KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR
Petunjuk Belajar Petunjuk Belajar
Modul ini mendeskripsikan tentang pokok bahasan kalor dan perpindahan kalor. Modul ini juga Modul ini mendeskripsikan tentang pokok bahasan kalor dan perpindahan kalor. Modul ini juga dilengkapi dengan latihan-latihan soal. Untuk informasi lebih lengkap, silakan kamu membaca pada dilengkapi dengan latihan-latihan soal. Untuk informasi lebih lengkap, silakan kamu membaca pada buku fisika yang relevan atau mengak
buku fisika yang relevan atau mengakses internet.ses internet. 1.
1. Pahamilah konsep yang disajikan dengan dukungan fakta!Pahamilah konsep yang disajikan dengan dukungan fakta! 2.
2. Lakukan latihan untuk mengembangkan pemahaman kamu! Selamat belajar!Lakukan latihan untuk mengembangkan pemahaman kamu! Selamat belajar!
Kompetens
Kompetensi i DasarDasar 3.8
3.8 Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor pada kehidupan sehari-hari.Menganalisis pengaruh kalor dan perpindahan kalor pada kehidupan sehari-hari. 3.8.1
3.8.1 Mendefinisikan kalor dan perpindahan kalor.Mendefinisikan kalor dan perpindahan kalor. 3.8.2
3.8.2 Menyebutkan contoh pengaruh kalor dan perpindahan kalor dalam kehidupanMenyebutkan contoh pengaruh kalor dan perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari.
sehari-hari. 4.1
4.1 Menyajikan hasil pengukuran besaran fisis dengan menggunakan peralatan dan teknikMenyajikan hasil pengukuran besaran fisis dengan menggunakan peralatan dan teknik yang tepat untuk penyelidikan ilmiah.
yang tepat untuk penyelidikan ilmiah. 4.8
4.8 Merencanakan dan melaksanakan percobaan untuk menyelidiki karakteristik termalMerencanakan dan melaksanakan percobaan untuk menyelidiki karakteristik termal suatu bahan, terutama kapasitas dan konduktivitas kalor.
suatu bahan, terutama kapasitas dan konduktivitas kalor.
Pendahuluan Pendahuluan
Cobalah perhatikan gagang panci saat memasak air. Pada saat kita memasak air, lalu setelah air Cobalah perhatikan gagang panci saat memasak air. Pada saat kita memasak air, lalu setelah air matang kita pegang gagang panci dan kita rasakan panas pada tangan kita. Mengapa hal tersebut matang kita pegang gagang panci dan kita rasakan panas pada tangan kita. Mengapa hal tersebut bias
bias terjadi? terjadi? Contoh Contoh lain lain misalnya, misalnya, saat saat kita kita meletakkan meletakkan es es batu batu di di ruangan ruangan yg yg panas, panas, es es akanakan perlahan-lahan
perlahan-lahan mencair. mencair. Mengapa Mengapa demikian? demikian? Untuk Untuk menjawab menjawab pertanyaan-pertanyan pertanyaan-pertanyan tersebut,tersebut, pelajarilah dengan seksama pokok bahasan berikut ini.
pelajarilah dengan seksama pokok bahasan berikut ini.
A.
A. Kalor dan Perpindahan KalorKalor dan Perpindahan Kalor Kalor merupakan bentuk energy y
Kalor merupakan bentuk energy yang pindah karena adanya perbedaan ang pindah karena adanya perbedaan suhu. suhu. Contohnya:Contohnya: 1.
