i HUKUM JOULE
PANAS YANG DITIMBULKAN OLEH ARUS LISTRIK (L1) ZAHROTUN NISA’
1413100014 JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
ABSTRAK
Telah dilakukan percobaan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik dengan kode percobaan L1. Tujuan percobaan L1 adalah menentukan panas yang ditimbulkan arus listrik, membuktikan hukum joule dan menentukan harga satu joule. Pada percobaan ini dilakukan dengan membandingkan dua rangkaian dimana nantinya akan nampak salah satu rangkaian yang menguntungkan untuk memenuhi tujuan dari percobaan L1. Prinsipnya adalah menghitung waktu yang diperlukan dalam menaikkan suhu sebesar 1oC. Dari percobaan dengan rangkaian A didapat harga panas rata – rata pada sistem (panas ini akibat dari tumbukan elektron – elektron pada arus listrik) dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter (panas ini akibat transfer energi dari arus listrik ke dalam kalorimeter) yaitu 1 joule = 0,272 kalori. Sedang pada rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori.
ii DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ... ii
BAB I ... 1
PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Permasalahan... 1
2.3 Hambatan Jenis / Resistivitas ... 3
2.4 Energi dan Daya Listrik ... 4
2.5 Kalor ... 5
2.6 Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam ... 6
2.7 Perpindahan Kalor ... 7
2.8 Kalorimeter dan Prinsip Kerjanya ... 7
BAB III ... 9
METODOLOGI PERCOBAAN ... 9
3.1 Peralatan dan Bahan ... 9
3.2 Cara Kerja ... 9
BAB IV ... 11
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ... 11
4.1 Analisa Data ... 11
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Arus listrik terdiri dari muatan – muatan yang bergerak. Bila gerakan – gerakan tersebut berlangsung di dalam sebuah lintasan konduksi yang membentuk sebuah simpal tertutup, maka lintasan itu dinamakan rangkaian listrik. Rangkaian listrik memiliki fungsi tersendiri dimana ia dapat menghantarkan energi dari satu tempat ke tempat lain.
Sewaktu partikel bermuatan bergerak di dalam sebuah rangkaian, maka energi potensial dipindahkan dari suatu sumber (seperti aki atau generator) ke sebuah alat tempat energi tersebut disimpan ke dalam bentuk energi lain menjadi energi kalor. Dalam percobaan L1 transfer energi menjadi panas terjadi di dalam kalorimeter. Kalorimeter memungkinkan kita mengetahui Q dengan menghitung waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar 1oC.
1.2 Permasalahan
Permasalahan dalam percobaan ini adalah bagaimana cara menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik, lalu membuktikan Hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule.
1.3 Tujuan
2 BAB II
DASAR TEORI
2.1 Arus
Arus merupakan gerak muatan – muatan dari satu daerah ke daerah lainnya. Bila gerakan – gerakan tersebut berlangsung di dalam sebuah lintasan konduksi yang membentuk sebuah simpal tertutup, maka lintasan itu dapat disebut dengan rangkaian listrik. Analisa muatan dapat dicontohkan pada sebuah konduktor. Konduktor berupa logam misalnya akan memiliki muatan yang tidak akan diam walau medan listrik nol maupun tidak ada arus. Elektron pada partikel konduktor akan bergerak secara acak seperti perumpamaan molekul – molekul gas (Zemansky, 2006).
Tumbukan yang terjadi antar elektron menimbulkan getaran partikel suatu konduktor. Ketika konduktor diberi perlakuan seperti pemberian beda potensial, maka tumbukan elektron – elektron akan semakin keras. Otomatis kecepatan tumbukan bertambah dan getaran partikel menjadi besar. Dari kejadian diatas timbulah panas yang disebabkan oleh arus. Arus listrik didefinisikan sebagai jumlah total muatan yang melewati suatu konduktor per satuan waktu. Atau dapat ditulis
I = Δ𝑄
Δ𝑡 ……….(2.1)
(Zemansky, 2006) Arus bukanlah sebuah vektor. Dalam sebuah konduktor yang mengangkut arus, tidak peduli seberapa panjang atau melengkung, arus selalu mengalir. Hanya saja ada istilah arus positif ketika mengalir dalam satu arah. Satuan SI dari arus adalah ampere. Satu ampere didefinisikan sebagai satu coulomb per detik (1A = 1C/s) (Zemansky, 2006).
