KALOR

Ketika suatu ketel air dingin diletakkan di atas kompor, temperature air akan naik. Kita katakan bahwa terjadi perpindahan kalor dari pemanas ke air dingin. Kalor mengalir dari pemanas ke air dingin. Ketika dua benda yang temperaturnya berbeda diletakkan saling bersentuhan, kalor akan mengalir seketika dari yang panas ke yang dingin. Jika kedua benda tersebut disentuhkan cukup lama sehingga temperature keduanya sama, keduanya dikatakan dalam keadaan setimbang termal, dan tidak ada lagi kalor yang mengalir diantaranya. Jadi dapat dikatakan bahwa kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan energi terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama atau setimbang termal.

Kalor berbeda dengan suhu, walaupun keduanya memiliki hubungan yang sangat erat. Suhu adalah derajat panas atau dingin suatu benda, sedangkan kalor adalah energi yang dipindahkan dari suatu benda ke benda yang lain. Suhu dan kalor dapat dibedakan dengan jelas pada peristiwa perubahan wujud zat. Untuk mengubah es menjadi air diperlukan kalor. Pada peristiwa perubahan wujud ini, es bersuhu 0⁰C berubah menjadi air bersuhu 0⁰C. Jadi tidak ada perubahan suhu pada es mencair, tetapi dibutuhkan kalor untuk mengubah wujud es tersebut.

Besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor :

1.        massa zat

2.        jenis zat (kalor jenis)

3.        perubahan suhu

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Dimana:

Q = kalor yang dibutuhkan (J)

m = massa benda (kg)

c = kalor jenis (J/kg ^oC)

 = (T₂- T₁) = perubahan suhu (^oC)

Satuan Kalor dan Tara Kalor Mekanik

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 ^oC (tepatnya dari 14,5 ^oC menjadi 15,5 ^oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda-beda untuk suhu air yang berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 ^oC hanya terjadi antara suhu 14,5 ^oC sampai 15,5 ^oC.  Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar). Satuan kalor untuk sistem Bristish adalah Btu (British thermal unit = satuan termal Inggris). 1 Btu = jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pound air sebesar 1 ^oF (Tepatnya dari 63 ^oF menjadi 64 ^oF) .

Kalor berkaitan dengan energi karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh Joule dan ilmuwan lainnya, diketahui bahwa usaha sebesar 4,186 Joule setara dengan 1 kalori kalor.

1 kalori = 4,186 Joule

1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule

(1 kalori = 4,186 Joule dan 1 kkal = 4186 disebut tara kalor mekanik)

Kapasitas Kalor dan Kalor Jenis

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar 1 derajat celcius.

Keterangan : C = kapasitas kalor, Q = banyaknya kalor,  T= perubahan suhu.

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

Keterangan: c = kalor jenis (J/kg ^oC), Q = banyaknya kalor, m = massa benda (kg),  = perubahan suhu (^oC) 

Asas Black

Jika kita mencampur air panas dan dingin didalam suatu wadah terbuka, maka akan terjadi perpindahan kalor dari air panas menuju air dingin. Karena wadah terbuka, maka sebagian kalor berpindah menuju udara. Wadah juga menjadi lebih hangat. Kalor yang dilepaskan oleh air panas, tidak hanya diserap oleh air dingin, tetapi juga diserap oleh udara dan wadah. Dalam hal ini, wadah merupakan sistem tidak terisolasi.

Apabila kita mencampur air pans dan air dingin dalam sebuah termos tertutup, maka terjadi perpindahan kalor dari air panas menuju air dingin. Termos merupakan sistem terisolasi karenanya tidak ada kalor yang berpindah menuju udara atau termos. Kalor yang dilepaskan oleh air panas hanya diserap oleh air dingin hingga campuran air panas dan air dingin mencapai kesetimbangan termal.

Asas Black menyatakan bahwa dalam sistem tertutup terisolasi, kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi = kalor yang diserap oleh benda bersuhu rendah.