1. Memasak airMemasak air 2.
2. Memanaskan besiMemanaskan besi 3.
3. Membuat api unggunMembuat api unggun 4.
4. Efek rumah kacaEfek rumah kaca 5.
5. Pemanas rumahPemanas rumah 6.
6. OvenOven 7.
a. Pengertian Kalor
Kalor merupakan bentuk energi yang pindah karena adanya perbedaan suhu. Secara alamiah, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Sebelum abad ke – 17, orang beranggapan bahwa kalor merupakan zat yang pindah dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Jika kalor merupakan zat, tentu mempunyai masa. Ternyata benda yang suhunya naik, massanya tidak berubah, jadi kalor bukan zat.
b. Satuan kalor
Satuan untuk menyatakan kalor adalah Joule (J) atau Kalori (kal). Joule menyatakan satuan usaha atau energi. Satuan Joule merupakan satuan kalor yang umum digunakan dalam fisika. Sedangkan Kalori menyatakan satuan kalor. Kalori (kal) merupakan satuan kalor yang biasa digunakan untuk menyatakan kandungan energi dalam bahan makanan. Contohnya: sepotong roti memiliki kandungan energi 200 kalori dan sepotong daging memiliki kandungan energi 600 kalori. Nilai 1 kalori (1 kal) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air agar suhunya nai 1°C. Hubungan satuan kalori dengan joule adalah,
1 kal = 4,2 J atau 1 J = 0,24 kal
c. Pengaruh Kalor Terhadap Benda a) Pengaruh kalor terhadap suhu benda
Kalor merupakan energy yang diterima atau dilepaskan suatu benda. Kalor yang diterima suatu benda bisa berasal dari matahari, api, atau benda lain. Kalor yang diterima oleh benda dapat mengubah suhu benda. Ketika kalor diberikan kepada air, maka suhu air bertambah. Makin banyak kalor yang diberikan makin banyak pula perubahan pada suhu air. Bila kalor terus diberikan, lama kelamaan air akan mendidih. Ketika air sudah mendidih suhu air tidak akan bertambah melainkan tetap. Dapat disimpulkan bahwa kalor mengubah suhu benda.
Benda yang melepaskan kalor seperti air panas dalam gelas. Air panas yang kita letakkan diatas meja akan melepaskan kalor keudara titik karena air panas melepaskan kalor, maka suhu air panas makin lama makin turun. Air panas berubah menjadi air dingin. Hal ini menunjukkan bahwa kalor merubah suhu benda.
b) Pengaruh kalor terhadap wujud benda
Kalor menyebabkan perubahan wujud pada benda-benda, seperti cokelat dan es batu. Cokelat yang kita genggam dengan tangan dapat meleleh. Hal ini terjadi karena cokelat mendapat kalor dari tangan kita dan udara. Demikian juga dengan es batu yang diletakkan dalam piring di atas meja. Lama-kelamaan es batu mencair karena pengaruh kalor dari udara.
Ketika es batu dipanaskan maka lama-kelamaan es batu berubah menjadi air. Berarti es batu berubah wujud dari padat menjadi cair.
Logam seperti besi dan emas juga dapat berubah wujud bila mendapat panas. Hal ini terjadi misalnya ditempat peleburan logam. Pada fenomena lain bila pemanasan berlangsung terus maka suatu saat air mendidih. Setelah mendidih cukup lama air seakan-akan lenyap. Disekitar panci banyak terdapat uap air berarti air telah berubah wujud dari air menjadi gas. Dapat disimpulkan bahwa kalor dapat merubah wujud gas. Perubahan wujud gas yang disebabkan oleh kalor diantara :
1) Perubahan wujud dari padat menjkadi cair dan sebaliknya. Contoh fenomena ini terjadi pada lilin yang sedang menyala.
2) Perubahan wujud dari cair menjadi gas dan sebaliknya. Fenomena ini terjadi pada peristiwa memasak air dan terjadinya fenomena hujan.
3) Perubahan wujud dari padat menjadi gas dan sebaliknya. Peristiwa ini terjadi pada kapur barus yang menyublin, yang mengubah kapur barus menjadi gas. Sedangkan benda gas
yang berubah menjadi benda padat dicontohkan pada asap kenalpot. Asap nkenalpot berubah menjadi jelaga (benda padat) ketika menyentuh permukaan dalam kenalpot.
