BAB II LANDASAN TEORI
A. Landasan Teori
4. Kalor dan Perpindahan Kalor
a. Peta Konsep Kalor dan Perpindahan Kalor
Gambar 2. 1 Peta Konsep Kalor dan Perpindahan Kalor
b. Pemuaian 1) Pemuaian
Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena kenaikan suhu yang terjadi pada benda tersebut. Setiap zat (padat, cair, dan gas) disusun oleh partikel-partikel kecil yang bergetar. Jika sebuah benda dipanaskan, partikel- partikel kecil yang ada di dalam benda tersebut bergetar lebih kuat sehingga saling menjauh. Apabila sebuah benda didinginkan, getaran-getaran partikel lebih lemah dan partikel-partikel saling mendekat.33
Pemuaian terdiri dari pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.
a) Pemuaian Panjang
Pemuaian panjang dapat disebut juga pemuaian linier. Pemuaian panjag zat padat hanya terfokus pada satu dimensi saja yaitu panjang. Sebagai contoh jarum yang memiliki diameter kecil, yang menjadi perhatian hanya panjangnya.
∆𝐿 = 𝐿0. 𝛼. ∆𝑇 (2.1)
Sehingga, nilai panjang benda setelah dipanaskan menjadi:
𝐿 = 𝐿0+ ∆𝐿 = 𝐿0 + 𝐿0. 𝛼. ∆𝑇 = 𝐿0(1 + 𝛼∆𝑇) (2.2) Keterangan:
∆𝐿 : Pertambahan panjang benda setelah dipanaskan (m) 𝐿 : Panjang benda setelah dipanaskan (m)
𝐿0 : Panjang awal benda (m) 𝛼 : Koefisien benda (℃−1)
∆𝑇 : Perubahan suhu (℃)
Nilai 𝛼 bervariasi terhadap suhu. Nilai koefisien pemuaian panjang benda pada suhu 20℃ disajikan pada Tabel 2.2 sebagai berikut:34
Tabel 2.2 Nilai Koefisien Muai Panjang pada Berbagai Zat Tabel 2. 2 Nilai Koefisien Muai Panjang pada Berbagai Zat
33 Marthen Kanginan, Fisika Untuk SMA/MA Kelas XI, (Jakarta: Erlangga, 2017), h. 200.
34 Douglas C. Giancoli, FISIKA: Prinsip dan Aplikasi Edisi ke-7 Jilid 1, (Jakarta:
Erlangga, 2014), h.453.
Zat Kofisien Muai Panjang 𝜶(℃−𝟏)
Alumunium 25 x 10−6
Kuningan 19 x 10−6
Besi atau Baja 12 x 10−6
Timah hitam 29 x 10−6
Kaca (pyrex) 3 x 10−6
Kaca biasa 9 x 10−6
Kwarsa 0,4 x 10−6
Beton atau Bata ≈ 12 x 10−6
Marmer 1,4 − 3,5 x 10−6
b) Pemuaian Luas
Benda yang erbentuk lempengan plat (dua dimensi) akan mengalami pemuaian dalam arah panjang dan lebar. Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa lempengan tersebut mengalami pemuaian luas. Pemuaian luas pada benda dapat dirumuskan sebagai berikut.
∆𝐴 = 𝛽 ∙ 𝐴0∙ ∆𝑇 (2.3)
Diketahui bahwa 𝛽 = 2𝛼, sehingga luas benda setelah dipanaskan dirumuskan sebagai berikut.
𝐴 = 𝐴0(1 + 𝛽 ∙ ∆𝑇) = 𝐴0(1 + 2𝛼. ∆𝑇) (2.4) Keterangan:
∆𝐴 : Pertambahan luas benda setelah dipanaskan (𝑚2) 𝐴 : Luas benda setelah dipanaskan (𝑚2)
𝐴0 : Luas benda mula-mula (𝑚2) 𝛽 : Koefisien muai luas (℃−1)
∆𝑇 : Perubahan suhu (℃)
c) Pemuaian Volume
Bola, balok, dan kubus merupakan zat padat tiga dimensi (panjang, lebar, dan tinggi). Apabila benda tersebut dipanaskan akan mengalami muai volume. Benda
tersebut mengalami pertambahan panjang, lebar, dan tinggi. Pemuaian volume memiliki persamaan sebagai berikut.
∆𝑉 = 𝛾. 𝑉0. ∆𝑇 (2.5)
Diketahui bahwa 𝛾 merupakan koefisien muai volume dengan 𝛾 = 3𝛼, sehingga volume benda setelah dipanaskan mendapatkan persamaan sebagai beriku.
𝑉 = 𝑉0(1 + 𝛾. ∆𝑇) = 𝑉0(1 + 3𝛼. ∆𝑇) (2.6) Keterangan:
∆𝑉 : Pertambahan volume benda setelah dipanaskan (𝑚3) 𝑉 : Volume benda setelah dipanaskan (𝑚3)
𝑉0 : Volume benda mula-mula (𝑚3) 𝛾 : Koefisien muai volume (℃−1)
∆𝑇 : Perubahan suhu (℃)
Nilai koefisien muai volume (𝛾) untuk berbagai zat pada suhu 20℃
ditunjukkan pada Tabel 2.3 berikut:35
Tabel 2. 3 Nilai Koefisien Muai Volume pada berbagai Zat Zat Koefisien Muai Volume 𝜸(℃−𝟏)
Alumunium 75 𝑥 10−6
Kuningan 56 𝑥 10−6
Tembaga 50 𝑥 10−6
Emas 42 𝑥 10−6
Besi atau baja 35 𝑥 10−6
Timah 87 𝑥 10−6
Air raksa 180 𝑥 10−6
Etil Alkohol 1100 𝑥 10−6
Glisenrin 500 𝑥 10−6
c. Kalor dan Perubahan Wujud Zat 1) Pengertian Kalor
35 Hugh D. Young dan Roger A. Freedman, Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid I, terj. Endang Juliastuti, (Jakarta: Erlangga, 2002), h. 463.
Kalor adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda yang lain karena adanya perbedaan suhu.36 Kalor timbul akibat adanya perbedaan suhu. Maka, perbedaan suhu dan kalor adalah sebagai berikut. Suhu merepresentasikan energi kinetik satu molekul zat. Sedangkan, kalor adalah perpindahan energi dalam dari suatu zat ke zat lain karena adanya perbedaan suhu. Kalor merupakan salah satu bentuk energi, sehingga dapat berpindah dari satu sistem ke sistem yang lain karena adanya perbedaan suhu. Sebaliknya, setiap ada perbedaan suhu antara dua sistem maka akan terjadi perpindahan kalor.37
2) Kapasitas Kalor dan Kalor Jenis
Bila kalor mengalir ke dalam benda, maka temperatur dari dalam benda akan naik (dengan asumsi tidak ada perubahan fase). Jumlah kalor Q yang dibutuhkan untuk mengubah temperatur dari material yang ditentukan adalah proporsional terhadap massa 𝑚 dari material dan perubahan temperatur ∆𝑇 dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut.38
𝑄 = 𝑚. 𝑐. ∆𝑇 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑐 = 𝑄 𝑚. ∆𝑇
(2.7) Sementara, kapasitas kalor (𝐶) merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar satu satuan suhu.
𝐶 = 𝑄
∆𝑇
(2.8) Sehingga
𝐶 = 𝑚. 𝑐 (2.9)
Keterangan:
𝑄 : Banyaknya kalor yang diperlukan 𝑚 : Massa benda
𝑐 : Kalor jenis benda
∆𝑇 : Perubahan suhu 𝐶 : Kapasitas kalor benda
Berikut adalah kalor jenis berbagai zat pada Tabel 2.4 di bawah ini:
36 Giancoli, Op. Cit. h. 485.
37 Loc. cit.
38 Ibid., h.486
Tabel 2. 4 Kalor Jenis Zat Zat
Kalor Jenis
𝑲𝒌𝒂𝒍. 𝒌𝒈−𝟏℃−𝟏 𝑱. 𝒌𝒈−𝟏℃−𝟏
Alumunium 0,22 4,180
Tembaga 0,093 0,232
Kaca 0,20 2,299
C = Besi atau baja 0,11 0,907
Timah hitam 0,031 0,472
Marmer 0,21 0,129
Perak 0,056 0,138
Kayu 0,4 0,387
Alkohol (ethyl) 0,58 2,05
Raksa 0,033 0,386
Air
Es (5℃) 0,50 2100
Cair (15℃) 1,00 4186
Uap (110℃) 0,48 2010
Tubuh manusia (rata-rata) 0,83 3470
3) Hukum Konservasi Energi
Ketika terdapat sistem yang mana bagian-bagian berbeda yang memiliki suhu yang berbeda, kalor akan mengalir dari bagian suhu yang tinggi ke bagian suhu yang rendah. Namun, apabila sistem terisolasi seluruhnya, maka tidak ada energi yang mengalir ke dalam atau ke luar sistem. Cara sederhana untuk menentukan persamaan konservasi energi yaitu bahwa kalor yang hilang dari satu sisi sama dengan energi yang diperoleh dari sisi lain.39
Kalor yang dipindahkan ke dalam atau keluar dari sistem terisolasi adalah nol, maka dapat dituliskan persamaan sebagai berikut:
∑ 𝑄 = 0 (2.10)
39 Ibid., h. 488
𝑚1𝑐1∆𝑇1 = 𝑚2𝑐2∆𝑇2 (2.11) 𝑚1𝑐1(𝑇1− 𝑇𝑎) = 𝑚2𝑐2(𝑇𝑎− 𝑇2) (2.12) Keterangan:
𝑚1 : Massa benda 1 (𝑘𝑔, 𝑔)
𝑐1 : Kalor jenis 1 (𝑘𝑎𝑙/𝑔℃, 𝐽/𝑘𝑔℃) 𝑇1 : Suhu benda 1 (℃)
𝑚2 : Massa benda 2 (𝑘𝑔, 𝑔)
𝑐2 : Kalor jenis 2 (𝑘𝑎𝑙/𝑔℃, 𝐽/𝑘𝑔℃) 𝑇2 : Suhu benda 2 (℃)
𝑇𝑎 : Suhu campuran setelah tercapai keseimbangan termal (℃).
4) Hubungan Kalor dengan Perubahan Wujud
Istilah fasa atau wujud ditunjukkan untuk mendeskripsikan keadaan tertentu dari suatu zat. Transisi dari satu fasa ke fasa lainnya disebut perubahan fasa atau perubahan wujud. Seperti yang kita ketahui bahwa zat dapat berbentuk tiga wujud, yaitu padat, cair dan gas. Dua perubahan fasa yang umum adalah perubahan fasa dari padat ke cair (melebur) dan dari cair ke gas (menguap).40
5) Kalor Lebur dan Kalor Uap
Kalor yang dibutuhkan untuk merubah 1 kg zat dari padat menjadi cair disebut kalor lebur yang dinyatakan dengan 𝐿𝐹. Sedangkan kalor yang dibutuhkan untuk merubah suatu zat dari wujud cair ke wujud gas atau uap disebut kalor uap yang dinyatakan dengan 𝐿𝑉. Kalor yang terlibat dalam perubahan fasa tidak hanya bergantung pada kalor lebur atau kalor uap saja, tetapi juga pada massa total zat tersebut, secara matematis dirumuskan sebagai berikut:41
𝑄 = 𝑚. 𝐿 (2.13)
Keterangan:
𝑚 : Massa zat (𝑘𝑔) 𝐿 : Kalor laten (𝐽/𝑘𝑔)