Q lepas = Q serap

Untuk menentukan kalor jenis yang tidak diketahui dapat ditentukan dengan menggunakan kalorimetri. Kalorimeter merupakan alat pengukuran kuantitatif dari pertukaran kalor. Kalorimeter diisolasi dengan baik sehingga hanya sejumlah minimum kalor yang dipertukarkan dengan luarnya. Teknik yang dikenal sebagai “metode campuran”, satu sampel zat yang dipanaskan sampai temperature tinggi yang diukur dengan akurat, dan dengan cepat ditempatkan pada air dingin kalorimeter. Kalor yang hilang pada sampel tersebut akan diterima oleh air dan calorimeter. Dengan mengukur temperature akhir campuran tersebut, kalor jenis suatu zat dapat dihitung menggunakan hukum asas black.

Dimana indeks s, w dan kal mengacu pada sampel, air dan kalorimeter berturut-turut

Kalor Laten (L)

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis :

1.        Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu

2.        Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten)

Ketika memasukkan termometer raksa ke dalam sebuah wadah yang berisi campuran air dingin dan es, maka setelah bergerak ke bawah, permukaan raksa diam atau tidak bergerak lagi. Permukaan raksa berhenti bergerak setelah mencapai suhu titik lebur air atau titik es atau titik beku air (0 ^oC). Jika wadah terbuka maka kalor mengalir dari udara bersuhu lebih tinggi menuju campuran es dan air yang bersuhu lebih rendah. Adanya tambahan kalor dari udara menyebabkan es mencair. Selama es mencair, apakah suhu campuran es dan air berubah? Selama es mencair, suhu campuran air dan es tidak berubah.

Apabila campuran es dan air dipanaskan menggunakan api atau pemanas listrik, misalnya, maka semua es berubah menjadi air. Jika terus dipanaskan maka suhu air meningkat hingga mencapai 100 ^oC. Pada suhu 100 ^oC, air mulai menguap. Apabila nyala api diperbesar atau air terus dipanaskan, semakin cepat air berubah menjadi uap, sedangkan suhu air tidak mengalami perubahan atau tetap 100 ^oC. Ini adalah suhu titik didih air atau suhu tertinggi yang dapat dicapai air.

Grafik hubungan kalor dengan perubahan suhu dan perubahan wujud air.

AB = Tambahan kalor menaikkan suhu es sampai 0 ^oC

BC = Tambahan kalor mencairkan es menjadi air

CD = Tambahan kalor menaikkan suhu air dari 0 ^oC sampai 100 ^oC

DE = Tambahan kalor menguapkan air

EF = Tambahan kalor menaikkan suhu uap

Grafik di atas menunjukkan proses perubahan suhu dan perubahan wujud air selama air menyerap kalor (pada tekanan udara 1 atmosfer). Jika air melepaskan kalor maka proses yang terjadi adalah kebalikan dari proses di atas (tandah panah di balik). Penambahan kalor dari B – C tidak menyebabkan perubahan suhu air tetapi hanya meleburkan es menjadi air. Demikian juga penambahan kalor dari D – E tidak menyebabkan perubahan suhu air tetapi hanya mengubah air menjadi uap. Air hanya salah satu contoh saja. Pada dasarnya semua benda akan mengalami proses perubahan wujud dan perubuhan suhu seperti yang dialami oleh air, jika benda tersebut menyerap kalor. Perbedaannya terletak pada titik beku dan titik didih. Setiap benda mempunyai titik beku dan titik didih yang berbeda. Jika benda melepaskan kalor maka proses yang terjadi adalah kebalikan dari proses di atas.

Persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam yaitu:

1.        Kalor Lebur

Kalor lebur adalah banyaknya kalor yang diserap oleh 1 kg benda untuk mengubah wujudnya dari padat menjadi cair atau kalor yang dilepaskan 1 kg benda untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi padat.

Keterangan : Q = kalor yang diserap atau dilepaskan (J), m = massa benda (kg), L = kalor lebur (J/kg).

2.        Kalor Uap

Kalor uap adalah banyaknya kalor yang diserap oleh 1 kg benda untuk mengubah wujudnya dari cair menjadi gas atau kalor yang dilepaskan 1 kg benda untuk mengubah wujudnya dari gas menjadi cair.