Nilai kalor lebur berbeda untuk zat yang berbeda, seperti digambarkan pada table berikut: Zat Titil Lebur
(oC) Kalor Lebur (J/Kg) Air 0 336.000 Alcohol -97 69.000 Raksa -39 120.000 Aluminium 660 403.000 Tembaga 1.083 206.000 Platina 1.769 113.000 Timbale 327 25.000 d. Persamaan Kalor
Kalor menyatakan banyaknya panas, sedangkan suhu menyatakan derajat panas suatu benda. Misalnya kita memiliki dua panic yang identik. Panic pertama berisi 100 g air, sedangkan panic kedua berisi 50 g air. Suhu air dalam kedua panic tersebut sama. Bila kedua air ini dipanaskan, maka air 100 g memerlukan kalor lebih banyak dibandingkan air 50 g. Itu berarti kalor sebanding dengan massa.
Pemberian kalor menyebabkan suhu benda berubah. Makin banyak kalor yang diberikan pada suatu benda, maka suhu benda tersebut maikin tinggi. Berarti kalor sebanding dengan
perubahan suhu. Selain bergantung pada massa dan perubahan suhu, kalor yang diperlukan agar suhu benda naik juga bergantung pada jenis zat. Bila kita merangkum semua factor tersebut, maka kalor yang diperlukan agar suhu benda naik adalah:
Q = m . c. Δt Dimana:
Q = Banyaknya Kalor (J) m = Massa (Kg)
c = Kalor jenis benda (J/Kg oC) Δt = Perubaha suhu (oC)
Kalor jenis menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 Kg zat sebesar 1 oC. Beberapa contoh kalor jenis dari beberapa zat adalah sebagai berikut:
Zat Kalor Jenis/c (J/KgoC) Timbel 128 Emas 129 Raksa 140 Tembaga 400 Besi 460 Baja 500 Kaca 700
Zat Kalor Jenis
(J/KgoC) Aluminium 900 Es 2100 Eter 2190 Alcohol (Etil) 2500 Air (15oC) 4200 Beton 800 e. Perpindahan Kalor
a) Perpindahan kalor secara Konduksi
Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke
ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujung A, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkan molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titikA.
Energi kalor yang dipindahkan secara konduksi sebesar,
Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan,
Tabel konduktivitas termal zat (W/mK)
Dimana: Q = kalor yang dipindahkan (Joule) k = konduktivitas termal zat (W/mK) A = luas penampang melintang (m2) Δt = perubahan suhu (°C atau K) t = waktu (s)
l = tebal penghantar (m)
H = laju aliran kalor (J/s atau watt) b) Perpindahan kalor secara Konveksi
Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Perpindahan panas secara Konveksi terjadi melalui aliran zat.Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair.
Bila air dipanaskan, air akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka air ini menjadi lebih ringan dan naik ke atas. Tempatnya kemudian digantikan oleh air yang lebih dingin dari atas, yang turun karena massa jenisnya lebih besar. Gerakan atau sirkulasi air tersebut dinamakan arus konveksi.
Penerapan konveksi pada zat cair ini dapat kita jumpai saat kita memanaskan air dalam ketel, maka terjadi perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi. Selain itu penerapan konveksi ada di system aliran panas yang terdapat dalam kran air panas dan air
dingin di hotel-hotel.
Konveksi pada udara
Arus konveksi pada udara atau gas terjadi ketika udara panas naik dan udara yang lebih dingin turun. Konveksi udara dapat dilihat pada gambar di bawah. Jika lilin dinyalakan akan terjadi aliran udara panas dalam alat. Dengan menggunakan asap dari obat nyamuk yang dibakar, aliran udara terlihat. Udara panas akan naik dan udara dingin akan turun. Penerapan dalam kehidupan sehari-hari diantaranya angin darat, angin laut dan pembuatan cerobong asap pabrik.
Energi kalor yang dipindahkan secara konveksi sebesar,
Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam konveksi dirumuskan :
Dimana: Q = kalor yang dipindahkan (Joule) H = laju aliran kalor (J/s atau watt)
t = waktu (s)
A = luas penampang melintang (m2) Δt = perubahan suhu (°C)
c) Perpindahan kalor secara Radiasi
Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara, seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran d engan oven dan efek rumah kaca.
