Kalor

A. Sejarah dan pengertian kalor

     KALOR adalah suatu bentuk energi yang diterima atau dilepaskan sebuah benda sehingga benda tersebut mengalami perubahan suhu atau wujud bentuknya. Energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang berusuhu lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan

     Alat untuk mengukur besarnya kalor disebut kalorimeter.

     Pengertian kalor berbeda dengan pengertian suhu:

-          Kalor adalah ukuran banyaknya panas

-          Suhu adalah ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda

     Kalor berasal dari kata caloric ditemukan oleh ahli kimia Perancis yang bernama Antonnie Laurent Lavoisier (1743-1794).

Teori Kalor Dasar :

1.      Kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepas = Asas Black  

-       Penemunya adalah Joseph Black (1720-1799) dari Inggris

2.      Kalor dapat terjadi akibat adanya suatu gesekan

-       Penemunya adalah Benyamin Thompson (1753-1814) dari Amerika Serikat

3.      Kalor adalah salah satu bentuk energi

-       Penemunya adalah Robert Mayer (1814-1878)

4.      Kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energi disebut kalor mekanik

-       Digagas oleh James Prescott Joule (1818-1889) dari Inggris

-   Energi kalor dapat berubah menjadi energi mekanik atau sebaliknya. Oleh karena itu, terdapat hubungan antara satuan energi kalor (kalori) dengan satuan energi mekanik (joule). Kesetaraan satuan kalor dan energi mekanik ditentukan oleh percobaan Joule

B. Satuan Kalor

a.    Kalori = kal                                                                                                                             1 kalori = kalor yang diperlukan oleh 1 gram air untuk menaikkan suhu 1° C.

b.    Joule = J                                                                                                                       Konversi à 1 Joule = 0,24 kal           sedangkan       1 kal = 4.2 Joule

C. Pengaruh Kalor Terhadap Zat

Jika zat menyerap/melepas kalor, akan terjadi perubahan:

a. Suhu            : jika menyerap kalor suhu naik, jika melepas kalor suhu turun                     

b. Wujud         : jika menyerap kalor, ada peluang: melebur, menguap                                                                 jika melepas kalor, ada peluang: membeku, mengembun

c. Warna          : besi jika dipanaskan warnanya dapat berubah

d. Volume       : zat jika dipanaskan dapat memuai (volumenya bertambah)

D. Kapasitas Kalor / Kapasitas Panas atau Harga Air / Nilai Air (H)

Kapasitas kalor suatu zat ialah banyaknya kalor yang diserap/dilepaskan untuk menaikkan/menurunkan suhu 1°C

Jika kapasitas kalor/ nilai air = C maka untuk menaikkan/ menurunkan suhu suatu zat sebesar ΔT diperlukan kalor sebesar :

Q = C. ΔT

Q  = kalor (Joule)

C  = kapasitas kalor (J/ ^oC)

∆t = (T₂ – T₁) = perubahan suhu (^oC)

m  = massa (kg)

c   = kalor jenis (J/kg ^oC)

LATIHAN 1

1.      Seratus gram benda yang kalor jenisnya 3600 J/kg ^oC dipanaskan sehingga suhunya naik dari 25 ^oC menjadi 100 ^oC. Berapa kapasitas kalor dan kalor yang diserap benda ?

Pembahasan :

1.      Diketahui :                                                     Ditanya :

m  = 100 g = 0,1 kg                                       a. C = .... ?

T₁ = 25 ^oC                                                      b. Q = .... ?

T₂ = 100 ^oC

c   = 3600 J/kg ^oC

Jawab :

a.       C = m . c

    = 0,1 kg. 3600 J/kg ^oC

    = 360 J/ ^oC

b.      ∆t = (100 ^– 25) ^oC = 75 ^oC

Q = C . ∆t

         = 360 J/ ^oC . 75 ^oC

        = 27000 J

Jadi, kapasitas kalornya 360 J/ ^oC dan kalor yang diserap benda 27000 J.

E. Kalor Jenis (c)

Kalor jenis suatu zat ialah banyaknya kalor yang diterima/dileas untuk menaikkan/menurunkan suhu 1 satuan massa zat sebesar 1°C

Jika kalor jenis suatu zat = c, maka untuk menaikkan/ menurunkan suatu zat bermassa m, sebesar ΔT °C, kalor yang diperlukan/dilepaskan sebesar:

Q = m. c. ΔT

Q  = kalor (Joule)

m  = massa (kg)

c   = kalor jenis (J/kg oC)

∆T = (T₂ – T₁) = perubahan suhu (oC)

Dari persamaan di atas dapat ditarik suatu hubungan:   C . ΔT = m. c,  sehingga   C = m . c

Zat	Kalor Jenis (J/KgoC) atau (J/KgK)
Alumunium	900
Tembaga	390
Kaca	840
Besi atau baja	450
Timah hitam	130
Marmer	860
Perak	230
Kayu	1700
Alkohol (Etil)	2400
Raksa	140
Air
Es (-5oC)	2100
Cair (15oC)	4800
Uap (110oC)	2010
Badan Manusia	3470
Udara	1000

LATIHAN 2

1.      Sebatang aluminium yang massanya 300 g dipanaskan dari 30 ^oC menjadi 150 ^oC. Jika diketahui kalor jenis aluminium 900 J/kg ^oC, berapa banyak kalor yang diserap oleh aluminium tersebut ?

Pembahasan :

1.      Diketahui :                                                     Ditanya :

m  = 300 g = 0,3 kg                                       Q = .... ?

T₁ = 30 ^oC

T₂ = 150 ^oC

c   = 900 J/kg ^oC

Jawab :

∆t = (150 ^– 30) ^oC = 120 ^oC

Q = m . c . ∆t

   = 0,3 kg . 900 J/kg ^oC . 120 ^oC

   = 32400 J

Jadi, kalor yang diserap oleh aluminium tersebut adalah 32400 J.

F. Kalor Laten (L)

Kalor Laten adalah kalor dalam suatu zat yang dibutuhkan untuk merubah satuan massa zat dari suatu tingkat wujud ke tingkat wujud yang lain pada suhu dan tekanan tetap.

Dimana dirumuskan

Q= m. L

Q  = kalor (Joule)

m  = massa (kg)

L  = kalor laten (J/kg)

-       Kalor lebur ialah banyanya kalor yang diserap untuk melebur satu satuan massa suatu zat pada titik leburnya (padat – cair)

-       Kalor beku ialah banyaknya kalor yang dilepas untuk membekukan satu satuan massa suatu zat pada titik leburnya (cair-padat)

-       Kalor uap ialah banyaknya kalor yang diserap untuk menguapkan satu satuan massa suatu zat pada titik didihnya (cair-gas)

-       Kalor embun ialah banyaknya kalor yang dilepaskan untuk mengembunkan satu satuan massa suatu zat pada titik didihnya (gas-cair)

   

G. Perubahan Wujud Air

Gambar perubahan wujud air

I. Di bawah suhu 0°C air berbentuk es (padat) dan dengan pemberian kalor suhunya akan naik sampai 0° C. (a-b) Panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu es pada fase ini adalah

Q = m x c_es x ΔT

II. Tepat pada suhu 0° C, es mulai ada yang mencair dan dengan pemberian kalor suhunya tidak akan berubah (b-c). Proses pada b-c disebut proses MELEBUR (perubahan fase dari padat menjadi cair). Panas yang diperlukan untuk proses ini adalah :

Q = m. L₁

L_l = Kalor lebur es

III. Setelah semua es menjadi cair, dengan penambahan kalor suhu air akan naik lagi (c-d) Proses untuk merubah suhu pada fase ini membutuhkan panas sebesar

Q = m x c_air x  ΔT

Pada proses c-d waktu yang diperlukan lebih lama daripada proses a-b, karena kalor jenis air (cair) lebih besar daripada kalor jenis es (ces).

IV. Setelah suhu air mencapai 100°C, sebagian air akan berubah menjadi uap air dan dengan pemberian kalor suhunya tidak berubah (d-e). Proses d-e adalah proses MENDIDIH (Perubahan fase cair ke uap). Panas yang dibutuhkan untuk proses tersebut adalah :

Q = m. Ld

Ld = Kalor didih air.

Suhu 100° C disebut TITIK DIDIH AIR.

V. Setelah semua air menjadi uap air, suhu uap air dapat ditingkatkan lagi dengan pemberian panas (e-f) dan besarnya yang dibutuhkan :

Q = m x c_gas x ΔT

Proses dari a s/d f sebenarnya dapat dibalik dari f ke a, hanya saja pada proses dari f ke a benda harus mengeluarkan panasnya.

- Proses e-d disebut proses MENGEMBUN (Perubahan fase uap ke cair)

- Proses c-b disebut MEMBEKU (Perubahan fase dari cair ke padat).

Besarnya kalor lebur = kalor beku

Pada keadaan tertentu (suhu dan tekanan yang cocok) sesuatu zat dapat langsung berubah fase dari padat ke gas tanpa melewati fase cair. Proses ini disebut sebagai SUBLIMASI. Contoh pada kapur barus, es kering, dll. Pada proses perubahan fase-fase di atas dapat disimpulkan bahwa selama proses, suhu zat tidak berubah karena panas yang diterima/dilepas selama proses berlangsung dipergunakan seluruhnya untuk merubah wujudnya.

LATIHAN 3

1.      Hitunglah berapa banyak kalor yang diperlukan untuk mengubah 4 kg es bersuhu

0 ^oC menjadi air bersuhu 0 ^oC ! (L= 334 . 10³ J/kg)

2.      Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 kg es bersuhu -10 ^oC

 menjadi uap air pada 120 ^oC ?

Pembahasan :

1.      Diketahui :                                                     Ditanya :

m  = 4 kg                                                       Q = .... ?

L  = 334 . 10³ J/kg

Jawab :

Q = m . L

    = 4 kg . 334 . 10³ J/kg

        = 1336000  J

Jadi, kalor yang diperlukan sebesar 1336000 J.

2.      Diketahui :

m  = 2 kg

suhu awal es = -10 ^oC

suhu akhir es = 120 ^oC

c_es = 2100 J/kg ^oC

c_air = 4180 J/kg ^oC

c_uap = 2010 J/kg ^oC

L_v = 2256 . 10³ J/kg

L_f = 334 . 10³ J/kg

Ditanya :

Q _total = .... ?

Jawab :

©      Kalor yang diterima es -10 ^oC  untuk menjadi es 0 ^oC

Q₁ = m . c_es . ∆T₁

     = 2 kg . 2100 J/kg ^oC . 10 ^oC

     = 42 000 J

©      Kalor yang diterima es 0 ^oC untuk melebur seluruhnya menjadi air 0 ^oC

Q₂ = m . L_f

     = 2 kg . 334 . 10³ J/kg

     = 668 000 J

©      Kalor yang diterima air 0 ^oC untuk menjadi air 100 ^oC

Q₃ = m . c_air . ∆T₃

     = 2 kg . 4180 J/kg ^oC . 100 ^oC

     = 836 000 J

©      Kalor yang diterima air 100 ^oC untuk mendidih seluruhnya menjadi uap air 100 ^oC

Q₄ = m . L_v

     = 2 kg . 2256 . 10³ J/kg

     = 4 512 000 J

©      Kalor yang diterima uap air 100 ^oC untuk menjadi uap air 120 ^oC

Q₅ = m . c_uap . ∆T₅

     = 2 kg . 2010 J/kg ^oC . 20 ^oC

     = 80 400 J

Jadi, Q_total = (42 000 + 668 000 + 836 000 + 4 512 000 + 80 400) J = 6 138 400 J.

 H. Hukum Kekekalan Energi Panas (kalor)

Kehilangan energi Q Joule dari suatu benda akan muncul sebagai tambahan energi Q Joule pada benda lainnya. Kekekalan energi juga berlaku pada perpindahan kalor. Kekekalan energi pada pertukaran kalor, pertama kali diukur oleh Joseph Black (1728 – 1799), seorang ilmuwan Inggris. Oleh karena itu, dikenal sebagai Asas Black.

“Pada pencamuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat bersuhu lebih tinggi, sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat bersuhu lebih rendah”.

Dalam hal ini berlaku :

Q lepas = Q terima

di mana Q lepas adalah kalor dengan suhu yang lebih tinggi.

LATIHAN 4

1.      Dua buah cangkir, yang satu berisi 0,2 kg air pada suhu 70 ^oC dan yang

 lain berisi  0,3 kg air pada suhu 20 ^oC. Kedua cangkir kemudian dituangkan ke dalam sebuah cangkir yang lebih besar. Berapa suhu akhir campuran ?

Pembahasan :

1.      Diketahui :                                                           Ditanya :

m₁ = 0,2 kg                                                          Tx = .... ?

T₁ = 70 ^oC

m₂ = 0,3 kg

T₂ = 20 ^oC

c_air = 4200 J/kg ^oC

Jawab :

         Q lepas = Q terima

     m₁ . c_{air .} (T₁ - Tx) = m₂ . c_{air .} (Tx – T₂)

0,2 kg . 4200 J/kg ^oC . (70 ^oC – Tx) = 0,3 kg . 4200 J/kg ^oC . (Tx - 20 ^oC)

          14 ^oC – 0,2Tx = 0,3Tx – 6 ^oC

         0,3Tx + 0,2Tx = (14 + 6) ^oC

          0,5Tx = 20 ^oC

  Tx = 40 ^oC

Jadi, suhu akhir campuran adalah 40 ^oC.

I. Rambatan Kalor

Panas dapat dipindahkan dengan 3 macam cara yaitu

a. Secara Konduksi (Hantaran)

Pada peristiwa konduksi, atom-atom zat yang memindahkan panas tidak berpindah tempat, tetapi hanya bergetar saja sehingga menumbuk atom-atom disebelahnya (misalkan terdapat pada zat padat) Banyaknya panas per satuan waktu yang dihantarkan oleh sebuah batang yang panjangnya L, luas penampang A dan perbedaan suhu antara ujung-ujungnya Dt, adalah:

k adalah koefisien konduksi panas dari bahan dan besarnya tergantung dari macam bahan. Bila k makin besar, benda adalah konduktor panas yang baik. Bila k makin kecil, benda adalah isolator panas.

b. KONVEKSI. Pada peristiwa ini partikel-partikel zat yang memindahkan panas ikut bergerak. Kalor yang merambat per satuan waktu adalah :

h = koefisien konveksi misalkan pada zat cair dan gas

    

c. RADIASI. Adalah pemindahan panas melalui radiasi energi gelombang elektromagnetik. Energi panas tersebut dipancarkan dengan kecepatan yang sama dengan gelombang-gelombang elektromagnetik lain di ruang hampa (3 x 108 m/det)

Banyaknya panas yang dipancarkan per satuan waktu menurut Stefan Boltzman adalah :

               

Botol termos dibuat dengan dinding rangkap dua dan di antaranya terdapat ruang hampa serta dinding-dindingnya dilapisi dengan perak, maksudnya adalah :                         

-          Karena adanya ruang hampa tersebut, praktis pemindahan panas lewat konduksi dan konveksi tidak terjadi.

-          Lapisan mengkilap dari perak dimaksudkan untuk memperkecil terjadinya pemindahan panas secara radiasi. (Permukaan mengkilap e = 0)                                 

J. Kalorimeter

Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kalor. Kalorimeter umumnya digunakan untuk menentukan kalor jenis suatu zat dengan menggunakan teknik pencampuran dua zat di dalam suatu wadah.

Beberapa jenis kalorimeter antara lain :

©      Kalorimeter aluminium

Kalorimeter didesain agar pertukaran kalor hanya terjadi di dalam bejana kalorimeter dan menghindari pertukaran kalor ke lingkungan sekitarnya.

Dinding dalam kedua bejana dibuat mengkilat untuk mengurangi radiasi kalor dan kehilanan kalori karena penyerapan dinding bejana.

©      Kalorimeter elektrik

Digunakan untuk mengukur kalor jenis zat cair. Sesuai kekekalan energi, berlaku :

V . I . t = (m . c + C) ∆T

Prinsip kerja : sejumlah massa zat cair dimasukkan ke dalam bejana tembaga yang kapasitas kalornya diketahui. Kemudian dipanaskan selama selang waktu tertentu oleh pemanas listrik yang memiliki beda potensial dan kuat arus tertentu. Kenaikan suhu selama selang waktu diukur dengan termometer.

©      Kalorimeter bom

Digunakan khusus untuk menentukan kandungan energi dalam makanan dan lemak.

Cara kerja : makanan yang akan ditentukan kandungan energinya diletakkan dalam cangkir platina yang kemudian dibakar secara elektrik. Kalor yang diserap oleh bejana-dalam, cangkir, dan air dapat diukur secara cermat.

K. Sumber

https://diannovitasari.wordpress.com/kalor/

http://fisikastudycenter.com/fisika-x-sma/6-suhu-dan-kalor

http://www.informasi-pendidikan.com/2015/03/pengertian-kalor-laten-dan-jenis-jenis.html

https://l4mb4ng.wordpress.com/tag/pengertiandefinisi-kalor-dan-teori-kalor-umum-dasar-kuantitas-jumlah-panas/

Kanginan, Marthen.2004.Fisika Untuk SMA Semester 2.Jakarta : Erlangga.

Modul Pelajaran Fisika Kelas X Semester 2.