STANDAR KOPETENSI : Memahami konsep kalor dalam hubungannya dengan suhu benda beserta perambatannya.
KOMPETENSI DASAR : Menjelaskan konsep kalor, suhu dan perambatan kalor. INDIKATOR : 1. Menjelaskan hubungan antara perubahan suhu dan kalor. 2. Menjelaskan terjadinya perambatan kalor.
3. Menjelaskan hubungan antara kalor dan perubahan bentuk. 4. Menganalisis perubahan suhu pada campuran beberapa bahan.
Panas merupakan salah satu bentuk energi yang berhubungan dengan suhu benda. Bentuk energi ini dapat dideteksi oleh tubuh kita meskipun tidak dapat kita lihat, misalkan saja panas sinar matahari, panasnya api atau uap air yang mendidih, panasnya udara pada siang hari di musim kemarau dll. Energi ini sangat kita perlukan hampir pada setiap bidang kehidupan kita, bahkan ini merupakan salah satu kebutuhan utama kita antara lain sebagai penghangat tubuh, memasak makanan, mengeringkan pakaian dan bahkan sampai pada penerapannya dalam teknologi tinggi. Akan tetapi energi ini juga dapat merugikan kita apabila tidak kita kendalikan, misalkan saja terjadinya kebakaran hutan, penyebab ledakan pada tabung gas, dan bahkan bisa menyebabkan kerusakan pada jaringan tubuh. Selain itu energi panas juga mempunyai pengaruh yang signifikan pada sifat fisis benda yang dikenainya, bahkan pada tingkat tertentu dapat merubah fasa (wujud) zat. Es berubah menjadi cair apabila dipanaskan demikian juga air bisa berubah menjadi uap apabila dipanaskan hingga titik didihnya.
Kapasitas Panas dan Panas Jenis
Apabila suatu benda diberi panas, suhunya akan naik jika tidak terjadi perubahan wujud. Suhu akhir benda selain ditentukan oleh volumenya (dalam hal ini berarti massanya) juga ditentukan oleh jenis benda tersebut. Besi dengan kayu jika beri panas yang sama, suhunya akan berbeda meskipun massanya sama. Demikian juga air, minyak dan kaca akan berbeda suhunya apabila diberi panas yang sama.
29
Jenis benda yang dimaksud oleh alinea diatas diwakili oleh apa yang disebut dengan panas jenis yang biasa diberi simbul c. Apabila suatu benda yang bermassa m diberi panas sebesar Q sehingga suhunya berubah sebesar ΔT, maka hubungannya dengan panas jenis dapat dituliskan sebagai
Q = m c ΔT ... (3.1) Beberapa ketentuan ketentuan yang berhubungan dengan rumus (3.1):
1. Jika c dalam satuan kkal/kg K, maka Q dalam satuan kkal, m dalam kg dan
ΔT dalam K.
2. Jika c dalam satuan kJ/kg K, maka Q dalam satuan kJ, m dalam kg dan ΔT dalam K
3. Jika c dinyatakan dalam SI yaitu J/kg K, maka Q dalam satuan J, m dalam kg dan ΔT dalam K
Hubungan antara kal (kalori) dan J (joule) adalah 1 kal = 4,184 J
atau
1 J = 0,24 kal
Dengan demikian panas jenis dapat didefinisikan sebagai energi panas yang dibutuhkan untuk menaikan suhu 1 satuan massa zat sebesar 1 derajat.
Selain itu persamaan (3.1) dapat dituliskan sebagai
Q = C ΔT ..... (3.2) dengan C adalah kapasitas panas zat.
Hubungan antara C dengan c menurut persamaan (3.2) dan persamaan (3.1) dituliskan sebagai
C = m c ..... (3.3) Dengan demikian kapasitas panas zat adalah energi panas yang diperlukan untuk menaikan suhu zat sebesar 1 derajat. Satuan C dalam SI adalah J/K.