 

Keterangan : Q = kalor yang diserap atau dilepaskan (J), m = massa benda (kg), U = kalor uap (J/kg)

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Perpindahan Kalor

Kalor atau panas adalah energi yang berpindah dari benda bersuhu tinggi menuju benda bersuhu rendah. Perpindahan kalor terhenti setelah terjadi kesetimbangan termal. Jika anda mencampur air panas dengan air dingin maka kalor berpindah dari air panas menuju air dingin. Perpindahan kalor terhenti setelah terjadi kesetimbangan termal atau setelah campuran air panas dan air dingin mencapai suhu yang sama.

Terdapat tiga jenis perpindahan kalor, antara lain perpindahan kalor secara konduksi, perpindahan kalor secara konveksi, perpindahan kalor secara radiasi.

1.       Perpindahan kalor secara konduksi

Siapkan sebuah lilin dan sepotong kawat tipis. Pegang salah satu ujung kawat lalu sentuhkan ujung kawat lain ke nyala lilin. Tunggu selama beberapa saat hingga tanganmu kepanasan. Mengapa tanganmu terasa panas ? Ketika salah satu ujung kawat bersentuhan dengan nyala lilin, kalor berpindah dari nyala lilin (suhu tinggi) menuju ujung kawat tersebut (suhu rendah). Adanya perpindahan kalor menyebabkan suhu ujung kawat yang bersentuhan dengan api meningkat. Perbedaan suhu antara ujung kawat yang bersentuhan dengan nyala lilin dengan ujung kawat lainnya menyebabkan kalor berpindah dari ujung kawat yang bersentuhan dengan api menuju ujung kawat yang disentuh tangan. Adanya perpindahan kalor menyebabkan suhu ujung kawat yang disentuh meningkat. Kalor selanjutnya berpindah menuju tangan yang lebih dingin. Akibatnya tangan anda terasa panas.

Ketika salah satu bagian benda bersuhu tinggi bersentuhan dengan benda bersuhu rendah, energi berpindah dari benda bersuhu tinggi menuju bagian benda bersuhu rendah. Adanya tambahan energi menyebabkan atom dan molekul penyusun benda bergerak semakin cepat. Ketika bergerak, molekul tersebut memiliki energi kinetik. Molekul-molekul yang bergerak lebih cepat (energi kinetiknya lebih besar) menumbuk molekul yang berada di sebelahnya. Molekul tadi menumbuk lagi molekul lain yang berada di sebelah. Demikian seterusnya. Jadi molekul-molekul saling bertumbukan, sambil memindahkan energi. Perpindahan kalor yang terjadi melalui tumbukan antara molekul pernyusun benda dinamakan perpindahan kalor secara konduksi.

Benda yang terletak di sebelah kiri memiliki suhu yang lebih tinggi (T1) sedangkan benda yang  terletak di sebelah kanan memiliki suhu yang lebih rendah (T2 ). Karena adanya perbedaan suhu (T1–T2), kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang (l).

Berdasarkan  hasil  percobaan,  kalor  yang  berpindah  selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T1–T2), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Rumus laju perpindahan kalor secara konduksi :

Keterangan : Q/t = laju perpindahan kalor, k = konduktivitas termal, A = luas penampang, T1  = suhu tinggi, T2  = suhu rendah, l = panjang benda.

2.        Perpindahan kalor secara konveksi

Perpindahan kalor secara konduksi biasanya terjadi pada benda padat atau dari benda padat ke benda cair (benda cair ke benda padat) atau dari benda padat ke benda gas (benda gas ke benda padat). Sedangkan perpindahan kalor secara konveksi biasanya terjadi pada benda cair (misalnya air) dan benda gas (misalnya udara).

