TARA KALOR MEKANIK Adhelina,NP Sriwulandari Alam,Besse Khalidatunnisa,Andi Nurul Atiak Zaida,Sugira Pendidikan Biologi FMIPA UNM 2014 Abstrak Telah dilakukan eksperimen tara kalor mekanik yang bertujuan (1) Memahami prinsip kesetaraan (ekuivalensi)energi panas dan energi mekanik.(2)menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanik.pada kegiatan ini menggunakan metode merangkai (menyusun) rangkaian arus dan tegangan listrik yang dihubungkan pada kalorimeter.kemudian menetukan massa kalorimeter+pengaduk dan massa kalorimeter+air.dengan itu Massa air yaitu hasil pengurangan dari massa kalorimeter+air dengan massa kalorimeter kosong.pada saat power supply dinyalakan bersaman dengan stopwatch kemudian menentukan suhu awal,tegangan serta kuat arus yang digunakan. Sampai suhu meningkat hingga 10 power supply dimatikan bersamaan dengan stopwatch,kemudian menentukan suhu akhir.jadi dapat disimpulkan bahwa untuk menentukan besarnya usaha atau kalor joule dapat ditentukan dengan mengalikan tegangan,kuat arus dan waktu yang digunakan(w=v x I x t) serta besarnya energi panas yang dibutuhkan air untuk menaikkan temperaturnya dapat ditentukan dengan mengalikan Massa,kalor dan perubahan suhu yang terjadi (Q=m x C x ). Dari eksperimen ini, diperoleh hasil bahwa terjadi perubahan energi dari energi listrik yang dialirkan dari power supply menjadi energi panas sehingga suhu kalorimeter beserta isinya meningkat. Kata kunci: Energi kalor,energi mekanik,tegangan,kuat arus,waktu,massa,dan suhu RUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi panas dan energi mekanik? 2. Bagaimana cara menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanik? TUJUAN 1. Memahami prinsip kesetraan (ekuivalensi)energi panas dan energi mekanik. 2. Menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanik.
METODOLOGI EKSPERIMEN Teori Singkat Tara Kalor Mekanik Kalor merupakan transfer energi dari satu benda ke benda kedua yang temperaturnya lebih rendah.berarti, kalor sangat mirip dengan kerja.untuk membedakannya,kalor didefenisikan sebagai transfer energi yang disebabkan oleh perbedaan temperatur,sementara kerja ialah transfer energi yang tidak disebabkan oleh perbedaan temperatur.jadi dapat didefenisikan bahwa tara kalor mekanik adalah kesetaraan energi mekanik dan energi panas atau perbandingan antara usaha dan kalor. Teori yang melandasi tentang tara kalor mekanik yaitu hukum joule dan azas Black.Dimana suatu bentuk energi dapat berubah menjadi bentuk energi yang lain.seperti energi listrik dapat diubah menjadi panas atau sebaliknya.sehingga dikenal adanya kesetaraan panas-energi listrik/mekanik.kesetaraan panas-energi mekanik pertama kali diukur ole joile dengan mengambil energi mekanik benda jatuh untuk mengaduk air dalam kalorimeter sehingga air menjadi panas. Hukum pertama termodinamika Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan hukum kekekalan energi.hukim ini menggambarkan hasil banyak eksperimen yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem,panas yang ditambahkan atau dikurangkan dari sistem,dan energi internal sisitem.dari defenisi awal kalori,kita tau bahwa dibutuhkan energi sebesar 1 kalori untuk menaikkan temperatur 1 gram air menjadi 1 C.Akan tetapi kita juga dapat menaikkan temperatur air atau sistem lain apapun dengan melakukan usaha padanya tanpa menambahkan sedikitpun panas dari luar. Diagram skematis modifikasi dari perangkat joule dapat digunakan untuk menentukan jumlah usaha yang ekivalen dengan jumlah panas tertentu,yaitu,jumlah usaha yang dibutuhkan untuk enaikkan temperatur satu gram air dengan satu Celcius derajat.air dalam kalorimeter tertutup dalam dinding insulasi agar temperatur sistem tidak dapat dipengaruhi oleh panas
yang masuk atau keluar darinya.dengan pemberian beda potensial pada ujung-ujung kumparan dalam kalorimeter,arus listrik akan mengalir melalui amperemeter dan beda potensial akan timbul pada ujung-ujung kumparan yang akan menghasilkan usaha listrik pada sistem untuk memanaskan air.usaha ini dikenal sebagai kalor joule,yang dapat dinyatakan sebagai Dimana V adalah beda potensial ujung-ujung elemen,i adalah arus listrik dalam rangkaian,dan t adalah waktu pengaliran arus ke sistem.energi panas yang dilepaskan oleh elemen listrik tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter sehingga temperatur sistem menjadi meningkat(pengecualian terjadi perubahan fase). Besar energi panas Q yang dibutuhkan oleh air untuk menaikkan temperaturnya sebanding dengan perubahan temperatur dan massa m,yaitu : Dimana c adalah panas jenis air. Hasil ekperimen joule dan ekperimen-eksperimen sesudahnya adalah bahwa dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanis atau listrik(joule)untuk meningkatkan temperatur 1 gram air dengan 1 C,atau 4,18 J energi mekanis atau listrik adalah ekuivalen dengan 1 kal energi panas. Alat dan Bahan 1. Alat Power Supply DC Variabel Amperemeter 0-5 A DC, Voltmeter 0-50 DC, Kalorimeter joule lengkap, Termometer Stopwatch
2. Bahan Neraca Ohauss 311 gram Kabel penghubung Air Identifikasi Variabel 1. Variabel manipulasi : Massa air dalam kalorimeter 2. Variabel respon : Waktu 3. Variabel kontrol : Tegangan,Kuat arus Definisi Operasional Variabel 1. Variabel manipulasi Massa air dalam kalorimeter adalah air yang dimasukkan ke dalam kalorimeter dan diukur dengan menggunakan neraca ohaus 311 g dengan satuan gram 2. Variabel respon Waktu yaitu detik atau sekon.dan satuan yang digunakan adalah Sekon (s). 3. Variabel kontrol Tegangan yaitu perbedaan potensi listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik.tegangan dinyatakan dalam satuan Volt (V). Kuat arus yaitu banyaknya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam waktu satu detik.kuat arus listrik dinyatakan dalam satuan Ampere (A).