Energi kalor yang dipindahkan secara radiasi sebesar,
Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam radiasi dirumuskan :
Dimana: H = laju aliran kalor tiap satu satuan waktu (J/s atau watt) R = intensitas radiasi (W/m2)
Q = kalor yang dialirkan (J) T = suhu (K)
A = luas (m2), luas permukaan lingkaran = 4.pr 2 t = waktu (s)
e = emisivitas benda (tanpa satuan) f. Asas Black
Ketika kita memasukkan es batu kedalam air panas ternyata suhu air turun. Suhu air itu turun karena air melepaskan kalor ke es batu. Sementara itu, es batu mencair atau berubah wujud karena mendapat kalor dari air panas. Berarti pada peristiwa ini salha satu benda melepaskan kalor, sedangkan benda yang lain menerima kalor. besranya kalor yang dilepas dan kalor yang diterima oleh benda yang bercampur pertama kali diketahui oleh Joseph Black (1720-1799), seorang ilmuan Inggris. Ia melakukan serangkaian eksperimen dan mendapatkan hasil berikut:
a. Bila dua benda bercampur maka benda yang panas akan memberikan kalor kepada benda yang dingin hingga suhu keduanya sama.
b. Banyaknya kalor yang dilepas oleh benda yang panas sama dengan banyaknya kalor yang diserap oleh benda yang dingin
Pernyataan diatas dapat diringkas sebagai berikut: Kalor yang dilepas oleh suatu benda sama dengan kalor yang diterima benda lain. Pernyataan ini dikenal dengan Asas Black. Yang ditulis dengan pernyataan
Kalor Lepas = Kalor Terima Qlepas= Qterima
Contoh Soal:
1. Panas sebesar 12 kj diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 gram yang memiliki suhu 30oC. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 kalori/gr oC, tentukan suhu akhir logam!
Dik:
Q = 12 kilojoule = 12000 joule m = 2500 gram = 2,5 kg
T1 = 30oC
c = 0,2 kal/gr oC = 0,2 x 4200 joule/kg oC = 840 joule/kg oC Dit: T2 =...? Dihit: Q = mcΔT 12000 = (2,5)(840)ΔT ΔT =12000/2100 = 5,71 oC T2 = T1 + ΔT = 30 + 5,71 = 35,71 oC
2. 500 gram es bersuhu −12oC dipanaskan hingga suhu −2oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam satuan joule!
Dik: m = 500 gram T1 = −12oC T2 = −2oC ΔT = T2− T1 = −2o− (−12 ) = 10oC c = 0,5 kalori/gr oC Dit:
Q = ....? Dihit: Q = mcΔT Q = (500)(0,5)(10) = 2500 kalori 1 kalori = 4,2 joule Q = 2500 x 4,2 = 10500 joule
3. 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga keseluruhan es menjadi air yang bersuhu 0oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan, nyatakan dalam kilokalori!
Dik: m = 500 gram L = 80 kalori/gr Dit: Q = ....? Dihit: Q = mL Q = (500)(80) = 40000 kalori = 40 kkal
4. 500 gram es bersuhu 0oC hendak dicairkan hingga menjadi air yang bersuhu 5oC. Jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/goC, kalor lebur es adalah 80 kal/gr, dan kalor jenis air 1 kal/goC, tentukan banyak kalor yang dibutuhkan!
Dik: m = 500 gram cair = 1 kalori/gr oC Les = 80 kalori/gr Suhu akhir → 5oC Dit: Q = ...? Dihit:
Untuk menjadikan es 0oC hingga menjadi air 5oC ada dua proses yang harus dilalui: → Proses meleburkan es 0oC menjadi air suhu 0oC, kalor yang diperlukan namakan Q1
→ Proses menaikkan suhu air 0oC hingga menjadi air 5oC, kalor yang diperlukan namakan Q2
Q2 = mcair ΔTair = (500) (1)(5) = 2500 kalori
Kalor total yang diperlukan:
