Perpindahan Kalor

BAB 3 SUHU DAN KALOR

E. Perpindahan Kalor

Kalor yang dilepaskan oleh logam akan sama dengan kalor yang diterima oleh air. Sebelum dimasukkan kedalam calorimeter, massa logam, massa air, suhu logam dan suhu air harus diukuir terlebih dahulu. Setelah terjadi kesetimabnagn termal, suhu logam akan menjadi sama dengan suhu air. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

E. PERPINDAHAN KALOR

Terdapat tiga mekanisme perpindahan kalor antar-medium:

 Konduksi: konduksi adalah perpindahan kalor dengan cara menempelkan langsung antara dua medium yang berbeda temperatur. Misalnya, kita memasak air dengan panci alumunium yang terhubung langsung tanpa ada pemisah.

 Konveksi: konveksi adalah perpindahan kalor melalui aliran massa suatu medium perantara. Misalnya, pada radiator pendingin mesin menggunakan air sebagai medium alir penghantar kalor.

 Radiasi: radiasi adalah perpindahan kalor melalui pancaran radiasi elektromagnetik. Misalnya, sinar matahari yang sampai ke bumi tanpa medium apa pun di ruang hampa udara.

1. Perpindahan Kalor Secara Konduksi

kalor

Kalor mengenai satu bagian benda sehingga atom-atom di bagian tersebut bergetar kencang

 Getaran tersebut memaksa atom di sekitarnya ikut bergetar

 Atom yang di sebelah, memaksa atom di sebelahnya lagi ikut bergetar  Akhirnya, atom di ujung yang lain benda tersebut ikut bergetar

 Terjadi perambatan getaran.

Q

_{lepas (logam)}

= Q

_{terima (air)}

(m.c 𝑡)

logam

= (m . c 𝑡)

air

Atau

 Perambatan getaran ini yang merepresentasikan perambatan kalor dalam zat

Contoh konduksi

Kalor dari dalam elemen ke permukaan luar setrika merambat melalui konduksi

Kalor dari ujung batang yang satu ke ujung yang lain merambat melalui konduksi

Laju kalor dalam peristiwa konduksi:

Dengan:

H = arus kalor(J/s)

K = konduktivitas termal (W/m^oC) A = Luas penampang aliran (m²)

Tb = temperatur tinggi (^oC)

Ta = temperatur tinggi (^oC)

L = panjang penghantar (m) 2. Perpindahan Kalor Secara Konveksi

panas

Pemanasan di bawah menyebabkan massa jenis zat cair di bawah mengecil akibat pemuaian

 Massa jenis yang kecil akan ke atas dan massa jenis yang besar akan ke bawah  Molekul-molekul zat cair yang berada di bawah (bergerak lebih kencang) bergerak naik  Molekul-molekul zat cair yang berada di atas (bergerak lebih lambat) bergerak naik  Akibatnya, bagian atas zat cair menjadi panas

 Kita katakan kalor telah berpindah dari bagian bawah ke bagian atas

L

T

kA

Beberapa contoh konveksi

Pemanasan ruangan

Konveksi dalam

lapisan bumi: salah saty penyebab keluarnya magma

Konveksi di atmosfer: menjadi angin

Laju kalor dalam peristiwa konveksi:

Keterangan:

H = laju kalor (watt atau J/s)

h = koefisien konveksi bahan (W m^-2K^-1)

A = Luas penampang yang bersentuhan dengan fluida (m²) = = = beda suhu antara benda dan fluida (K atau ^oC)

3. Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Kalor merambat tanpa perantara. Sebagian besar ruang antar bintang dan planet adalah hampa

Dari api unggun kalor merambat melalui radiasi dan konveksi (melalui udara) T hA T Q H     

T



Pendingin pada komputer memanfaatkan fenomena konduksi, konveksi, dan radiasi sekaligus untuk mendinginkan mikroprosessor sehingga tidak rusak

Laju kalor dalam peristiwa radiasi, kemudian diberi nama Hukum Stefan Boltzmann: W = e σ T4 Keterangan: W = kalor(daya/laju W ) e = emisivitas benda = konstanta Stefan (5,67 x 10^-8 W m^-2 K^-4) T = suhu benda (K) σ = tetapan Stefan = 5,672 x 10^-8 Wm^-2K⁴ Contoh Soal :

1. Sebuah logam massanya 2 kg dipanasi dari suhu 15⁰C sampai 35⁰C, jika kalor jenis logam 600 J/kg⁰C. Hitunglah banyaknya kalor yang diperlukan !

Penyelesaian : Dik : m = 2Kg T1 = 15⁰C = t1 - t2 = 35⁰ – 150 = 20⁰C T2 = 35⁰C c = 600 J/Kg⁰C Dit : Q = ? Jawab : Q = m . c . = 2 . 600 . 20 = 24.000 J

2. Sebuah benda diberi kalori sebesar 10.000 joule, sehingga mengalami kenaikan suhu sebesar 20⁰C. tentukan kapasitas kalor tersebut?

Penyelesaian : Dik: Q = 10.000j = 20⁰C Dit : C =………? Jawab : Q = C. C = = = 500 J/⁰C

3. Satu kilogram timah suhunya 80⁰C dan kalor jenisnya 1300 J/Kg⁰C diselupkan ke dalam air yang massanya 2 kg pada suhu 20⁰C. (ca = 4200 J/kg⁰C). Hitung suhu akhir campuran antara timah dan air!

Penyelesaian :

Dik : timah air

m = 1 kg m = 2 kg t = 80⁰C t = 20⁰C c_timah = 1300J/kg⁰C c_air = 4200 J/Kg⁰C Dit : ta = ……….? Jawab : Qlepas = Qterima m . c. = m . c . 1. 1300 .(80 –ta) = 2 . 4200 . (ta -20) 104000 – 13000ta = 8400 ta – 168.000 104000 + 168.000 = 8400 t_a + 1300 t_a 272000 = 9700 ta ta = = 28⁰C

4. Sebatang baja panjangnya 1 m, dipanaskan dari 0⁰ C sampai 100⁰C. Jika koefisien mui panjang 12 x 10^-6 /⁰C.

Hitung pertambahan panjang baja tersebut ! Penyelesaian Dik : l_o = 1 m t1 = 0⁰C =(100 – 0) = 100⁰C t2 = 100⁰C = 12 x 10^-6/⁰C it : = ……..? Jawab : = l0 . . = 1 . 12 x 10^-6 . 100 = 12 x 10^-4 = 0,0012 m

5. Gas dalam ruang tertutup bersuhu 12⁰C dan tekanan 7 atm sertra volumenya 8 liter. Apabila gas dipanasi sampai 87⁰C, tekanan naik sebesar 1 atm. Hitung volume gas sekarang !

Dik : T1 = 12 + 273 = 275 K T₂ = 87 + 273 = 360 K V1 = 8 liter

P1 = 7 atm P2 = 8 atm Dit : V2 =……..? Jawab : = = V = = = 9,16 liter

6. Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 50 kg es dari -20⁰C menjadi air pada suhu 10⁰C. Jika ces = 0,5 kal/gr⁰C, cair = 1 kal/gr⁰C dan Les = 80 kal/gr?

Penyelesaian : Dik : m = 50 kg = 50.000 gr t1 = -20⁰C t₂ = 10⁰C ces = 0,5 kal/gr⁰C cair = 1 kal/gr⁰C Les = 80 kal/gr Dit : Qtot = ………? Jawab : 10⁰ Q3 Q2 = (10-0) = 10⁰C 0⁰ 0⁰ Q1 =(0-(-20)) = 20⁰C -20⁰ Qtot = Q1 + Q2 + Q3 = m. c_e . + m . L_es + m . c_air . = 50.000 x 0,5x 20 + 50.000x 80 + 50.000 x 1 x 10 = 500.000 + 4000.000 + 500.000 = 5000.000 kal.

7. Sebuah batang besi panjangnya 4 m dengan luas penampang 25 cm². Beda suhu antara kedua ujung besi 80⁰ C . diketahui pula koefisien konduksi termal besi

4,6 J/ms⁰C . Tentukan jumlah kalor yang diperlukanperstuan waktu.

Penyelesaian :

Dik : l = 4 m ; =T1 - T2 = 80⁰

A = 25 cm² = 25 x 10^-4 m² ; k = 4,6 J/ms⁰C Dit : H= ……….?

Jawab:

H = = = 0,23 J/s

8. Gas dengan koefsien konveksi termal 0,05 kal/s.m^{2 0}C dirambatkan di dalam pipa dengan luas penampang 10 cm^{2. .}Gas mengalir dari tempat yang bersuhu 80⁰C ke tempat yang bersuhu 70⁰C. Hitunglah banyaknya kalor yang mengalir persatuan waktu.

