BAB II KAJIAN TEORITIS, KERANGKA BERPIKIR, DAN HIPOTESIS
A. Deskripsi Teoritis
4. Kajian Konsep Kalor
a. Karakteristik Konsep Kalor
Materi kalor yang diajarkan di SMA pada kurikulum 2013 diajarkan di kelas X. Sebelum memulai materi kalor, siswa dituntut untuk menguasai materi suhu karena materi ini saling berkaitan. Setelah itu siswa dapat mempelajari konsep kalor. Materi pokok yang dipelajari pada konsep di kelas X adalah kalor dan perubahan wujud, asas Black, serta perpindahan kalor. Siswa dapat mengaplikasikan konsep kalor ini dalam kehidupan sehari-hari seperti termos, setrika, memasak air dengan menggunakan panci logam, solder, terjadinya angin darat dan angin laut, oven microwave, radiasi panas dari tungku perapian dan masih banyak lagi.
b. Kompetensi Inti dan Kompetensi Dasar Kalor
Kompetensi inti dan kompetensi dasar kalor pada kurikulum 2013 adalah sebagai berikut:
1) Kompetensi Inti
KI 1 : Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya.
KI 2 : Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan
26
pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia.
KI 3 : Memahami, menerapkan, menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah.
KI 4 : Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan.
2) Kompetensi Dasar
3.8 Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor pada kehidupan sehari-hari.
4.8 Merencanakan dan melaksanakan percobaan untuk menyelidiki karakteristik termal suatu bahan, terutama kapasitas, dan konduktivitas kalor.
c. Peta Konsep Kalor
d. Uraian Materi Kalor
Ketika suatu ketel air dingin diletakkan di atas kompor, temperatur air akan naik. Kita katakan bahwa kalor mengalir dari kompor ke air yang dingin. Ketika kedua benda yang temperaturnya berbeda diletakkan saling bersentuhan, kalor akan mengalir seketika dari yang panas ke yang dingin. Aliran kalor seketika ini selalu dalam arah yang cenderung menyatakan temperature. Jika kedua benda tersebut disentuhkan cukup lama sehingga temperatur keduanya sama, keduanya dikatakan dalam keadaan setimbang termal, dan tidak ada lagi kalor yang mengalir di antaranya. Sebagai contoh, ketika teermometer demam pertama kali dimasukkan ke mulut pasien, kalor mengalir dari mulut pasien tersebut ke thermometer; ketika pembacaan termometer berhenti naik, termometer setimbang dengan mulut orang tersebut dan temperaturnya sama.27
1) Kalor sebagai Transfer Energi
Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain dengan temperatur yang lebih rendah. Satuan yang umum untuk kalor, yang masih digunakan sekarang, dinamakan kalori. Satuan yang lebih sering digunakan dari kalori adalah kilokalori (kkal), yang besarnya 1000 kalori. Kadangkala satu kilokalori disebut Kalori (dengan huruf K besar).28 Dimana 1 kal = 4,186 J yang merupakan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 g air sebesar 1 Co. Jadi, kalor mengacu pada transfer energi dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur.
2) Kalor Jenis
Besar kalor Q yang dibutuhkan untuk mengubah temperatur zat tertentu sebanding dengan massa m zat tersebut dan dengan perubahan temperatur ∆T. Hal ini dapat dinyatakan dalam persamaan,29
………(2.1)
27
Douglas C Giancoli, Fisika, Edisi 5, Jilid 1, (Jakarta: Erlangga, 2001), h. 488. 28
Ibid., h.489. 29
di mana c adalah besaran karakteristik dari zat tersebut, yang disebut kalor jenis. Dimana kalor jenis durumuskan sebagai berikut: c = Q/m∆T,
Keterangan: Q : kalor (Joule) m : massa benda (kg)
c : kalor jenis benda (J/kg °C) T : perubahan suhu benda (° C)
Jadi, kalor jenis, c, dari zat didefinisikan sebagai energi (atau kalor) yang dibutuhkan untuk mengubah temperatur massa satuan zat sebesar 1 derajat.
3) Kapasitas kalor
Kalor yang dibutuhkan 1 panci air agar suhunya naik 1° C disebut kapasitas kalor. Kapasitas kalor sebenarnya banyaknya energi yang diberikan dalam bentuk kalor untuk menaikkan suhu benda sebesar satu derajat. Pada sistem SI, satuan kapasitas kalor adalah JK-1. Namun, karena di Indonesia suhu biasa dinyatakan dalam skala Celsius, maka satuan kapasitas kalor yang dipakai dalam buku ini adalah J/°C. Kapasitas kalor dapat dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan:
Q : kalor yang diserap/dilepas (J) C : kapasitas kalor benda (J/°C)
T : perubahan suhu benda (°C)
4) Konservasi Energi
Konservasienergimemainkan peranan penting: kehilangan kalor sebanyak satu bagian sistem sama dengan kalor yang didapat oleh bagian yang lain:30
…………(2.2)
Pertukaran energi tersebut merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor. Dengan demikian, ketika kalor mengalir di dalam sistem yang terisolasi,
30
konservasi energi memberitahu kita bahwa kalor yang diterima oleh satu bagian sistem sama dengan kalor yang dikeluarkan oleh bagian sistem yang lain.
