KALOR. system yang lain; ini merupakan dasar kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif pertukaran kalor.

KALOR

1. Energi termal, atau energi dalam, U, mengacu pada energi total semua molekul pada benda. Untuk gas monoatomik ideal

nRT NkT

U =

₂³

=

₂³ (1)

2. Kalor mengacu pada transfer energi dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Kalor dengan demikian diukur dalam satuan energi, misalnya joule.

3. Kalor dan energi dalam kadangkala juga dinyatakan dalam kalori atau kilokalori, di mana

1 kal = 4,189 J (2) merupakan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan

temperatur 1 g air sebesar 1^oC.

4. Kalor jenis, c, dari zat didefinisikan sebagai energi (atau kalor) yang dibutuhkan untuk merubah temperatur massa satuan zat sebesar 1 derajat; dalam bentuk persamaan,

T mc

Q = ∆

(3) di mana Q adalah kalor yang diserap atau dikeluarkan,

∆ T

adalah penambahan atau pengurangan temperatur, dan m adalah massa zat.

5. Ketika kalor mengalir di dalam system yang terisolasi, kekekalan energi memberitahu kita bahwa kalor yang diterima oleh satu bagian system sama dengan kalor yang dikeluarkan oleh bagian

system yang lain; ini merupakan dasar kalorimetri, yang merupakan pengukuran kuantitatif pertukaran kalor.

6. Pertukaran energi terjadi, tanpa perubahan temperatur, ketika sebuah zat berubah fase. Kalor lebur adalah kalor yang

dibutuhkan untuk meleburkan 1 kg zat padat menjadi fase cair;

juga sama dengan kalor yang dikeluarkan ketika zat berubah dari cair ke padat. Kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan suatu zat adalah hasil kali massa zat itu dan panas laten peleburan

L

_f :

mL

f

Q =

Kalor penguapan merupakan energi yang dibutuhkan untuk mengubah 1 kg zat dari fase cair ke gas; juga merupakan energi yang dikeluarkan ketika zat berubah dari uap ke cair. Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan cairan adalah hasil kali massa cairan dan panas laten penguapan

L

_V :

mL

V

Q =

Pencairan dan penguapan terjadi pada temperatur konstan.

Untuk air,

L

_f

= 333 , 5 kJ/kg

dan

L

_V

= 2257 kJ/kg

. Kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan 1 g es atau untuk menguapkan 1 g air adalah besar dibandingkan dengan kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 g air sebanyak satu derajat.

7. Ketiga mekanisme transfer energi termis adalah konduksi, konveksi, dan radiasi.

8. Kalor ditransfer dari satu tempat (atau benda) ke yang lainnya dengan tiga cara. Pada konduksi, energi ditransfer dari molekul atau electron dengan EK yang lebih ke tetangganya yang mempunyai EK yang lebih rendah ketika mereka bertumbukan.

Laju konduksi energi termis diberikan oleh

x kA T T I Q

∆

= ∆

∆

= ∆

dengan

I

adalah arus termis dan

k

adalah koefisien konduktivitas termis. Persamaan ini dapat ditulis

IR T =

∆

dengan

R

adalah resistansi termis :

kA R = ∆ x

Resistansi termis untuk satuan luasan bahan lempengan dinamakan factor

R

yaitu

R

_f :

k RA x R

_f

= = ∆

Resistansi termis ekivalen dari deretan resistansi termis yang dihubungkan secara seri sama dengan jumlah masing-masing resistansi :

seri resistansi

2 1

+ + ⋅ ⋅⋅

= R R R

_ek

Resistansi termis ekivalen untuk resistansi termis yang dihubungkan secara paralel diberikan oleh :

paralel resistansi

1 ...

1 1

2 1

+ +

= R R R

_ek

9. Konveksi adalah transfer energi dengan cara perpindahan massa menempuh jarak yang cukup jauh.

10. Radiasi, yang tidak membutuhkan adanya materi, adalah transfer energi oleh gelombang elektromagnetik, seperti dari Matahari. Semua benda memancarkan energi dengan jumlah yang sebanding dengan pangkat empat temperatur Kelvinnya (T⁴) dan dengan luas permukaannya. Energi yang dipancarkan (atau diserap) juga bergantung pada sifat permukaan (permukaan

gelap menyerap dan memancarkan lebih dari yang mengkilat), yang dikarakterisasikan oleh emisivitas, e. Laju radiasi termis satu benda diberikan oleh