Penyelesaian : Dik : h = 0,05 kal/s m^{2 0}C : A = 10 cm² = 10^-3m² T = (80 -70)⁰C = 10⁰C Dit : H = ………? Jawab : H = h . A . t = 0,05 x 10^-3 x 10 = 5 . 10^-4 kal/s

9. Sebuah benda hitam sempurna, suhunya 127⁰C dengan luas permukaan 50 cm² memancarkan energy ke lingkungan bersuhu 27⁰C. Tentukan energy persatuan waktu yang dipancarkan oleh benda tersebut.

Penyelesaiain:

Dik : benda hitam sempurna , e = 1 A = 50 cm² = 5 . 10^-3 cm² = 5,672 . 10-8 watt/m²K⁴ T₁ = 273 +127 = 400 K T2 = 273 + 27 = 300 K Dit : W/t =……? Jawab : W/t = e. (T⁴ - T0⁴ )A =(1).(5.672. 10^-8)(400 -300). 5.10^-3 = 4,963 .Joule/s = 4,963 watt

10. Dua batang P da Q memiliki bentuk yang sama tetapi jenis berbeda. Kedua ujung disambung.. Ujung bebas P bersuhu 90⁰C dan ujung bebas Q bersuhu 0⁰C. sedangkan koefisien konduksi termal P adalah 3 kali koefisien konduksi

termal Q, Tentukan suhu sambungan antara logam P dan Q.

Penyelesaian :

Dik. : IP = IQ Ap = AQ

Kp = 3KQ TP = 90⁰C TQ = 0⁰C

Dit : T = …….? TP = (90 - T) TQ = T = = 3KQ (90 – T) = KQ . T 270 -3T = T 270 = 4T T = 67,5 ⁰C F. Uji Kompetensi Pilihan Ganda

1. Dalam system Satuan Internasional, besaran suhu mempunyai satuan : a. Celcius b. Carnot c. Kelvin d. Reamur e. Fahrenheit

2. Jika Skala thermometer dalam derajat Fahrenheit menunjukan nol derajat, angka ini sesuai dengan : a. 245,7 K

b. 255,2 K c. 264,4 K d. 278,2 K e. 290,7 K

3. Sebuah lempeng alumunium berbentuk persegi panjang sisi 50 cm dengan suhu 30⁰C ( = 25 x 10-6

/⁰C) maka luas persegi lempeng tersebut jika suhunya dinaikan menjadi 150⁰C adalah …… a. 1500 cm² b. 2515 cm² c. 3750 cm² d. 11250 cm² e. 37500 cm²

4. Suatu gas yang suhunya 27⁰C dipanaskan pada tekanan tetap sehingga volumenya menjadi empat kali semula. Maka suhu gas sekarang adalah ……. a. 81⁰C b. 819⁰C c. 927⁰C d. 1338⁰C e. 1365⁰C

5. Banyaknya kalor yang diperlukan untuyk menaikkan suhu 1⁰C pada massa 1 gram air disebut ….. a. Satu kilokalori

b. Satu joule c. Satu derajat d. Satu kalori e. Satu kalor jenis

6. Kalor jenis es 0,55 kal/gr⁰C, maka untuk menaikkan suhu 50 Kg es dari -45⁰C ke -5⁰C dibutuhkan kalor sebanyak…….

a. 8,7 . 10⁵ Kal b. 9,4 . 10⁵ kal

c. 11 . 10⁵ kal d. 12 . 10⁵kal e. 13 . 10⁵ kal

7. Jika 75 gram air yang suhunya 0⁰C dicampur dengan 50 gr air yang suhunya 100⁰C, maka suhu campurannya adalah ……. a. 25 ⁰C b. 40⁰C c. 60⁰C d. 65⁰C e. 75⁰C

8. Dua batang P dan Q dengan ukuran yang sama tetapi jenis logam berbeda dilekatkan seperti pada gambar di bawah. Ujung kiri P bersuhu 90⁰C dan ujung kanan Q bersuhu 0⁰C. Jika koefisien konduksi termal P adalah dua kali koefisien konduksi termal Q, maka bidang batas P dan Q adalah….