40 Ibid., h. 494.
41 Ibid., h. 492.
𝑄 : Kalor yang ditambahkan atau dilepaskan selama perubahan fase (𝐽)
d. Perpindahan Kalor 1) Konduksi
Perpindahan kalor terjadi ketika benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Misalkan sebuah lempengan besi yang ujungnya dipanaskan maka ujung lainnya akan terasa panas, walaupun tidak secara langsung. Hal itu disebabkan karena molekul-molekul pada logam mentransfer sebagian energi mereka sepanjang benda logam tersebut.42 Secara matematis, perpindahan kalor secara konduksi dapat ditunjukkan persamaan berikut:
𝐻 = 𝑄 𝑡 = 𝑘𝐴
𝑙 ∆𝑇 (2.14)
Keterangan:
𝐻 : kelajuan hantaran kalor konduksi ((𝐽. 𝑠−1) 𝑄 : kalor yang dihantarkan (𝐽)
𝑡 : selang waktu yang diperlukan (𝑠)
𝐾 : koefisien konduksi termal bahan (𝐽. 𝑠−1. 𝑚−1. ℃−1) 𝐴 : luas penampang benda (𝑚2)
∆𝑇 : perbedaan suhu antara kedua ujung benda (℃) 𝑙 : panjang benda (𝑚)
Konduktivitas termal (𝑘) untuk berbagai zat dapat dilihat pada Tabel 2.4 berikut:43
Tabel 2. 5 Konduktivitas Termal Benda Zat
Konduktivitas Termal
𝒌𝒌𝒂𝒍. 𝒔−𝟏. 𝒎−𝟏. ℃−𝟏 𝑱. 𝒔−𝟏. 𝒎−𝟏. ℃−𝟏
Perak 10 𝑥 10−2 420
Tembaga 9,2 𝑥 10−2 380
Alumunium 5,0 𝑥 10−2 200
Baja 1,1 𝑥 10−2 40
42 Ibid., h. 495.
43 Ibid., h. 496.
Zat
Konduktivitas Termal
𝒌𝒌𝒂𝒍. 𝒔−𝟏. 𝒎−𝟏. ℃−𝟏 𝑱. 𝒔−𝟏. 𝒎−𝟏. ℃−𝟏
Es 5 𝑥 10−4 2
Gelas (biasa) 2 𝑥 10−4 0,84
Batu bata dan beton 2 𝑥 10−4 0,84
Air 1,4 𝑥 10−4 0,56
Jaringan tubuh manusia (tidak termasuk darah)
0,5 𝑥 10−4 0,2
Kayu 0,3 − 0,4 𝑥 10−4 0,08 − 0,16
Isolator fiberglass 0,12 𝑥 10−4 0,048
Gabus dan serat kaca 0,1 𝑥 10−4 0,042
Wol 0,1 𝑥 10−4 0,040
Bulu angsa 0,06 𝑥 10−4 0,025
Busa polyurethane 0,06 𝑥 10−4 0,024
Udara 0,055 𝑥 10−4 0,023
2) Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor yang diikuti oleh partikel-partikel media perantaranya. Konveksi merupakan proses perpindahan kalor ditransfer dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat lain. Misal ketika memasak air, arus konveksi terjadi pada air bagian bawah yang lebih panas naik karena massanya lebih kecil dari pada massa air yang suhunya rendah. Air yang bersuhu rendah berpindah ke bawah mengisi tempat yang ditinggalkan air sebelumnya yang bersuhu tinggi. Persamaan perpindahan kalor secara konveksi dituliskan sebagai berikut:
𝐻 =𝑄
𝑡 = ℎ. 𝐴. ∆𝑇 (2.15)
Keterangan:
𝐻 : kelajuan hantaran kalor konduksi ((𝐽. 𝑠−1) 𝑄 : kalor yang dihantarkan (𝐽)
𝑡 : selang waktu yang diperlukan (𝑠) ℎ : koefisien konveksi (𝐽. 𝑠−1. 𝑚−1. ℃−1) 𝐴 : luas penampang benda (𝑚2)
∆𝑇 : perbedaan suhu antara kedua ujung benda (℃)
3) Radiasi
Radiasi dikenal dengan perpindahan kalor/panas oleh gelombang elektromagnetik.44 Radiasi merupakan perpindahan kalor yang terjadi tanpa medium (perantara). Laju kalor per satuan luas yang dipancarkan oleh sebuah benda bersuhu T kelvin memenuhi persamaan berikut.
𝐸 = 𝑒. 𝜎. 𝑇4 (2.16)
Keterangan:
𝐸 : energi yang dipancarkan atau diserap per satuan waktu per satuan luas (𝐽. 𝑠−1. 𝑚−2 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑤𝑎𝑡𝑡. 𝑚−2)
𝑒 : emisivitas bahan
𝜎 : konstanta Stefan-Boltzmann (5,67 𝑥 10−8 𝑤𝑎𝑡𝑡. 𝑚−2. 𝐾−4) 𝑇 : suhu mutlak (K)
𝐴 : luas penampang benda (𝑚2)
∆𝑇 : perbedaan suhu antara kedua ujung benda (℃)