Perpindahan kalor secara konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan benda. Contoh perpindahan  kalor secara konveksi misalnya terjadi pada air yang dipanaskan menggunakan api. Ketika air di dalam sebuah wadah dipanaskan dengan api, kalor berpindah dari api (suhu tinggi) ke wadah (suhu rendah) secara konduksi dan radiasi. Selanjutnya kalor berpindah dari wadah (suhu lebih tinggi) ke air yang berada di dekat wadah (suhu lebih rendah) secara konduksi. Adanya tambahan kalor menyebabkan suhu air yang berada di dekat wadah meningkat. Meningkatnya suhu air mengakibatkan air memuai atau volume air bertambah. Karena volume air bertambah maka massa jenis air berkurang. Air yang berada di dekat alas wadah mempunyai suhu lebih tinggi dibandingkan dengan air yang berada di sebelah atasnya. Dengan kata lain, air yang berada di dekat alas wadah mempunyai volume lebih besar dan massa jenisnya lebih kecil, sedangkan air yang berada di sebelah atasnya mempunyai volume lebih kecil dan massa jenisnya lebih besar. Adanya perbedaan massa jenis menyebabkan air yang berada di permukaan wadah, yang mempunyai massa jenis lebih besar, bergerak ke bawah dan air yang berada di dekat alas wadah, yang mempunyai massa jenis lebih kecil, bergerak ke atas. Proses ini terjadi secara terus menerus hingga semua air yang berada di dalam mempunyai suhu yang sama (Jika tekanan udara 1 atmosfer maka air di dalam wadah mengalami penguapan alias mendidih pada suhu 100 ^oC).

Terjadinya angin darat dan angin laut juga melibatkan perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi. Kalor jenis daratan (kalor jenis benda padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut, karenanya daratan lebih cepat panas ketika disinari matahari dan juga lebih cepat dingin ketika malam hari tiba. Daratan yang lebih cepat panas, memanaskan udara yang berada di atas (kalor berpindah dari daratan ke udara secara konduksi). Suhu udara yang mendapat  tambahan  kalor  meningkat  dan  udara  memuai.  Akibatnya  massa  jenis  udara  tersebut  berkurang. Sebaliknya suhu air laut lebih dingin sehingga udara yang berada di atas permukaan air laut juga lebih dingin, dibandingkan udara yang berada di permukaan daratan. Udara di permukaan laut lebih dingin sehingga massa jenisnya lebih besar. Adanya perbedaan massa jenis udara menyebabkan udara yang berada di permukaan laut bergerak menuju daratan dan menekan udara di daratan ke atas. Semakin jauh dari permukaan bumi, jumlah udara semakin  berkurang  karena  gaya  gravitasi  bumi semakin kecil. Karena jumlah udara semakin berkurang maka tekanan udara juga semakin kecil. Udara panas di daratan yang bergerak ke atas mengalami pendinginan karena semakin jauh dari permukaan  bumi,  tekanan  udara  semakin berkurang.  Udara  dingin  tersebut  kemudian bergerak lagi ke bawah, tidak menuju permukaan daratan tetapi menuju permukaan lautan yang mempunyai suhu yang lebih dingin. Proses ini terjadi secara terus menerus sehingga timbul aliran udara dari laut menuju darat


3.        Perpindahan kalor secara radiasi

Konduksi dan konveksi memerlukan adanya materi sebagai medium untuk membawa kalor dari daerah yang lebih panas ke yang lebih dingin. Tetapi perpindahan kalor secara radiasi terjadi tanpa memerlukan medium apupun dan dalam  bentuk gelombang elektromagnetik. Contoh perpindahan kalor secara radiasi adalah hangatnya tubuh anda ketika berada di dekat tungku api dan perpindahan  kalor  dari  matahari  menuju  bumi.  Matahari  memiliki  suhu  lebih  tinggi  (sekitar  6000  Kelvin), sedangkan bumi memiliki suhu yang lebih rendah. Adanya perbedaan suhu antara matahari dan bumi menyebabkan kalor berpindah dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara alias medium, sebagaimana perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi. kalor harus melewati ruang hampa (atau hampir hampa). Jika tidak ada  sumbangan kalor dari matahari, maka  kehidupan di bumi tidak akan pernah ada karena  kehidupan membutuhkan energi.

Laju perpindahan kalor dengan cara radiasi ditemukan sebanding dengan luas benda dan pangkat empat suhu mutlak (Skala Kelvin) benda tersebut. Benda yang memiliki luas permukaan yang lebih besar memiliki laju perpindahan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang memiliki luas permukaan yang lebih kecil.

Keterangan :

Q/t = laju perpindahan kalor secara radiasi atau laju radiasi energi

A = Luas permukaan benda (m²)

T = Suhu mutlak benda (K)

e =  Emisivitas  (angka  tak  berdimensi  yang  besarnya  berkisar  antara  0  sampai  1),

σ = konstanta Stefan-Boltzmann (5,67  x  10^-8   W/m².K⁴)