AT

4

e P = σ

dengan

σ = 5 , 6703 × 10

⁻⁸

W/m

²

.K

⁴ adalah konstanta Stefan, dan

e

adalah emisivitas, yang bervariasi antara 0 dan 1

tergantung pada komposisi permukaan benda. Bahan-bahan yang merupakan absorber panas yang baik adalah radiator panas yang baik. Sebuah benda hitam mempunyai emisivitas 1. Benda ini merupakan radiator yang sempurna, dan menyerap semua radiasi yang datang padanya. Daya termis neto yang diradiasi oleh sebuah benda pada temperatur

T

dalam suatu lingkungan pada temperatur

T

₀ diberikan oleh

( ^T

⁴

^T

⁰⁴

)

A e

P

_neto

= σ −

Spektrum energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda hitam mempunyai maksimum pada panjang gelombang

λ

_maks^{, yang}

berubah secara terbalik dengan temperatur absolut benda :

maks

T

mm.K 898 ,

= 2 λ

Ini dikenal sebagai hukum pergeseran Wien.

11. Untuk semua mekanisme transfer panas, jika beda temperatur antara benda dan sekitarnya adalah kecil, maka laju pendinginan sebuah benda hampir sebanding dengan beda temperatur. Hasil ini dikenal sebagai hukum pendinginan Newton.

Contoh soal:

1. Membuang kalori ekstra. Dua orang pasangan muda tidak berhati-hati pada suatu siang, dan memakan terlalu banyak es krim dan kue. Mereka menyadari telah kelebihan makan sekitar

500 Kalori, dan untuk mengimbanginya, mereka ingin melakukan kerja yang sesuai dengan menaiki tangga. Berapa ketinggian total yang harus ditempuh setiap orang? Masing-masing bermassa 60 kg.

2. Energi kinetik diubah mejadi kalor. Ketika peluru 3 g, yang melaju secepat 400 m/s, menembus sebuah pohon, lajunya diperkecil sampai 200 m/s. Berapa banyaknya kalor Q yang dihasilkan dan dipakai bersama oleh peluru dan pohon?

3. Bagaimana kalor bergantung pada kalor jenis. (a) Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur tong kosong 20 kg yang terbuat dari besi dari 10^oC sampai 90^oC? (b) Bagaimana jika tong tersebut diisi 20 kg air?

4. Wajan yang sangat panas. Anda secara tidak sengaja membiarkan wajan yang kosong menjadi sangat panas di kompor (200^oC atau lebih). Apa yang terjadi ketika Anda memasukkannya ke dalam air dingin sedalam dua inci di dasar tempat cuci piring? Apakah temperatur akhir akan berada di tengah-tengah antara temperatur awal air dan wajan? Apakah air akan mulai mendidih?

5. Cangkir mendinginkan teh. Jika teh 200 cm³ pada 95^oC dituangkan ke dalam cangkir 150 g pada 25^oC, berapa temperatur akhir T dari campuran ketika dicapai kesetimbangan, dengan menganggap tidak ada kalor yang mengalir ke sekitarnya?

6. Kalor jenis yang tidak diketahui ditentukan dengan kalorimetri. Kita ingin menentukan kalor jenis logam campuran yang baru. Sampel 0,150 kg dari logam baru tersebut dipanaskan sampai 540^oC. Logam tersebut kemudian dengan cepat

ditempatkan pada 400 g air pada 10^oC, yang ditempatkan pada bejana kalorimeter aluminium 200 g. (Kita tidak perlu mengetahui massa selubung isolator karena kita anggap ruang udara di antaranya dan bejana mengisolasinya dengan baik, sehingga temperaturnya tidak berubah secara signifikan.) Temperatur akhir campuran tersebut adalah 30,5^oC. Hitung kalor jenis logam campuran itu.

7. Mengukur kadar kalori sepotong brownies. Tentukan kadar Kalori dari Mullaney’s fudge brownies 100 g dari pengukuran berikut ini. Sampel brownies 10 g dibiarkan kering sebelum dimasukkan dalam bom. Bom aluminium mempunyai massa 0,615 kg dan ditempatkan di 2 kg air yang berada dalam bejana kalorimeter aluminium dengan massa 0,524 kg. Temperatur awal campuran tersebut adalah 15^oC dan temperaturnya setelah pemicuan adalah 36^oC.

8. Pembuatan es. Berapa banyak energi yang harus dikeluarkan lemari es dari 1,5 kg air pada 20^oC untuk membuat es pada – 12

oC.

9. Apakah seluruh es meleleh? Pada sebuah pesta, potongan es 0,5 kg pada 10^oC dimasukkan dalam 3 kg “es” the pada 20^oC. Berapa temperatur dan fase campuran terakhir? Teh dapat dianggap air.