Konservasi energi pada pertukaran kalor, seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan (2.2), pertama kali diukur oleh Joseph Black (1728-1799), seorang ilmuwan Inggris. Oleh karena itu, Persamaan (2.2) dikenal sebagai asas Black.
5) Perubahan Wujud Zat
Kecenderungan untuk berubah wujud ini disebabkan oleh kalor yang dimiliki setiap zat. Suatu zat dapat berubah menjadi tiga wujud zat, di antaranya cair, padat, dan gas. Perubahan wujud zat ini diikuti dengan penyerapan dan pelepasan kalor.
Gambar 2.2 Diagram Perubahan Wujud Zat a) Kalor Penguapan dan Pengembunan
Kalor penguapan adalah kalor yang dibutuhkan oleh suatu zat untuk menguapkan zat tersebut. Jadi, setiap zat yang akan menguap membutuhkan kalor. Adapun kalor pengembunan adalah kalor yang dilepaskan oleh uap air yang berubah wujud menjadi air. Secara matematis, kalor penguapan dan pengembunan dapat dituliskan sebagai berikut.
………(2.3)
Keterangan
Q : kalor yang dibutuhkan saat penguapan atau kalor yang dilepaskan saat pengembunan,
m : massa zat, dan
b) Kalor Peleburan dan Pembekuan
Jika benda mengalami peleburan, perubahan wujud yang terjadiadalah dari wujud zat padat menjadi zat cair. Dalam hal ini, akan terjadi penyerapan kalor pada benda. Adapun perubahan wujud zat dari cair ke padat disebut sebagai proses pembekuan. Dalam hal ini, akan terjadi proses pelepasan kalor. Besarnya kalor yang dibutuhkan pada saat peleburan dan besarnya kalor yang dilepaskan dalam proses pembekuan adalah sama.
6) Perpindahan Kalor
Kalor dapat merambat dengan tiga cara, di antaranya secara konduksi (hantaran), secarakonveksi (aliran), dan secara radiasi (pancaran). Berikut pembahasan mengenai setiap jenis perambatan kalor tersebut.
a) Perpindahan Kalor Secara Konduksi
Perpindahan kalor yang tidak diikuti perpindahan massa ini disebut konduksi.
Gambar 2.3 Rambatan Kalor di Dalam Konduktor
Kalor yang mengalir dalam batang per satuan waktu dapat dinyatakan dalam hubungan:
………(2.4)
Keterangan
A : luas penampang lintang benda
l : jarak antara kedua ujung, yang mempunyai temperatur
T1 : ujung batang logam bersuhu tinggi
T2 : ujung batang logam bersuhu tinggi
: jumlah kalor yang merambat pada batang per satuan waktu per satuan luas.
b) Perpindahan Kalor secara Konveksi
Perambatan kalor yang disertai perpindahan massa atau perpindahan partikel- partikel zat perantaranya disebut perpindahan kalor secara aliran atau konveksi. Rambatan kalor konveksi terjadi pada fluida atau zat alir, seperti pada zat cair, gas, atau udara.
Gambar 2.4 Rambatan Kalor di dalam Isolator
Besarnya kalor yang merambat tiap satuan waktu, dapat dituliskan sebagai berikut.
: jumlah kalor yang berpindah tiap satuan waktu,
A : luas penampang aliran,
ΔT : perbedaan temperatur antara kedua tempat fluida mengalir, dan h : koefisien konveksi termal.
Perpindahan panas secara konveksi disebabkan oleh perbedaan massa jenis pada fluida. Angin laut dan angin darat merupakan satu di antara contoh dari konveksi udara secara alami.
Gambar 2.5 Angin Laut dan Angin Darat Terjadi Melalui Konveksi Alami Udara
Selain terdapat proses konveksi alami, terdapat juga proses konveksi paksa. Dalam konveksi paksa, fluida yang telah dipanasi langsung diarahkan ke tujuannya oleh sebuah peniup (blower) atau pompa. Satu di antara contoh dari konveksi paksa yaitu pada sistem pendingin mobil,
Gambar 2.6 Konveksi Paksa pada Sistem Pendingin Mobil c) Perpindahan Kalor Secara Radiasi
Matahari merupakan sumber energi utama bagi manusia di permukaan ini. Energi yang dipancarkan Matahari sampai di Bumi berupa gelombang elektromagnetik. Cara perambatannya disebut sebagai radiasi, yang tidak memerlukan adanya medium zat perantara. Semua benda setiap saat memancarkan energi radiasi dan jika telah mencapai kesetimbangan termal atau temperatur benda sama dengan temperatur lingkungan, benda tersebut tidak akan memancarkan radiasi lagi. Dalam kesetimbangan ini, jumlah energi yang dipancarkan sama dengan jumlah energi yang diserap oleh benda tersebut. Dari hasil percobaan yang dilakukan oleh Josef Stefan dan Ludwig Boltzmann, diperoleh besarnya energi per satuan luas per satuan waktu yang dipancarkan oleh benda yang bersuhu T, yakni
………(2.5)
Keterangan
W : energi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu (watt/m2)
σ : konstanta Stefan–Boltzmann = 5,672 × 10-8 watt/m2 K4 T : temperatur mutlak benda (K), dan
e : koefisien emisivitas (0 < e ≤ 1)