3 Arus dapat dinyatakan dalam kecepatan menyimpang dari muatan yang bergerak. Dimisalkan sebuah konduktor (kawat penghantar) memiliki luas penampang A. Lalu n adalah jumlah partikel – partikel pembawa muatan bebas per satuan volume. Diumpamakan partikel membawa muatan q dan kecepatan alir vd. Dalam waktu ∆t, partikel mengalir ke dalam silinder dengan volume Avd∆t dan banyaknya partikel nAvd∆t, sehingga arusnya
I = Δ𝑄
Δ𝑡 = nqAvd………...(2.2)
(Serway, 2010). 2.2 Hambatan
Jika kita memakaikan perbedaan potensial yang sama antara ujung – ujung tongkat tembaga dan tongkat kayu yang mempunyai geometri serupa, maka dihasilkan arus – arus yang sangat berbeda. Hal tersebut bisa terjadi karena adanya karakteristik (sifat) suatu penghantar yang dinamakan hambatan (resistance). Kita mendefinisikan hambatan dari sebuah penghantar diantara dua titik dengan memakaikan sebuah perbedaan potensial V diantara titik – titik tersebut, dengan mengukur arus i dan kemudian melakukan pembagian :
R = 𝑉
𝑖………...(2.3)
Jika V dinyatakan dalam volt dan I dinyatakan dalam ampere, maka hambatan akan dinyatakan dalam ohms ( Ω ) (Halliday, 2010).
2.3 Hambatan Jenis / Resistivitas
4 kedua pernyataan diatas bahwasanya hambatan (R) kawat logam berbanding lurus dengan panjang (L) dan berbanding terbalik dengan luas penampang (A).
R = ρ 𝐿𝐴………(2.4)
Dimana ρ merupakan hambatan jenis atau resistivitas yang berupa konstanta dimana nilainya bergantung pada bahan yang digunakan. Nilai ρ memiliki satuan Ω.m (Halliday, 2010).
2.4 Energi dan Daya Listrik
Hubungan energi dan daya dalam rangkaian listrik dapat dianalisis dengan suatu contoh berikut. Mari melihat gambar dibawah ini
Va Vb
I I
Gambar 2.1 Masukan daya P untuk bagian rangkaian diantara a dan b
Kotak gambar 2.1 menyatakan rangkaian dengan selisih potensial Va – Vb = Vab diantara terminal – terminal dan arus I yang lewat melalui rangkaian itu dalam arah dari a menuju b. Sewaktu muatan lewat, medan listrik melakukan kerja pada muatan tersebut (Zemansky, 2006).
Kerja total yang dilakukan pada sebuah muatan q yang lewat melalui elemen rangkaian sama dengan hasilkali q dan selisih potensial Vab. Bila Vab positif, gaya listrik melakukan sejumlah kerja positif qVab pada muatan itu sewaktu muatan jatuh dari potensial Va ke potensial Vb yang lebih rendah. Jika arus itu adalah I, maka dalam selang waktu dt, sejumlah muatan dQ = I dt lewat. Kerja dW yang dilakukan
dW = Vab.dQ = Vab.I dt………(2.5)
5 persamaan diatas dengan dt, didapat laju pada bagian selebihnya dari rangkaian itu menghantar energi listrik ke dalam elemen rangkaian ini
𝑑𝑊
𝑑𝑡 = P = Vab.I………...(2.6)
Satuan Vab adalah satu volt atau satu joule per coulomb, satuan I adalah ampere atau satu coulomb per detik. Maka satuan Vab.I adalah satu watt.
(1 J/C) (1 C/s) = 1 J/s = 1 W (Zemansky, 2006).
Jika elemen rangkaian pada gambar 2.1 adalah sebuah resistor, maka selisih potensial itu adalah Vab = I.R. Dari persamaan 2.6 daya listrik yang diantar ke resistor oleh rangkaian itu adalah
P = Vab.I = I².R = 𝑉𝑎𝑏²
𝑅 ………...(2.7)
Dalam kasus ini potensial di a selalu lebih tinggi daripada di b. Persamaan 2.7 menyatakan laju perpindahan energi potensial listrik ke dalam rangkaian (Zemansky, 2006).
2.5 Kalor
Istilah kalor sering digunakan dalam kehidupan sehari – hari, namun terkadang ada kesalahan definisi dari kalor sendiri. Misalnya kita berbicara mengenai aliran kalor, kalor mengalir dari kompor ke ketel, panas matahari yang diterima bumi, atau kalor dari mulut seseorang ke termometer demam. Seakan – akan kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain dengan temperatur yang lebih rendah. Bisa dibilang aliran kalor sebagai gerakan zat fluida. Itu memang konsep kalor zaman dahulu sekitar abad 18, namun sekarang kita dapat memandang kalor berhubungan dengan kerja dan energi (Giancoli, 2001).
6 Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energi diteliti lanjut oleh James Prescott Joule (1818 – 1889). Joule melakukan sejumlah percobaan untuk menetapkan pandangan kita bahwa kalor seperti kerja, merepresentasikan transfer energi. Joule juga menetukan 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. Nilai ini dikenal sebagai tara kalor mekanik (Giancoli, 2001).
Para ilmuwan kemudian menginterpresentasikan bahwa kalor bukan sebagai zat. Melainkan kalor merupakan transfer energi. Ketika kalor mengalir dari benda panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang ditransfer dari yang panas ke yang dingin. Dengan demikian kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Dalam satuan SI, satuan untuk kalor sebagaimana untuk bentuk energi lain adalah joule. Tetapi satuan kalor sebelumnya yakni kalori tetap dapat digunakan (Giancoli, 2001).
2.6 Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam
7 2.7 Perpindahan Kalor
Kalor berpindah dari satu tempat atau benda ke yang lainnya dengan tiga cara yakni konduksi, konveksi, dan radiasi. Namun kali ini akan dibahas mengenai konduksi yang ada kaitannya dengan tumbukan molekul – molekul seperti pada percobaan. Konduksi kalor pada banyak materi dapat digambarkan sebagai hasil tumbukan molekul – molekul. Bila satu ujung suatu konduktor dipanaskan, molekul – molekul di tempat itu bergerak lebih cepat dan semakin cepat. Molekul – molekul ini kemudian juga mentransfer sebagian energi mereka dengan molekul – molekul lain sepanjang suatu konduktor tersebut. Dengan demikian energi gerakan termal ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda. Pada logam, tumbukan antara elektron – elektron bebas di dalam logam dan dengan atom logam tersebut terutama mengakibatkan untuk terjadinya konduksi (Giancoli, 2001).
Konduksi kalor hanya terjadi jika ada perbedaan temperatur. Dan memang ditemukan pada percobaan bahwa kecepatan aliran kalor melalui benda sebanding dengan perbedaan temperatur antara ujung – ujungnya. Kecepatan aliran kalor juga bergantung pada ukuran dan bentuk benda. Ditemukan dari percobaan bahwa aliran kalor ∆𝑄per selang waktu ∆t dinyatakan oleh hubungan
∆𝑄 ∆𝑡 = kA
𝑇1−𝑇2
𝑙 ……….(2.8)
Dimana 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 materi tersebut. Zat – zat dengan k besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang baik. Sedangkan zat – zat yang memiliki k kecil, merupakan penghantar kalor yang buruk atau biasa disebut isolator (Giancoli, 2001).
2.8 Kalorimeter dan Prinsip Kerjanya
8 ganda. Kalorimeter ini terdiri atas bejana logam berdinding tipis, yang permukaan luarnya diberi lapisan nikel untuk mengurangi kehilangan panas karena radiasi. Bejana ini berisi air yang dihitung terlebih dahulu massanya dan mempunyai tutup yang berlubang untuk dapat dimasuki termometer. Kehilangan panas dapat dikurangi lagi dengan memasukkan bejana tersebut ke dalam bejana lain.
Jika suatu rangkaian diberi tegangan, maka tegangan dari potensial tinggi akan bergerak menuju potensial rendah, peristiwa inilah yang menyebabkan tumbukan antar elektron terjadi dan adanya arus listrik. Elektron – elektron terus bertumbukan hingga arus sampai pada kalorimeter. Di dalam kalorimeter sendiri elektron – elektron bertumbukan juga dengan partikel konduktor berupa kawat spiral yang merupakan bagian dari kalorimeter. Setelah itu terjadilah transfer energi berupa panas kepada kalorimeter.
Jika pada kalorimeter tersebut diberikan sejumlah panas Q yang belum diketahui, maka dengan membaca termometer sebelum dan sesudah dimasukkan panas tadi, dapatlah diketahui harga Q berdasarkan kenaikkan temperatur yang terjadi (Dosen – dosen Fisika FMIPA ITS, 2012).
9
- +
A
- +
V
E +- Thermometer
K
(a)
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 Peralatan dan Bahan
Peralatan dan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah kalorimeter dengan perlengkapannya satu set, thermometer satu buah, adaptor satu buah, stopwatch satu buah, tahanan geser (Rg) satu buah, amperemeter (A) dan voltmeter masing – masing satu buah.
3.2 Cara Kerja
Skema Alat
Gambar 3.1 Rangkaian 1
Gambar 3.2 Rangkaian 2
_ +
V
Thermometer +
_ A V
(b)
E - +
11 BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Data
Dari percobaan yang telah dilakukan dengan dua tipe rangkaian, maka diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 4.1 Hasil pengamatan pada percobaan dengan rangkaian pertama
No. Massa Air
Tabel 4.2 Hasil pengamatan pada percobaan dengan rangkaian kedua
No. Massa Air
Diambil sample dari percobaan dengan rangkaian pertama, pengulangan kesatu Diketahui: massa air : 120 g
Arus listrik (I) : 0,5 A ∆T (T – To) : 1oC
12
Tabel 4.3 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 120 g dan Arus listrik 0,5 A
Tabel 4.4 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 120 g dan Arus listrik 0,6 A
13 Tabel 4.6 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 70,1 g dan Arus listrik 0,6 A
Tabel 4.7 Perhitungan H dan Q
No. H Tabel 4.8 Perbandingan Joule dengan Kalori
14 4.3 Grafik
Grafik 4.1 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian pertama dengan arus 0,5 A
Grafik 4.2 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian pertama dengan arus 0,6 A
Grafik 4.3 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian kedua dengan arus 0,5 A
15 4.4 Pembahasan
Percobaan L1 dilakukan dengan menggunakan dua rangkaian, yakni rangkaian A dan rangkaian B. Perbedaan kedua rangkaian ada pada pemberian tahanan geser dimana tahanan geser pada rangkaian A diletakkan di akhir dan B di awal rangkaian. Percobaan ini memakai dua variasi arus pada masing – masing rangkaian yakni 0,5 A dan 0,6 A. Karena terjadi miskomunikasi, masing – masing rangkaian memakai massa berbeda, 120 g pada rangkaian A dan 70,1 g pada rangkaian B.
Dari data percobaan rangkaian A dengan arus 0,5 A diperoleh harga panas rata – rata pada sistem dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter yaitu 1 joule = 0,231 kalori. Dengan arus 0,6 A yaitu 1 joule = 0,313 kalori. Rangkaian B dengan arus 0,5 A yaitu 1 joule = 0,395 kalori. Dengan arus 0,6 A yaitu 1 joule = 0,092 A. Rata – rata pada rangkaian A yaitu 1 joule = 0,272 kalori dan rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori. Dalam teori dikatakan bahwa 1 joule = 0,24 kalori, itu artinya rangkaian B lah yang menurut saya menguntungkan dalam hal ini karena cukup mendekati.
Peletakan tahanan geser di awal pada rangkaian B menjaga arus konstan dari awal perjalanan hingga berakhir di kalorimeter. Dengan terjaganya arus, tegangan juga menjadi stabil jalannya sehingga ketika berada di kalorimeter, transfer energi panas bisa maksimal, waktu yang diperlukan pun relatif lebih singkat. Bila dibandingkan dengan rangkaian A, dimana tahanan geser diletakkan di akhir membuat arus menjadi tidak stabil pada awal perjalanan hingga mungkin pada akhirnya menyebabkan transfer energi panas kurang maksimal serta waktu yang dibutuhkan sedikit lebih lama.
