BAB II KAJIAN TEORITIS, KERANGKA BERPIKIR, DAN HIPOTESIS
A. Kajian Teoritis
3. Konsep Kalor
a. 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).46
James Prescott Joule (1818-1889) melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan bahwa kalor, seperti kerja, mempresentasikan transfer energi. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor, dikenal dengan tara kalor mekanik.
Jadi, kalor mengacu pada transfer energi dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur.
47
b. Kalor Jenis
Dengan demikian, kalor dan energi kadangkala juga dinyatakan dalam kalori atau kilokalori, di mana 1 kal = 4,186 J yang merupakan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 g air sebesar 1Co.
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,48
� =��∆� ………(2.1)
di mana c adalah besaran karakteristik dari zat tersebut, yang disebut kalor jenis. Karena c = Q/m∆T, kalor jenis dinyatakan dalam satuan J/kg.Co (satuan SI yang sesuai) atau kkal/kg.Co. Jadi, kalor jenis, c, dari zat didefinisikan sebagai energi (atau kalor) yang dibutuhkan untuk mengubah temperatur massa satuan zat sebesar 1 derajat.
46
Douglas C Giancoli, Fisika, Edisi 5, Jilid 1, (Jakarta: Erlangga, 2001), h.489.
47 Ibid.
48
c. Konservasi Energi
Ketika bagian-bagian yang berbeda dari sistem yang terisolasi berada pada temperatur yang berbeda, kalor akan mengalir dari bagian dengan temperatur yang lebih tinggi ke bagian dengan temperatur lebih rendah. Jadi, konservasi energi memainkan peranan penting: kehilangan kalor sebanyak satu bagian sistem sama dengan kalor yang didapat oleh bagian yang lain:49
Pertukaran energi tersebut merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor.
���������ℎ����� = ���������������� …………(2.2) 50
d. Kalor Laten
Dengan demikian, ketika kalor mengalir di dalam sistem yang terisolasi, 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.
Ketika suatu zat berubah wujud dari padat ke cair, atau dari cair ke gas, sejumlah tertentu energi terlibat pada perubahan wujud. Kalor yang dibutuhkan untuk mengubah 1,0 kg zat dari padat menjadi cair disebut kalor lebur. Kalor yang dibutuhkan untuk mengubah suatu zat dari cair ke uap disebut kalor penguapan.51
Gambar 2.1 Bagan perubahan wujud benda
49 Ibid., h.494. 50 Ibid., h.495. 51 Ibid., h.497.
Kalor penguapan dan lebur juga mengacu pada jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat ketika berubah dari gas ke cair, atau dari cair ke padat. Nilai-nilai untuk kalor lebur dan kalor penguapan, yang disebut juga kalor laten. Kalor yang terlibat dalam perubahan wujud tidak hanya bergantung pada kalor laten, tetapi juga pada massa total zat tersebut. Sehingga,52
Kita dapat menggunakan teori kinetik untuk memahami mengapa dibutuhkan energi untuk meleburkan atau menguapkan suatu zat. Diketahui bahwa pada saat benda berada pada wujud padat, molekulnya terletak teratur. Pada saat melebur, energi dibutuhkan untuk mencegah energi potensial molekul dan bukan untuk menaikkan energi kinetik. Setelah molekul lepas dari gaya tarik
� =�� ………(2.3)
di mana L adalah kalor laten proses dan zat tertentu, m adalah massa zat, dan Q adalah kalor yang dibutuhkan atau dikeluarkan selama perubahan wujud. Jadi, pertukaran energi terjadi, tanpa perubahan temperatur, ketika zat berubah wujud.
Kalor laten untuk mengubah cairan menjadi gas diperlukan tidak hanya pada titik didih. Air juga dapat berubah dari wujud cair ke gas bahkan pada temperatur ruangan. Proses ini disebut penguapan. Ketika air menguap, air akan mendingin, karena energi yang dibutuhkan (kalor laten untuk penguapan) datang dari air itu sendiri.
Penguapan air dari kulit merupakan satu dari metode penting yang digunakan tubuh untuk mengendalikan temperaturnya. Ketika temperatur darah naik sedikit di atas normal, kelenjar hypothalamus mendeteksi naiknya temperatur ini dan mengirimkan sinyal ke kelenjar keringat untuk menaikkan produksinya. Energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air ini berasal dari tubuh, dan dengan demikian tubuh menjadi dingin.
Ketika tubuh kita berkeringat karena berolahraga, janganlah berdiri di tempat yang aliran anginnya kuat. Aliran angin yang kuat akan menghasilkan pendinginan lebih pada penguapan keringat dan menyebabkan turunnya ketahanan tubuh kita terhadap infeksi. Akibatnya, tubuh mudah terserang penyakit.
52
tarik-menariknya, mereka dapat bebas bergerak sehingga ketika benda diberi kalor akan digunakan untuk menaikkan energi kinetik dan temperatur benda meningkat. Pada saat menguap, energi dibutuhkan untuk mencegah agar tidak berdekatan den terlepas ke fase gas. Pada umumnya, kalor pengupaan lebih besar dibandingkan kalor peleburan karena jarak rata-rata antarmolekul menjadi jauh lebih besar.
Suatu zat kadang-kadang dapat berubah wujud dari padat langsung menjadi gas. Proses ini dinamakan menyublim. Sebagai contoh, karbon dioksida cair hanya ada pada tekanan yang lebih rendah dari 5 × 105 Pa (kira-kira 5 atm), padahal karbon dioksida padat dapat menyublim pada tekanan atmosfer (1 atm). Oleh karena itu, pada keadaan normal, karbon dioksida padat (disebut es kering) jika diberi kalor langsung berubah menjadi gas karbon dioksida tanpa melalui wujud cair.
Peristiwa menyublim dimanfaatkan orang dalam teknik pengeringan beku (freeze drying) untuk mengawetkan produk makanan, bunga, dan plasma darah. Mula-mula produk makanan diawetkan dengan membekukan kandungan airnya pada pada temperatur yang rendah. Kemudian, es yang terkurung dalam produk makanan diuapkan dengan cara mengurangi tekanan sehingga es langsung menyublim menjadi uap air. Uap air ini dialirkan ke luar dari tempat pengeringan sehingga tinggallah produk makanan kering tanpa kehilangan kandungan zat-zat penting (bau dan citarasa). Oleh karena kering, produk makanan tidak mudah membusuk. Kelak, jika produk makanan hendak digunakan, kondisinya dapat dipulihkan dengan menambah air.
e. Perpindahan Kalor
Kalor berpindah dari satu tempat atau benda ke yang lainnya dengan tiga cara, yaitu dengan konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi kalor pada banyak zat dapat digambarkan sebagai hasil tumbukan molekul-molekul. Tumbukan molekul mentransfer energi gerakan termal ke sepanjang benda. Konduksi atau kecepatan aliran kalor dinyatakan oleh hubungan,53
53
∆� ∆� = ��
�1−�2
� ………(2.4)
di mana A adalah luas penampang lintang benda, l adalah jarak antara kedua ujung, yang mempunyai temperatur T1 dan T2, dan k adalah konstanta pembanding yang disebut konduktivitas termal, yang merupakan karakteristik zat tersebut. Zat-zat di mana k besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang baik, sedangkan zat-zat yang memiliki k yang kecil merupakan penghantar kalor yang buruk dan dengan demikian dinamakan isolator.54
Konveksi adalah proses di mana kalor ditransfer dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat yang lain. Jika konduksi melibatkan molekul yang hanya bergerak dalam jarak yang kecil dan bertumbukan, maka konveksi melibatkan pergerakan partikel dalam jarak yang besar.
Jadi, zat bukan logam umumnya bukan penghantar kalor yang baik (isolator), termasuk air dan udara. Udara sebagai penghantar kalor yang buruk telah sering kita manfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Ketika udara malam hari terasa dingin, kita tidur dengan menggunakan selimut. Udara yang terperangkap di antara tubuh dan selimut berfungsi sebagai isolator kalor, yang akan menghambat perpindahan kalor dari tubuh ke udara dingin di luar selimut. Akibatnya, tubuh kita tetap hangat.
Dengan demikian, pada konduksi, energi ditransfer dari molekul atau elektron dengan energi kinetik yang lebih tinggi ke tetangganya yang mempunyai energi kinetik yang lebih rendah ketika mereka bertumbukan. Kita dengan mudah menemukan manfaat konduktor dan isolator dalam keseharian, seperti pada panci untuk memasak atau pada setrika listrik.
55
Proses konveksi ini dapat diamati pada air yang dimasak di atas kompor. Air yang berada di dasar wadah mendapatkan kalor dari nyala api secara konduksi. Kemudian temperatur air di dasar wadah akan bertambah dan volumenya juga bertambah. Pertambahan volume ini menebabkan massa jenis air
Jadi, konveksi merupakan transfer energi dengan cara perpindahan massa menempuh jarak yang cukup jauh. 54 Ibid., h.502. 55 Ibid., h.504.
menjadi lebih kecil dibandingkan dengan air yang ada di bagian atas sehingga air menjadi lebih ringan lalu bergerak ke atas. Perpindahan tersebut meninggalkan tempat kosong yang langsung diisi oleh air yang belum panas (massa jenis besar). Hal ini terus terjadi sampai air terus bergerak dan berputar. Jadi, 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 2.2 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, di mana air diedarkan di dalam pipa-pipa air oleh bantuan sebuah pompa air (water pump). Panas mesin yang tidak dikehendaki dibawa oleh sirkulasi air menuju ke radiator. Di dalam sirip-sirip radiator ini air hangat didinginkan oleh udara. Air yang dingin kembali menuju pipa-pipa air yang bersentuhan dengan blok-blok mesin untuk mengulang siklus berikutnya. Perlu diperhatikan bahwa radiator berfungsi sebagai penukar kalor (heat exchanger). Jadi, fungsi radiator yaitu menjaga temperatur mesin agar tidak melampaui batas desain, sehingga mesin tidak rusak karena pemanasan lebih. Oleh karena itu, pemilik mobil harus selalu memeriksa apakah volume air radiatornya cukup atau tidak. Mengapa air yang digunakan sebagai fluida? Jawabannya adalah karena air mempunyai kalor jenis yang besar sehingga mampu mengambil kalor yang cukup besar.
Gambar 2.3 Konveksi paksa pada sistem pendingin mobil
Semua kehidupan di bumi ini bergantung pada transfer energi dari matahari, dan energi ini ditransfer ke bumi melalui ruang yang hampa (atau hampir hampa). Bentuk transfer energi ini dalam kalor dinamakan radiasi. Radiasi pada intinya terdiri dari gelombang elektromagnetik.56
Di mana A luas permukaan benda dan T temperatur mutlak suatu benda. Persamaan ini disebut persamaan Stefan-Boltzmann, dan σ merupakan konstanta universal yang disebut konstanta Stefan-Boltzmann yang memiliki nilai 5,67 × 10 -8
W/m2.K4.
Dengan demikian, radiasi merupakan transfer energi oleh gelombang elektromagnetik yang tidak membutuhkan adanya materi, seperti dari matahari.
Kecepatan sebuah benda meradiasikan energi (∆Q/∆t) dinyatakan melalui hubungan,
∆�
∆� =����4 ………(2.5)
57
Faktor e, disebut emisivitas, merupakan bilangan antara 0 dan 1 yang merupakan karakteristik materi. Permukaan yang sangat hitam, mempunyai emisivitas yang mendekati 1, sementara permukaan yang mengkilat mempunyai e yang mendekati 0. Permukaan mengkilat tidak hanya memancarkan radiasi, tetapi juga menyerap radiasi. Dengan demikian, penyerap yang baik juga merupakan pemancar yang baik.58
56 Ibid., h.507. 57 Ibid. 58 Ibid.
panas di mana permukaan dalam termos selalu diberi lapisan perak mengkilap untuk mengurangi radiasi kalor dan kehilangan kalor karena penyerapan dinding termos. Permukaan mengkilap tersebut merupakan penyerap dan pemancar kalor yang buruk.
Jadi, semua benda memancarkan energi dengan jumlah yang sebanding dengan pangkat empat temperatur Kelvinnya dan dengan luas permukaannya. Energi yang dipancarkan (atau diserap) juga bergantung pada sifat permukaan yang dikarakteristikan oleh emisivitas, e.
Satu di antara contoh dari pemanfaatan radiasi di dalam kehidupan sehari-hari, yaitu pada sistem perapian rumah. Sebagian besar kalor pada perapian rumah akan naik ke atas cerobong asap karena dibawa oleh konveksi udara. Tubuh kita merasa hangat karena penjalaran kalor ke samping dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Dengan kata lain, tubuh kita merasa hangat karena penghantaran kalor secara radiasi. Contoh lainnya yaitu pada perangkat panel surya (solar panel) yang digunakan untuk menyerap radiasi dari Matahari. Panel surya terdiri dari wadah logam berongga yang dicat hitam dengan panel depan terbuat dari kaca. Kalor radiasi dari Matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduksi melalui logam.
Benda apapun tidak hanya memancarkan energi dengan radiasi, tetapi juga menyerap energi yang diradiasikan oleh benda lain. Jika sebuah benda dengan emisivitas e dan luas A berada pada temperatur T1, benda ini meradiasikan
energi dengan kecepatan eσAT14. Jika benda tersebut dikelilingi oleh lingkungan
dengan temperatur T2 dan emisivitas tinggi, kecepatan radiasi energi oleh
sekitarnya sebanding dengan T24, dan kecepatan energi yang diserap oleh benda
sebanding dengan T24. Kecepatan total aliran kalor radiasi dari benda dinyatakan
dengan persamaan,
∆�
∆� =���(�14− �24) ………(2.6)
di mana A adalah luas permukaan benda, T1 adalah temperaturnya dan e
emisivitasnya (pada temperatur T1), dan T2 adalah temperatur sekelilingnya.59
59 Ibid.