Perambatan Panas
Panas dapat merambat melalui medium padat, cair maupun gas, bahkan pada gelombang elektromagnetik panas dapat dihantarkan sekalipun tidak ada medium/zat perantaranya. . Perambatan panas ini ditandai oleh kenaikan suhu benda sekalipun benda tersebut tidak bersentuhan langsung dengan sumber panas. Kita dapat merasakan panas jika berada disekitar api unggun sekalipun kita tidak menyentuh api unggun tersebut, kita juga dapat merasakan panas ketika menyentuh ujung logam yang ujung lainnya bersentuhan dengan sumber panas, kita juga dapat merasakan panas ketika kita mencelupkan tangan kita ke
30
permukaan air yang sedang direbus. Ini merupakan bukti bahwa panas merambat baik melalui medium gas, padat maupun cair.
Konduksi (hantaran) Panas
Konduksi panas merupakan peristiwa perambatan panas yang tidak disertai oleh perpindahan atom atau molekul zat perantaranya. Peristiwa perambatan panas seperti ini terjadi pada zat padat dimana atom atau molekul zat mempunyai ikatan yang kuat sehingga posisinya relatif tetap dalam strukturnya.
Jika sebatang logam homogen dengan panjang ℓ, memiliki luas
penampang A, ujung pertama bersuhu T2 sedangkan ujung yang lain bersuhu T1
(T1 < T2), maka aliran panas H dinyatakan sebagai
T Q H ..... (3.4) dapat pula dinyatakan sebagai
H = k A
T
..... (3.5) dengan k adalah koefisien konduktivitas zat (dinyatakan dalam satuan Wm-1K-1),
∆T = T2 – T1 (dinyatakan dalan K) dan A luas penampang bahan (dinyatakan
dalam m2).
Persamaan (3.5) dapat dituliskan sebagai H = R T ..... (3.6) dengan A k
R yang disebut dengan hambatan panas.
Bila dua batang logam yang berbeda masing – masing suhunya T1 dan T2
mempunyai luas penampang sama A saling disambungkan maka pada suatu saat sambungan kedua logam tersebut akan mencapai suhu kesetimbangan T diman T1
< T < T2. Pada keadaan ini terdapat 2 aliran panas yang terjadi yaitu pada lapisan
1 terjadi aliran panas dari suhu T ke T1 dan pada lapisan 2 terjadi aliran panas dari
suhu T2 ke T. Menurut hukum kekekalan energi haruslah dipenuhi H1 = H2.Pada
lapisan 1 aliran panasnya berasal dari T ke T1 dituliskan sebagai :
H1 = k1 A 1 1 T T atau T – T1 = H1 A k1 1 ..... (3.7)
31
pada lapisan 2 aliran panasnya berasal dari T2 ke T dituliskan sebagai
H2 = k2 A 2 2 T T atau T2– T = H2 A k2 2 ..... (3.8) Lalu dengan menjumlahkan persamaan (3.7) dan persamaan (3.8) diperoleh
T2– T1 = H1 A k1 1 + H2 A k2 2 ... (3.9) Karena H1 = H2 dan dapat diganti H maka persamaan (3.9) menjadi
T2– T1 = H A k A k 2 2 1 1 .... (3.10) Sehingga aliran panasnya dapat dituliskan sebagai
H = 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 T T T T T R R R R k A k A ...... (3.11) Dengan demikian jika n buah batang logam dengan suhu berturut – turut T1, T2, T3, ... Tn disambungkan secara berurutan maka aliran panas yang terjadi
dapat dituliskan sebagai H = n R R R R T ... 3 2 1 ... (3.12)
Konsveksi (Aliran) Panas
Konsveksi panas pemindahan panas yang disertai dengan perpindahan zat perantaranya (mungkin atom atau molekul). Konsveksi panas terjadi pada fluida atau zat alir.
Secara empiris hubungan antara aliran panas dengan perubahan suhu benda dinyatakan oleh
H = h A ∆t ... (3.13) Pada persamaan (3.13) h adalah koefisien konveksi zat (dinyatakan sebagai Wm-
2K-1) dan A adalah luas penampang.
Rumus matematik yang berhubungan dengan konveksi panas, sebenarnya sangat rumit. Hal tersebut disebabkan karena adanya energi (panas) yang hilang, ataupun berhubungan dengan sifat-sifat fluida itu sendiri antara lain :bentuk permukaan, jenis fluida, karakteristik fluida, aliran fluida dan keadaan fluida
32
Radiasi (Pancaran) Panas
Radiasi panas adalah perambatan panas melalui pancaran gelombang elektromagnet. Apabila gelombang elektromagnet yang dipancarkan dari sumber panas terhalang oleh sesuatu benda, maka energi gelombang tersebut akan diserap dan sebagai akibatnya akan menaikkan suhu benda.
Rendah atau tingginya suhu radiasi gelombang elektromagnet tergantung
pada panjang gelombangnya (λ). Menurut Hukum Pegeseran Wien hubungan
antara panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik dengan suhu dinyatakan sebagai
T B
... (3.14) Persamaan (3.14) B tetapan nilai 2,898 .10-3 mK, T suhu mutlak dan λ panjang
gelombang maksimum yang dipancarkan oleh benda panas tersebut.
Hubungan antara radiasi panas dengan suhu menurut Josef Stefan dinyatakan dalam bentuk,
H = e σ A T4 ... (3.15)
Pada persamaan (γ,15) σ adalah tetapan Stefan-Boltzman yang besarnya 5,67
.10-8 Wm-2K-4, e koefisien emisi yang nilainya antara (0 – 1) tergantung pada keadaan permukaan zat.
Asas Black
Pada dasarnya setiap benda dialam ini akan berusaha mencapai suhu kesetimbangan mereka. Dua buah logam yang suhunya berbeda jika disentuhkan lama kelamaan akan mempunyai suhu yang sama, demikian juga udara disekitar kita meskipun mekanisme untuk mencapainya berbeda. Untuk menaikan suhu suatu zat memerlukan panas, sebaliknya untuk menurunkan suhu, suatu zat perlu melepaskan panas.
Hubungan antara perubahan suhu sistem tersebut diatur oleh azas Black. Menurut Black, bila dua buah zat yang suhunyn berbeda disentuhkan maka besarnya panas yang dilepaskan oleh benda pertama akan sama dengan besarnya panas yang diterima oleh benda ke dua. Secara matematis hubungan ini dituliskan sebagai
33
Jika zat pertama massa m1, suhu t1o dan kapasitas jenisnya c1, dan zat kedua
massa m2 bersuhu t2o dan berkapasitas jenis c2 (dengan nilai o 1
t < t2o), maka suhu akhir akan sama yaitu to dengan rumus.
m1 c1 (to - t ) = m1o 2 c2 ( o 2
t - to) ... (3.17)
Perubahan Wujud Zat
Seperti yang kita ketahui, zat yang sama bisa mempunyai tiga wujud, yakni padat, cair dan gas. Sebagai contoh, air dapat berbentuk es (padat) pada
suhu ≤ 0 0C, air (cair) pada suhu antara 0 0C sampai 100 0C dan uap (gas) pada
suhu ≥ 100 0C pada tekanan 1 atmosfir. Pada proses perubahan wujud suatu zat
menyerap atau melepaskan kalor. Besarnya panas yang diserap atau dilepaskan oleh 1 kg zat untuk merubah wujud disebut dengan kalor laten.
Hubungan antara panas yang diserap atau dilepaskan dengan kalor laten dapat dituliskan sebagai :
L m
Q . ... (3.18)
Pada rumus (3.18), L adalah kalor laten (joule/kg)
Hubungan antara panas dan perubahan wujud zat dapat dilukiskan seperti pada gambar 15
Gambar 15 : Grafik hubungan antara suhu dan panas pada sebagian besar zat.
Soal
1. Sebuah ruangan bersuhu 10 0C mempunyai 2 buah jendela kaca berukuran 40 x 60 cm2. Suhu diluar ruangan adalah 30 0C, dan aliran kalor antara ruangan dengan bagian luar terjadi hanya melalui kedua jendela tersebut. Hitung laju aliran kalor yang terjadi.
2. Hitung banyaknya air yang bersuhu 50 0C yang diperlukan untuk mencairkan 400 gr es bersuhu – 5 0C.
3. 200 gr es bersuhu – 10 0C dicampur dengan 500 gr air bersuhu 27 0C. Hitung suhu akhir campuran! Jelaskan juga keadaan akhir campuran.
100 0 T (oC) cair gas / uap Q (kkal) Q1 Q2 Q3 Q4 Padat
34