a. 45⁰C b. 55⁰C c. 60⁰C d. 72⁰C e. 80⁰C 9. Batang alumunium ( k = 5 x 10 ^-2 kkal/s m⁰C) luas penampang ujungnya 1 cm dan panjang 1 m. Ujung-ujung batang bersuhu 0⁰c dan 20⁰C. banyak kalor yang merambat tiap sekon adalah …… a. 0,1 kal/s

b. 0,2 kal/s c. 0,5 kal/s d. 5 kal/s e. 10 kal/s

10. Sebuah benda hitam sempurna dengan luas permukaan 100cm² dengan suhu 727⁰C , jika 5,67 x 10^-8Wm^-2K^-4, maka besar energy yang dipancarkan selama 1 menit adalah ……. a. 2,4 x 10³J b. 3,4 x 10³J c. 2,4 x 10⁴J d. 3,4 x 10⁴J e. 1,8 x 10⁴J Uraian

1. Sebuah termometer menunjukkan suhu 60 ^oC. Hitunglah suhu termometer tersebut jika dinyatakan dalam. :

a. skala Fahrenheit b. skala Reamur c. skala Kelvin

2. Hasil pengukuran dengan thermometer Celcius menunjukkan suhu air 40C. Jika diukur dengan thermometer yang menggunakan skala Fahrenheit, Reamur dan kelvin, hitung suhunya.

3. Suhu suatu benda dinyatakan dalam skala Fahrenheit menunjukkan 77 ^oF. Hitunglah besar suhu tersebut jika dinyatakan dalam K !

4. Sebuah termometer dengan skala bebas ^oX memiliki titik beku air pada -40 ^oX dan titik didih air 160 ^oX. Pada saat termometer tersebut terbaca 15 ^oX, hitunglah besar suhu tersebut yang terbaca pada skala Cecius !

5. Apabila angka yang ditunjukkan oleh thermometer Fahrenheit llima kali angka yang ditunjukkan oleh termometer Celcius, hitunglah suhu benda tersebut

6. Panjang batang rel kereta api masing – masing 10 m dipasang pada suhu 20 o

C. Diharapkan pada suhu 30 ^oC rel tersebut saling bersentuhan. Koefesien muai pajang rel kereta api 12 x10^-6 /^oC. Hitunglah jarak kedua batang rel yang diperlukkan pada suhu 20 ^oC !

7. Sebatang baja (angka muai panjangnya 10^-5 /^oC) panjangnya 100 cm pada suhu 30 ^oC. Bila batang baja tersebut dipanasi hingga panjangnya menjadi 100,1 cm, hitunglah besar suhunya sekarang !

8. Suatu pelat logam mempunyai luas 100 cm². Koefesien muai panjang 10^-5 /^oC dipanasi dari 26 ^oC sampai 76 oC. Hitunglah lluas pelat logam pada suhu akkhir ! 9. Sebuah bola berongga terbuat dari perunggu (koefesien muai panjang = 18 x 10^-6 /^oC)

pada suhu 0 ^oC jari – jarinya 1m. Jika bola tersebut dipanaskan sampai 80 o

C, hitunglah pertambahan luas permukaan bola tersebut !

10. Tangki mobil terbuat dari baja yang mempunyai oefesien muai panjang 12 x 10^-6/ ^oC dan bervolume 0,05 m³ berisi penuh dengan bensin yang mempunyai koefesien muai volume 950 x 10^-6 /^oC. Jika tangki dipanaskan sehingga suhunya naik 10 ^oC, hitunglah volume bensin yang tumpah !

11. Sebutir peluru berbentuk bola terbuat dari tembaga dengan jari-jari 3 mm pida suhu 20⁰ C. Jika koefisien muai panjang tembaga 17 x 10^-6/⁰C, tentukan volume peluru tersebut jika dipanaskan hingga mencapai suhu 170⁰C.

12. Sebuah benda bermassa 0,5 kg mempunyai kalor jenis 860 J/kg⁰C. Jika benda tersebut diberikan kalor sebesar 1.720 joule. Hitunglah perubahan suhu benda tersebut.

13. Tentukan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu 0,2 kg es dari -10⁰ C hingga seluruhnya menjadi air bersuhu 50⁰ C. Diketahui kalor lebur es 3,36 x 10⁵J/kg, kalor jenis es 2100 Jkg^{-1 0}C^-1, dan kalor jenis air 4200kg^{-1 0}C^-1.

14. Sebuah lempengan besi panas yang suhu permukaannya 227⁰C memiliki koefisien emisivitas permukaan sebesar 0.5. Tentukan daya persatuan luas permukaan yang dipancarkan oleh lempengan besi tersebut .