16 BAB V
KESIMPULAN
Kesimpulan yang bisa diambil dari percobaan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik (L1) adalah:
1. Pada percobaan rangkaian A diperoleh harga panas rata – rata pada sistem dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter yaitu 1 joule = 0,272 kalori.
2. Pada percobaan rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori.
3. Pada percobaan rangkaian B tergolong berhasil mendekati teori 1 joule = 0,24 kalori.
17 DAFTAR PUSTAKA
Dosen – dosen Fisika FMIPA ITS. 2012. Fisika 1. Surabaya : ITS Press Giancoli, C Douglas. 2001. Fisika Jilid 1. Jakarta : Penerbit Erlangga. Halliday, David. 2010. Physics 3rd Edition. USA : John Wiley and Sons, Inc.
Serway, A Raymond. 2010. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. USA : Dartmouth Publishing, inc.
18 LAMPIRAN
Ralat
Tabel 1 Pada rangkaian pertama dan arus 0,5 A t(s) t - 𝑡 ( t - 𝑡 )2
19 Tabel 3 Pada rangkaian kedua dan arus 0,5 A
t(s) t - 𝑡 ( t - 𝑡 )2
31 -61.866667 3827.48444
61 -31.866667 1015.48444
186.6 93.7333333 8785.93778
𝑡 = 92.866 (𝑡 − 𝑡 )²= 13628.906
20 1. Yang lebih menguntungkan diantara kedua rangkaian tersebut adalah rangkaian (a) karena hambatan / resistor diletakkan pada akhir rangkaian sehingga arus dapat lewat dengan lancar di bagian awal. Sedangkan pada rangkaian (b) yang hambatan / resistor diletakkan pada awal rangkaian menyebabkan perjalanan arus tersendat dengan adanya hambatan tersebut.
2. Standard resistor atau resistor tetap merupakan resistor yang nilainya tidak dapat berubah, jadi selalu tetap (konstan). Resistor ini biasanya dibuat dari nikelin atau karbon. Fungsinya yakni sebagai pembagi tegangan, mengatur atau membatasi arus pada suatu rangkaian serta memperbesar dan memperkecil tegangan. Karena dibatasi, maka arus (I) bernilai konstan.
3. Hambatan (R) yang dialiri arus listrik (I) akan menimbulkan beda tegangan V antar ujung-ujung berarti daya listriknya:
P = V . I Karena V = I . R maka daya listriknya dapat dirumuskan menjadi:
P = I² . R
P = Daya listrik (watt)
Bila arus listrik mengalir selama t detik energi listrik yang terpakai ialah: W = I² . R . t
t = Waktu (t)
Sedangkan bunyi hukum joule: “ Pembentukan panas persatuan waktu berbanding lurus dengan kuadrat arus”.
Hukum joule menuliskan bagaimana tenaga listrik diubah kedalam tenaga termal. Dalam percobaannya, Joule menggunakan air di dalam sebuah selinder
TUGAS
PENDAHULUAN
Kode Percobaan : L1
21 yang diaduk dengan suhu yang berputar. Beberapa lama kemudian suhu air akan naik, hal ini disebabkan karena suhu bergesekan dengan air. Menurut Joule gerakan elektron akan mendapatkan tenaga kinetik pada setiap tumbukan dan tenaga itu berubah menjadi panas. Joule juga merumuskan juga perbandingan jumlah satuan usaha dengan jumlah satuan panas yang dihasilkan selalu sama, sehingga:
Q = W Q = V . I . t
Q = panas yang ditimbulkan arus listrik (Joule atau kalori) V = tegangan listrik (volt)
I = arus listrik
4. Faktor - faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan suatu jenis material sangat tergantung pada :
• Panjang penghantar (l)
• Luas penampang konduktor (A) • Jenis konduktor
• Temperatur (K)
"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur. Ketika temperatur
meningkat, ikatan atom makin kuat sehingga elektron – elektron sulit bergerak
bebas dan aliran elektron menjadi terhambat. Tahanan penghantar memiliki
sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan. Dengan demikian kenaikan