Prosedur Kerja a. Merangkai skema percobaan. b. Power Supply tidak dinyalakan sebelum dipastikan bahwa polaritas dan batas ukur dari sumber dan alat-alat ukur arus dan tegangan benar. c. Mengukur massa kalorimeter kosong + pengaduk d. Mengisi kalorimeter dengan air hingga setengahnya lalu mengukur masasanya. e. Memasang kalorimeter lengkap pada rangkaian,selanjutnya satu daya dan mengatur batas ukur yang mengalir sebesar 2A,catat arus ini dan beda potenisal pada ujung-ujung kumpran. f. Mematikan kembali power supply dengan tidak mengubah posisi temperatur tegangan. g. Mengukur kalorimeter beserta isinya dan catat sebagai temperatur awal. h. Menyalakan power supply bersamaan dengan menjalankan stopwatch untuk mengukur lama pengaliran arus hingga temperatur sistem naik menjadi 10 derajat.dari temperatur awal dan menghentikan stopwatch bersamaan dengan mematikan power supply.mencatat penunjukan stopwatch. i. Mengulangi kegiatan ini hingga 3x.
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA Hasil Pengamatan NST Neraca Ohauss 311gram = 0,01 gram NST Voltmeter = 1 volt NST Ammeter = 0,01 A NST termometer = 1 NST Stopwatch = 0,1 sekon Besaran yang Diukur Massa Kalorimeter Kosong+pengaduk, (kg) Massa kalorimeter+ air, kg) Pengukura ke- I II III Massa air, (kg) Tegangan, V(volt) Kuat arus,i (A) Suhu awal, ( ) Suhu akhir, ( ) Waktu,t (s)
ANALISIS DATA Pengukuran I Suhu awal = 33 Suhu akhir = 43 Kuat arus Tegangan Waktu = 1,80 A = 7 V = 482 sekon Massa kalorimeter+air = 188,55 gram Massa kalorimeter kosong = 61,71 gram Massa air = gram W = = 7 = 6073,2 Q = = 126,84 = 1268,4 + 135,762 = 1404,162 = = 4 % Pengukuran II Suhu awal = 33 Suhu akhir = 43 Kuat arus = 1,80 A
Tegangan = 7 V Waktu = 547 sekon Massa kalorimeter+air = 208,03 gram Massa kalorimeter kosong = 61,71 gram Massa air = gram W = = 7 = 6892,2 joule Q = = 146,32 = 1463,2+ 135,762 = 1598,962 = = 3 % Pengukuran III Suhu awal = 30 Suhu akhir = 40 Kuat arus Tegangan Waktu = 1,81 A = 6 V = 546 sekon Massa kalorimeter+air = 210,4 gram Massa kalorimeter kosong = 61,71 gram Massa air =
gram W = = 6 = 5929,56 joule Q = = 148,69 = 1486,9+ 135,762 = 1622,662 = = 13 % Jumlah kalor : W = V x I x t W dv + di + dt dv + di + dt dv + di + dt + + = { } W
1. Pengukuran Pertama = { } W = { } 6073,2 = { } 6073,2 = 8,0431541 KR = x 100% = x 100% = 0,13 % ( 4 AB ) W 2. Pengukuran Kedua = { } W = { } 6892,2 = { } 6892,2 = 8,0603275 KR = x 100% = x 100% = 0,11 % ( 4 AB ) W
3. Pengukuran Ketiga = { } W = { } 5929,56 = { } 5929,56 = 6,9470332 KR = x 100% = x 100% = 0,11 % ( 4 AB ) W Besar Energi Panas : Q = m x c x dm + di + d dm + dc + d dm + dc + d + + = { } Q
1. Pengukuran pertama = { } Q = { } = { } 1404,162 = { } 1404,162 = 10,363 KR = x 100% = x 100% = 0,73 % ( 4 AB ) Q 2. Pengukuran kedua = { } Q = { } = { } 1598,962 = { } 1598,962 = 103,310 KR = x 100% = x 100% = 6,46 % ( 2 AB )
Q 3. Pengukuran Ketiga = { } Q = { } Q = { } 1622,662 = { } 1622,662 = 10,327 KR = x 100% = x 100% = 0,63 % ( 4 AB ) Q
PEMBAHASAN Kesetaraan tara kalor mekanik merupakan kesetaraan energi mekanik dan energi panas atau perbandingan antara usaha dan kalor.pada percobaan ini menggunakan modifikasi dari perangkat joule yang dapat dapat digunakan untuk menentukan jumlah usaha yang ekivalen dengan jumlah panas tertentu,yaitu jumlah usaha yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu gram air dengan satu celcius derajat.usaha listrik pada sistem untuk memanaskan air dikenal sebagai kalor joule yang dapat dinyatakan W = dimana adalah beda potensial ujung-ujung elemen, adalah arus listrik dalam rangkaian,dan t adalah waktu pengaliran arus ke sistem.energi panas yang dilepaskan oleh elemen listrik tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter sehingga temperatur sistem menjadi meningkat. Dan besar energi panas yang dibutuhkan air untuk menaikkan temperaturnya sebanding dengan perubahan temperatur yang dinyatakan dimana c adalah panas jenis air. Pada percobaan ini dilakukan pengukuran sebanyak tiga kali sehingga, hasil usaha atau kalor joule serta besar energi yang dihasilkan berbeda-beda karena jumah massa air, suhu awal,suhu akhir serta waktu yang dibutuhkan berbeda setiap pengukuran.meskipun pada hasil percobaan yang telah dilakukan ada yang memiliki suhu awal,tegangan dan kuat arus yang sama namun waktu yang dibutuhkan untuk menaikkan suhunya sebasar 10 berbeda.dapat dilihat dari hasil jumlah kalor joule atau usaha yang diperoleh pada pengukuran pertama yaitu 6073,2 joule,pengukuran kedua yaitu 6892,2 joule dan pada pengukuran ketiga yaitu 5929,56 joule. Hasil % different pada pengukuran pertama yaitu 4% dan pada pengukuran kedua yaitu 3 % sedangkan pada pengukuran ketiga yaitu 13 %. Berdasarkan hasil yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa eksperimen ini sudah sesuai dengan hasil eksperimen joule dan ekperimen-eksperimen sesudahnya yaitu 4,18 joule.dan hasil pengukuran yang paling baik yaitu pada pengukuran pertama dan kedua dibandingkan dengan hasil pengukuran ketiga yang perbedaannya cukup jauh dari teori hasil eksperimen joule.hal ini dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya Suhu ruangan yang dipengaruhi oleh AC yang akan mempengaruhi hasil ukur,karena membuat perubahan pada suhu awal maupun suhu akhir dan kurang telitinya pengamat memencet tombol stopwatch yang akan menambah atau mengurangi hasil ukur.
SIMPULAN DAN DISKUSI Berdasarkan hasil dari ekperimen joule dapat disimpulkan bahwa prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi panas dan energi mekanis ( dalam hal ini yang digunakan energi listrik) yaitu apabila energi panas yang diterima oleh air dan kalorimeter tidak jauh berbeda dengan energi termal yang dilepaskan oleh elemen listrik atau dengan kata lain apabila energi listrik dapat diubah manjadi panas atau sebaliknya sehingga dikenal adanya kesetaraan antara panas dengan energy makanik/listrik.kesetaraan panas-energi mekanik pertama kali diukur oleh joule dengan mengambil energi mekanik benda jatuh untuk mengaduk air dalam calorimeter sehingga air menjadi panas.energi listrik dapat diubah menjadi panas dengan cara mengalirkan arus listrik pada suatu kawat tahanan yang tercelup dalam air yang bertada dalam kalorimeter.sehingga kita dapat menentukan nilai keasetaraan energi panas dan energi mekanis yaitu untuk besar usaha untuk memanaskan air atau dikenal dengan kalor joule yaitu dinyatakan dengan W = sedangkan besar energy panas yang dibutuhkan air yaitu dinyatakan dengan.dan berdasarkan teori eksperimen joule dibutuhkan 4,18 joule untuk meningkatkan temperature 1 gram air dengan 1 atau 4,18 joule energi mekanis atau listrik adalah ekivalen denagn 1 kal energy panas. DAFTAR RUJUKAN 1. Halliday, David dan Resnick, Robert. 1999. FisikaJilid 1 EdisiKetiga (Terjemahan). Jakarta: Erlangga. 2. Tipler, Paul A. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 1(Terjemahan). Jakarta: Erlangga.