagian zat itu disebut konduksi atau hantaran. Misalnya, salah satu ujung batang besi kita panaskan. Akibatnya, ujung besi yang lain akan terasa panas.
Coba perhatikan gambar berikut: Pada batang besi yang dipanaskan, kalor berpindah dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Jadi, syarat terjadinya konduksi kalor pada suatu zat adalah adanya perbedaan suhu. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor adalah zat yang mudah menghantarkan kalor (penghantar yang baik). Isolator adalah zat yang sulit menghantarkan kalor (penghantar yang buruk). Konduksi dapat terjadi pada zat padat, zat cair, dan zat gas. Ada dua macam proses konduksi, yaitu konduksi logam dan konduksi non logam. Dalam zat non logam, partikel-partikel yang dipanaskan bergetar lebih cepat hingga energi kinetik patikel-partikel itu makin besar. Partikelpartikel ini kemudian memberikan sebagian energi kinetiknya ke partikelpartikel terdekatnya melalui tumbukan. Demikian seterusnya hingga kalor mencapai bagian ujung benda yang dingin (tidak dipanasi). Proses konduksi seperti ini berlangsung lambat karena untk memindahkan lebih banyak kalor diperlukan beda suhu yang tinggi di antara kedua ujung. Dalam zat logam, kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebas yang terdapat dalam struktur atom logam. Di tempat yang dipanaskan, energi elektron-elektron bertambah besar. Oleh karena elektron bebas mudah berpindah, maka pertambahan energi ini dengan cepat diberikan ke elektron-elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini, kalor berpindah lebih cepat.
Zat yang mudah menghantarkan kalor disebut konduktor,contohnya logam. Zat yang sulit menghantarkan kalor disebut isolator, contohnya kayu dan plastik. Laju kalor konduksi. Laju perpindahan kalor secara konduksi Q/t (J s -1 = W) adalah sebanding dengan luas permukaan A (m 2 ), sebanding dengan beda suhu antara kedua ujung T(K atau o C), dan berbanding terbalik dengan ketebalan dinding d (m). Secara matematis ditulis: m -1 K -1 ). Dimana T = T1 - T2, dan k adalah konduktivitas termal suatu zat (W B. Konveksi (Aliran) Proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan bagian-bagian yang dilaluinya disebut konveksi atau aliran. Konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas. a. Konveksi pada Zat Cair Syarat terjadinya konveksi pada zat cair adalah adanya pemanasan. Hal ini disebabkan partikel-partikel zat cair ikut berpindah tempat. b. Konveksi pada Gas Konveksi terjadi pula pada gas, misalnya udara. Seperti halnya pada air, rambatan (aliran) kalor dalam gas (udara) terjadi dengan cara konveksi. Beberapa peristiwa yang terjadi akibat adanya konveksi udara adalah sebagai berikut : 1) Adanya angin laut. Angin laut terjadi pada siang hari. Pada siang hari, daratan lebih cepat menjadi panas daripada lautan sehingga udara di daratan naik dan digantikan oleh udara dari lautan. 2) Adanya angin darat, Angin darat terjadi pada malam hari. Pada malam hari, daratan lebih cepat menjadi dingin
daripada lautan. Dengan demikian, udara di atas lautan naik dan digantikan oleh udara dari daratan. 3) Adanya sirkulasi udara pada ruang kamar di rurnah 4) Adanya cerobong asap pabrik. Konveksi hanya terjadi pada zat yang mengalir (fluida), yaitu zat cair dan zat gas. Laju kalor konveksi. Laju perpindahan kalor secara konveksi, Q/t (J s -1 =W) adalah sebanding dengan luas permukaan A (m 2 ) yang bersentuhan dengan fluida, dan beda suhu T(K) antara benda dan fluida. Secara matematis ditulis: Dengan h adalah koefisien konveksi (W m -2 K -1 ), yang diperoleh secara percobaan, misalnya tubuh manusia memiliki h = 7,1 Wm -2 K -1. C. Radiasi (Pancaran). Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Karena kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik, maka radiasi tidak memerlukan medium. Dengan kata lain, radiasi kalor dapat melalui ruang hampa (va kum). Sebagai contoh, radiasi kalor dari Matahari melalui ruang hampa hingga sampai ke Bumi. Makin baik suatu benda menyerap radiasi kalor, makin baik pula benda itu memancarkan radiasi kalor. Penyerap radiasi sempurna disebut benda hitam. Permukaan yang hitam kusam adalah penyerap dan pemancar radiasi kalor yang sangat baik, sedangkan
permukaan putih mengkilat adalah penyerap dan pemancar kalor yang sangat buruk. Laju kalor radiasi. Laju kalor radiasi Q/t (J s -1 =W), yang dipancarkan oleh suatu benda yang suhu mutlaknya lebih besar dari 0 K, adalah sebanding dengan luas permukaannya A(m 2 ), dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya T 4. Secara matematis ditulis: Kalor diradiasikan dalam bentuk gelombang elektromagnetik, gelombang radio, atau gelombang cahaya. Misalnya, radiasi panas dari api Apabila kita berdiam di dekat api unggun, kita merasa hangat. Kemudian, jika kita memasang selembar tirai di antara api dan kita, radiasi kalor akan lerhalang oleh tirai itu. Dengan demikian, kita dapat mengatakan bahwa : Kalor dari api unggun atau matahari dapat dihalangi oleh tabir sehingga kalor tidak dapat merambat. Ada beberapa benda yang dapat menyerap radiasi kalor atau menghalanginya. Alat yang digunakan untuk mengetahui atau menyelidiki adanya radiasi disebut termoskop, seperti yang tampak pada gambar berikut: Dari hasil penyelidikan dengan menggunakan termoskop, kita dapat mengetahui bahwa:
1) Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap atau permancar radiasi kalor yang baik. 2) Permukaan yang putih dan mengkilap adalah penyerap atau pemancar radiasi yang buruk. 5. Mencegah Perpindahan Energi Kalor Energi kalor dapat dicegah untuk berpindah dengan mengisolasi ruang tersebut. Misalnya, pada penerapan beberapa peralatan rumah tangga, seperti termos dan setrika listrik. a. Termos Mengapa permukaan di dalam botol termos mengilap? Dindinnya berlapis dua ruang di antara kedua dinding itu dihampakan. Dengan demikian, zat cair yang ada di dalamnya tetap panas untuk waktu yang relatif lama. Termos dapat mencegah perpindahan kalor, baik secara konduksi, konveksi, maupun radiasi. b. Setrika Listrik Mengapa pakaian yang disetrika menjadi halus atau tidak kusut? Di dalam setrika listrik terdapat filamen dari bahan nikelin yang berbentuk kumparan. Kumparan nikelin ini ditempatkan pada dudukan besi. Ketika
listrik mengalir, filamen setrika listrik menjadi panas. Panas ini dikonduksikan pada dudukan besi dan akhirnya dikonduksikan pada pakaian yang disetrika. Dengan demikian, setrika mengkonduksi kalor pada pakaian yang disetrika.
DAFTAR PUSTAKA http://fisikanesia.blogspot.com/2013/03/kalor-pengertian-kalor-jenis.html http://gurumuda.net/kalor-jenis.htm http://joyful-physics.blogspot.com/p/perpindahan-kalor.html