10. Penentuan kalor laten. Kalor jenis air raksa adalah 0,033 kkal/kg.C^o. Ketika 1 kg air raksa padat pada titik leburnya sebesar – 39^oC diletakkan pada kalorimeter aluminium 0,5 kg yang diisi dengan 1,2 kg air pada 20^oC, temperatur akhir campuran didapatkan sebesar 16,5^oC. Berapa kalor lebur dari air raksa dalam kkal/kg?

11. Aliran kalor melalui jendela. Sumber kehilangan kalor yang utama dari sebuah rumah adalah melalui jendela. Hitung kecepatan aliran kalor melalui jendela kaca dengan luas 2 m × 1,5 m dan tebal 3,2 mm, jika temperatur pada permukaan dalam dan luar adalah 15^oC dan 14^oC, berturut-turut.

12. Merebus pasta? Ketika memasak pasta, mengapa Anda mengecilkan api begitu pasta dimasukkan dan air mendidih?

Bukankah akan masak lebih cepat jika api tetap besar?

13. Pendinginan dengan radiasi. Seorang atlit duduk tanpa pakaian di kamar ganti yang dindingnya gelap pada temperatur 15^oC.

Perkirakan kecepatan kehilangan kalor dengan radiasi dengan menganggap temperatur kulit sebesar 34^oC dan e = 0,70. Anggap permukaan tubuh yang tidak bersentuhan dengan kursi sebesar 1,5 m².

14. Dua teko teh. Sebuah teko teh keramik (e = 0,7) dan yang mengkilat (e = 0,1) masing-masing berisi 0,75 L teh pada 95^oC.

(a) Perkirakan kecepatan kehilangan kalor dari masing- masingnya, dan (b) perkirakan penurunan temperatur setelah 30 menit untuk masing-masing. Hanya perhitungkan radiasi dan anggap lingkungan berada pada 20^oC.

15. Berjemur di sinar matahari – penyerapan energi. Berapa kecepatan penyerapan energi dari Matahari oleh seseorang yang berbaring terlentang di pantai pada hari yang cerah jika Matahari membuat sudut 30^o dengan vertical? Anggap e = 0,70, luas tubuh yang terbuka ke Matahari adalah 0,80 m², dan 1000 W/m² mencapai permukaan Bumi.

Latihan soal :

1. Sebuah pemanas yang dimasukkan ke dalam air menyerap listrik sebedar 350 W. Perkirakan waktu yang diperlukan untuk memanaskan semangkuk sop (anggap merupakan 250 mL air) dari 20^oC sampai 50^oC.

2. Sebuah sepatu kuda besi yang panas (massa = 0,4 kg) yang baru saja ditempa, dimasukkan ke dalam air 1,6 L dalam panic besi 0,3 kg yang pada awalnya mempunyai temperatur 20^oC. Jika temperatur setimbang terakhir adalah 25^oC, perkirakan temperatur awal sepatu kuda yang panas tersebut.

3. Sepotong es batu diambil dari lemari es pada –8,5^oC dan diletakkan pada kalorimeter aluminium 100 g yang diisi dengan 300 g air pada temperatur ruangan sebesar 20^oC. Situasi akhir terlihat seluruhnya berupa air pada 17^oC. Berapa massa es batu?

4. Dua ruangan, masing-masing berupa kubus dengan rusuk 4 m, memakai bersama dinding bata yang tebalnya 12 cm. Karena banyaknya bola lampu 100 W pada salah satu ruangan, temperatur udara adalah 30^oC sementara di ruangan yang lain pada 10^oC. Berapa banyak bola lampu 100 W yang dibutuhkan untuk mempertahankan perbedaan temperatur di kedua sisi dinding?

5. Seorang pelari maraton mempunyai kecepatan metabolisme rata- rata untuk balapan tersebut sekitar 1000 kkal/jam. Jika pelari itu bermassa 65 kg, berapa banyak air yang hilang dari si pelari melalui penguapan dari kulit untuk balapan yang memakan waktu 2,5 jam?

6. Sebuah daun dengan luas 40 cm² dan massa 4,5 × 10^-4 kg menghadap langsung ke Matahari pada hari yang cerah. Daun tersebut mempunyai emisivitas 0,85 dan kalor jenis 0,8 kkal/kg.K. (a) Perkirakan kecepatan naiknya temperatur daun. (b) Hitung temperatur yang akan dicapai daun jika kehilangan semua kalornya dengan radiasi (temperatur sekililingnya adalah 20^oC).

(c) Dengan cara-cara lain bagaimana kalor dikeluarkan oleh daun?